穆宇亮 周 珊

（河北蓬榮檢測技術(shù)服務(wù)有限公司 河北石家莊 050000）

三鋼管式鐵塔，簡稱三管塔，屬于常見鐵塔形式的一種。鐵塔結(jié)構(gòu)是由三根鋼管作為鐵塔塔柱，由角鋼或鋼管連接塔柱組成的格構(gòu)式鐵塔結(jié)構(gòu)。三管式鐵塔具有塔柱承載力強(qiáng)、根開小、迎風(fēng)面積小、風(fēng)荷載擋風(fēng)系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。另外，桁架式鐵塔天然具有運(yùn)輸和安裝方便、建設(shè)周期短、占地面積小、節(jié)省建設(shè)用地等優(yōu)點(diǎn)。所以在實(shí)際工程中，三管塔得到了廣泛的應(yīng)用。

設(shè)計(jì)階段，三管塔在前期方案設(shè)計(jì)階段需要根據(jù)設(shè)計(jì)高度、基本風(fēng)壓、鐵塔載荷等因素進(jìn)行塔身選型，確定三管塔的整體立面尺寸。合理地進(jìn)行塔身選型，既可以滿足鐵塔在設(shè)計(jì)風(fēng)壓、規(guī)定荷載情況下整個(gè)塔身的承載力及變形要求，又可以達(dá)到減小鐵塔基礎(chǔ)反力，從而節(jié)約基礎(chǔ)混凝土用量及造價(jià)的目的。但是，三管塔塔身合理選型是一個(gè)需要考慮多種因素的過程。鐵塔外形會(huì)影響塔身風(fēng)荷載的大小，風(fēng)荷載又反過來影響鐵塔的受力，所以鐵塔塔身選型應(yīng)該是一個(gè)反復(fù)試算的過程，設(shè)計(jì)人員在鐵塔選型時(shí)要有迭代優(yōu)化的思想。

塔身根部主材間距離，又稱為鐵塔的根開，確定該參數(shù)需要考慮的因素涉及設(shè)計(jì)高度、基本風(fēng)壓、鐵塔載荷、鐵塔占地面積等因素，并且塔身選型會(huì)影響鐵塔基礎(chǔ)反力，鐵塔的基礎(chǔ)反力包括簡化至塔腳平面形心處的壓力、剪力、彎矩及單個(gè)塔腳最大壓力、最大拉力等，相同情況下不同的鐵塔外形會(huì)引起鐵塔基礎(chǔ)反力的變化，而不同的基礎(chǔ)反力對基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)影響很大，從而導(dǎo)致包括基礎(chǔ)尺寸、基礎(chǔ)混凝土用量以及鐵塔基礎(chǔ)建設(shè)成本的變化。所以，鐵塔選型要考慮對基礎(chǔ)反力的影響，能夠合理地進(jìn)行塔身選型是減小基礎(chǔ)尺寸、控制基礎(chǔ)成本的重要手段，這就要求通過大量細(xì)致的實(shí)際觀測和計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算進(jìn)行總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上得出合理的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以指導(dǎo)實(shí)際的設(shè)計(jì)工作。

1 三管塔塔柱斜率及結(jié)構(gòu)分析模型

鐵塔塔身選型需要考慮的因素多而繁雜，而鐵塔選型會(huì)明顯的影響基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和造價(jià)。這就需要大量的模擬試算并通過比較確定合理的塔身整體外形。

影響鐵塔基礎(chǔ)反力的主要因素有設(shè)計(jì)高度、基本風(fēng)壓、鐵塔載荷等。鐵塔設(shè)計(jì)高度一般由天線掛高決定?；撅L(fēng)壓由鐵塔所在的地區(qū)決定，并與當(dāng)?shù)氐匦蔚孛灿嘘P(guān)。鐵塔所受荷載主要為橫向風(fēng)荷載，包括鐵塔自身所受的風(fēng)荷載和鐵塔上安裝設(shè)備的風(fēng)荷載。除了鐵塔自身所受的風(fēng)荷載，塔身平臺及安裝天線的風(fēng)荷載是鐵塔的主要荷載。塔身平臺主要是為安裝天線提供支撐和安裝操作空間，三管塔的外平臺一般為圓形，由角鋼、槽鋼、鋼筋或鋼板組成，平臺欄桿上安裝天線抱桿。平臺的重量一般在550 kg左右，天線抱桿因構(gòu)造不同，重量一般在55到65 kg之間，一般的板狀天線的重量在45 kg左右。

鐵塔計(jì)算模型采用塔身高度40 m，塔身安裝三層圓形外平臺，分別安裝在塔身標(biāo)高38 m、33 m、28 m處，每層平臺安裝6付天線抱桿，每付抱桿安裝1付0.6 m2擋風(fēng)面積的天線和1付0.2 m2擋風(fēng)面積的RRU設(shè)備。平臺重量按600 kg，抱桿按每付50 kg，天線和RRU重量按每付40 kg，按每層平臺安裝6付天線支架和6付天線計(jì)算，每層平臺、抱桿、天線和RRU合計(jì)重量1140 kg。

實(shí)際工程應(yīng)用中，塔體頂部的主材間距一般取1.2 m左右。考慮到安裝平臺等的因素，一般頂部取10-12 m主材沒有坡度的直線段，塔柱自直線段以下開始有坡度。本文的計(jì)算模型塔身頂部主材間距1.2 m，直線段長度12 m，自塔身標(biāo)高28 m處向下進(jìn)行主材放坡。

塔柱斜率是影響塔身選型的重要因素。鐵塔的塔柱斜率指塔柱在高度方向每延米增加的寬度，單位為毫米/米（mm/m）。其公式表達(dá)為：

式中Bd為塔段下端主材間距、Bu為塔段上端主材間距、L為塔段的高度。

公式中各參數(shù)含義見圖1：

圖1 塔柱斜率示意圖

實(shí)際工程中，通訊三管塔常見的塔柱斜率為60 mm/m、70 mm/m、80 mm/m、90 mm/m、100 mm/m、110 mm/m等多種。

模型的建立和計(jì)算采用同濟(jì)大學(xué)3D3S鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，三平臺三管塔設(shè)計(jì)模型見圖2。

圖2 三管塔計(jì)算模型

對于鐵塔模型的基本風(fēng)壓，采用較為常見的0.35 kN/m2、0.45 kN/m2、0.55 kN/m2和0.65 kN/m2。

2 基礎(chǔ)反力計(jì)算結(jié)果及分析

通過大量的模型計(jì)算，可以得到不同塔柱斜率和不同風(fēng)壓下的三管通信塔計(jì)算結(jié)果。如表1到表5所示。

表1和圖3是不同塔柱斜率和風(fēng)壓作用下簡化至塔腳平面形心處標(biāo)準(zhǔn)組合壓力值?？梢钥闯?，隨著塔柱斜率的增大，壓力有增大的趨勢，但幅度并不大。這說明塔柱斜率的增大對簡化至塔腳平面形心處標(biāo)準(zhǔn)組合壓力值影響不大。

圖3 簡化至塔腳平面形心處標(biāo)準(zhǔn)組合壓力值（kN）

表1 簡化至塔腳平面形心處標(biāo)準(zhǔn)組合壓力值（kN）

風(fēng)壓的增大會(huì)增加基礎(chǔ)壓力，增大的幅度與風(fēng)壓增大的幅度相近。

表2和圖4是不同塔柱斜率和風(fēng)壓作用下簡化至塔腳平面形心處標(biāo)準(zhǔn)組合剪力值?？梢钥闯?，塔柱斜率在60-100mm/m范圍內(nèi)，隨著塔柱斜率的增大，鐵塔總剪力是逐漸減小的，大約減小5%-10%。而塔柱斜率在100-110 mm/m范圍內(nèi)時(shí)，鐵塔總剪力是略微增加的。

表2 簡化至塔腳平面形心處標(biāo)準(zhǔn)組合剪力值（kN）

圖4 簡化至塔腳平面形心處標(biāo)準(zhǔn)組合剪力值（kN）

表3和圖5是不同塔柱斜率和風(fēng)壓作用下簡化至塔腳平面形心處標(biāo)準(zhǔn)組合彎矩值?？梢钥闯觯S著塔柱斜率的增加，塔身總彎矩值是略有減少的趨勢。這說明隨著鐵塔主材間距的增大，塔身總剪力的減小也同時(shí)導(dǎo)致塔身總彎矩的減少。

圖5 簡化至塔腳平面形心處標(biāo)準(zhǔn)組合彎矩值（kN.m）

表3 簡化至塔腳平面形心處標(biāo)準(zhǔn)組合彎矩值（kN.m）

表4和圖6是不同塔柱斜率和風(fēng)壓條件下一個(gè)塔腳壓力標(biāo)準(zhǔn)值。通過圖表可以看出，最大單個(gè)塔腳壓力值隨著塔柱斜率的增加和鐵塔根開的增大是逐漸減小的，這說明隨著根開的加大，抵抗外荷載彎矩的力臂增大，從而減小了單個(gè)塔腳力。由此可以得出采用塔柱斜率大的方案可以減少基礎(chǔ)反力，從而降低基礎(chǔ)方量和造價(jià)。

圖6 不同塔柱斜率和風(fēng)壓條件下一個(gè)塔腳壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）

表4 不同塔柱斜率和風(fēng)壓條件下一個(gè)塔腳壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）

表5和圖7是不同塔柱斜率和風(fēng)壓條件下一個(gè)塔腳拔力標(biāo)準(zhǔn)值。由圖表可以看出，最大單個(gè)塔腳拉力值隨著塔柱斜率的增加和鐵塔根開的增大是逐漸減小的，其減少的原理與最大單個(gè)塔腳壓力值相同，抵抗外荷載彎矩的力臂增大減小了單個(gè)塔腳力。同樣地，這說明如果采用塔柱斜率大的方案可以減少基礎(chǔ)反力，達(dá)到降低基礎(chǔ)尺寸和建造成本的目的。

表5 不同塔柱斜率和風(fēng)壓條件下一個(gè)塔腳拉力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）

圖7 不同塔柱斜率和風(fēng)壓條件下一個(gè)塔腳拉力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）

3 結(jié)論及設(shè)計(jì)建議

通過對一種通訊三管塔在不同風(fēng)壓和塔柱斜率參數(shù)情況下模型的計(jì)算，對結(jié)果的分析得出在不同塔柱斜率和基本風(fēng)壓下包括鐵塔基礎(chǔ)簡化至塔腳平面形心處標(biāo)準(zhǔn)組合壓力、剪力、彎矩及單個(gè)塔腳最大壓力、最大拉力等的基礎(chǔ)反力。通過數(shù)據(jù)分析可以得出：

（1）隨著塔柱斜率的增加，簡化至塔腳平面形心處標(biāo)準(zhǔn)組合壓力值有增大趨勢，但幅度不大。這說明塔柱斜率的增大對其影響不大。而風(fēng)壓的增大會(huì)增加基礎(chǔ)壓力，增大的幅度與風(fēng)壓增大的幅度相近。

（2）隨著塔柱斜率的增加，簡化至塔腳平面形心處標(biāo)準(zhǔn)組合剪力值在塔柱斜率60-100 mm/m范圍內(nèi)時(shí)，隨著塔柱斜率的增大，鐵塔總剪力是逐漸減小的，大約減小5%-10%。這說明塔柱斜率的增加雖然增加了塔身受風(fēng)面積，但同時(shí)也增大了塔身剛度，減小了風(fēng)荷載中順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)使得鐵塔總剪力下降。而塔柱斜率在100-110 mm/m范圍內(nèi)時(shí)，鐵塔總剪力是加大的，這說明塔柱斜率在大于100 mm/m時(shí)，鐵塔擋風(fēng)面積增加的荷載大于風(fēng)荷載中順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)減小的部分，導(dǎo)致基礎(chǔ)總剪力的增加。

（3）簡化至塔腳平面形心處標(biāo)準(zhǔn)組合彎矩值隨著塔柱斜率的增加，塔身總彎矩值是略有減少的。這說明隨著鐵塔主材間距的增大，塔身總剪力的減小也同時(shí)導(dǎo)致塔身總彎矩減少。

（4）最大單個(gè)塔腳壓力和拉力值隨著塔柱斜率的增加是逐漸減小的，這說明隨著根開的加大，抵抗外荷載彎矩的力臂增大，從而減小了單個(gè)塔腳力。這說明如果采用塔柱斜率大的方案可以減少基礎(chǔ)反力，從而降低基礎(chǔ)方量和造價(jià)。

綜上所述，通過對不同塔柱斜率參數(shù)的結(jié)構(gòu)建模計(jì)算分析，可以得出在本模型荷載情況下，塔柱斜率60-110 mm/m范圍內(nèi)，三管塔塔柱斜率取100 mm/m時(shí)基礎(chǔ)所受簡化至塔腳平面形心處標(biāo)準(zhǔn)組合壓力值、剪力值、彎矩值及最大單個(gè)塔腳壓力和拔力值等基礎(chǔ)反力綜合受力較小，在此情況下設(shè)計(jì)基礎(chǔ)可達(dá)到減小基礎(chǔ)尺寸，節(jié)省基礎(chǔ)建設(shè)成本的目的。