董大勇 穆宇亮

(中鋼集團(tuán)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司石家莊設(shè)計(jì)院塔桅分院，河北石家莊 050021)

通信鐵塔是指為移動(dòng)通信天線提供所需的不同高度、不同安裝環(huán)境和其他要求的塔架結(jié)構(gòu)，高度通常在15 m～60 m之間，一般由鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件建造組裝而成，結(jié)構(gòu)上屬于鋼結(jié)構(gòu)高聳結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)高寬比大、整體剛度小、自振周期長(zhǎng)，控制外荷載主要為橫向風(fēng)荷載，力學(xué)上整體屬于懸臂受彎構(gòu)件。通信鐵塔結(jié)構(gòu)形式主要分為空間桁架類的角鋼塔和懸臂梁類的錐管塔兩大類(近幾年空間桁架類的三管塔應(yīng)用也逐漸增多，本文僅以桁架類的角鋼塔為例)?？臻g桁架塔通常采用角鋼通過(guò)節(jié)點(diǎn)板和螺栓連接而成，國(guó)產(chǎn)角鋼絕大部分是直角角鋼，因此角鋼塔大都是四邊形截面，即四邊角鋼塔。單管通信鐵塔(單管塔)是一種較新形式的通信鐵塔，它是由法蘭盤(pán)連接的若干段圓截面(或類似圓截面)錐形鋼筒或套筒式連接的若干段多邊形鋼筒而成的通信鐵塔結(jié)構(gòu)形式。目前在實(shí)際工程中，四邊形角鋼塔和錐管塔占通信工程地面基站的70%以上。兩種形式的鐵塔因?yàn)闃?gòu)造形式不同，其自身特性也有相當(dāng)?shù)牟町?。如何在?shí)際建設(shè)過(guò)程中依據(jù)使用要求及其自身特點(diǎn)優(yōu)選塔形，對(duì)于節(jié)省用鋼量有重要意義。

1 對(duì)比塔形情況

實(shí)際工程中，根據(jù)使用條件的不同，鐵塔的具體條件也不盡相同，自立鐵塔塔高一般在37 m～52 m之間，平臺(tái)數(shù)量可能有若干個(gè)，基本風(fēng)壓一般在0.35 kN/m2～1.0 kN/m2之間。本文選取較有代表性的使用條件進(jìn)行比較，按鐵塔高度47 m，基本風(fēng)壓0.4 kN/m2，平臺(tái)數(shù)量?jī)蓚€(gè)，兩種鐵塔外形見(jiàn)圖1，具體技術(shù)條件見(jiàn)表1，表2。本文采用SAP2000結(jié)構(gòu)有限元分析軟件對(duì)角鋼塔和錐管塔進(jìn)行了建模分析。

表1 角鋼塔的技術(shù)指標(biāo)

表2 錐管塔的技術(shù)指標(biāo)

圖1 兩種鐵塔外形

2 鐵塔自振周期及振型對(duì)比

鐵塔的自振特性是結(jié)構(gòu)本身的重要特性，在結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析中，結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型是承受動(dòng)力荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，也是結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的基礎(chǔ)。各階頻率所對(duì)應(yīng)的振型決定了其動(dòng)力參與系數(shù)的大小，也就決定了其對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)所作貢獻(xiàn)的大小。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的振型分析，可以明確結(jié)構(gòu)的剛度分布情況，從而得知結(jié)構(gòu)各個(gè)部分剛度的強(qiáng)弱。

通過(guò)模型計(jì)算，其結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 角鋼塔自振周期

圖3 錐管塔自振周期

由圖2，圖3中可以看到，角鋼塔的基本周期為0.459 s，而錐管塔的基本周期為1.88 s，說(shuō)明錐管塔的剛度小于角鋼塔，其自身剛度較小。

從其各自前9階的振型可以看到，角鋼塔的前兩階振型為整個(gè)塔身的振動(dòng)，從第3階開(kāi)始不再為整體的振動(dòng)而變?yōu)榫植織U件的振動(dòng)。錐管塔的振型較為規(guī)則，成對(duì)的向整體高階振動(dòng)過(guò)渡，因?yàn)樗肀诤駶M足規(guī)范規(guī)定的最小徑厚比要求，計(jì)算模型未出現(xiàn)局部振動(dòng)。

3 鐵塔變形對(duì)比

鐵塔的剛度是通訊專業(yè)對(duì)鐵塔的主要要求指標(biāo)，塔身在使用過(guò)程中過(guò)大的擺動(dòng)會(huì)影響信號(hào)的傳輸穩(wěn)定性。移動(dòng)通信鐵塔對(duì)結(jié)構(gòu)位移要求不高，只需要滿足規(guī)范規(guī)定的高聳結(jié)構(gòu)水平位移限值。如果通信塔上裝設(shè)微波天線，兼作微波塔，則對(duì)結(jié)構(gòu)位移的要求就要高很多，還必須滿足較為嚴(yán)格的方向性等工藝要求。

在實(shí)際工程中，主要通過(guò)控制風(fēng)荷載作用下塔頂位移來(lái)控制整個(gè)塔身的變形，GB 50135-2006高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，高聳結(jié)構(gòu)在以風(fēng)為主的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下按線性分析的塔頂水平位移限值為塔高的1/75。由模型計(jì)算的在相應(yīng)組合荷載下的位移，角鋼塔塔頂位移為324 mm，為塔高的1/145;錐管塔塔頂位移為561 mm，達(dá)到塔高的1/84。由此可見(jiàn)，在相同條件下，角鋼塔的塔頂位移僅為錐管塔的58%，其變形比錐管塔小很多。

4 鐵塔重量對(duì)比

鐵塔的用鋼量是衡量經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。伴隨著通信業(yè)的高速增長(zhǎng)，包括通信塔在內(nèi)的電信基礎(chǔ)設(shè)施得到了快速的發(fā)展。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，尤其是GSM網(wǎng)和3G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，極大的促進(jìn)了通信鐵塔的建設(shè)，這種通信塔遍布城鄉(xiāng)，數(shù)量驚人。因此，鐵塔用鋼量就成為各大運(yùn)營(yíng)商非常重視的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一。文中兩種塔形每段塔段的重量見(jiàn)表3和表4，表3，表4中重量?jī)H包含塔身用鋼量。

表3 角鋼塔各塔段重量

表4 錐管塔各塔段重量

由表3，表4中可得，同樣條件下，角鋼塔塔身用鋼量為12.47 t，而錐管塔用鋼量?jī)H為10.85 t，角鋼塔比錐管塔多用1.62 t的鋼材。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)兩種結(jié)構(gòu)形式鐵塔的分析可以看到，在同樣高度、風(fēng)壓及平臺(tái)數(shù)的情況下，角鋼塔的自振周期比錐管塔短，說(shuō)明其自身剛度大于錐管塔，相應(yīng)其在風(fēng)荷載作用下位移也較小，但錐管塔比角鋼塔可以節(jié)約14.9%的鋼材。由此，可以得出兩種鐵塔的優(yōu)選條件，在塔頂位移可以滿足使用要求的情況下，可優(yōu)先選用錐管塔，可以達(dá)到節(jié)省用鋼量的目的;而在對(duì)于塔身位移有較嚴(yán)格要求的情況下，可考慮選用自身剛度較大的角鋼塔。

［1］王肇民.高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1995.

［2］沈之容.鋼結(jié)構(gòu)通信塔設(shè)計(jì)與施工［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］王肇民，馬人樂(lè).塔式結(jié)構(gòu)［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［4］GB 50135-2006，高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］李 杰，李國(guó)強(qiáng).地震工程學(xué)導(dǎo)論［M］.北京:地震出版社，1994.