角鋼通信鐵塔結構自振特性分析及應用

秦柯非

(中鋼集團工程設計研究院有限公司石家莊設計院塔桅分院，河北石家莊 050021)

角鋼通信鐵塔(角鋼塔)是現(xiàn)在常用的一種通信鐵塔形式。其塔身是由角鋼組成并通過螺栓連接而成的格構式通信鐵塔結構。

角鋼塔在通信鐵塔的實際應用中是一種出現(xiàn)比較早的鐵塔形式，一般主要受力構件是由四根塔柱組成，通過角鋼將塔柱連接起來，組成一種桁架式的高聳鋼結構。這種形式的鐵塔自身剛度大，變形小，遇罕遇風災不易傾覆;桿件幾乎都采用角鋼，加工工藝簡單;另一方面，角鋼塔的桁架式結構由桿件組成，運輸和安裝便捷迅速、建設工期短;塔身截面寬度可隨其承受的荷載不同而變化，線條美觀，易于優(yōu)化。以上的優(yōu)點使得角鋼塔在通信鐵塔的實際應用中仍占有重要的位置。

對于角鋼塔這樣的自立式塔架結構，由于自重輕、結構形式規(guī)則、剛度變化均勻、鋼結構承受的變形大等優(yōu)點，地震作用在鐵塔的設計過程中并不起控制作用。而由于需要在塔身的頂部安裝天線平臺等擋風設備，造成了風荷載是其控制荷載。

在結構的振動分析中，結構的固有頻率和振型是承受動力荷載結構設計中的重要參數(shù)，也是結構動力分析的基礎。自振周期即結構系統(tǒng)按某一振型完成一次自由振動所需的往復時間。在結構風荷載作用計算中，結構自振周期是設計人員需要根據(jù)所設計結構確定的重要參數(shù)，其是否正確取值影響到結構設計人員對鐵塔自振特性的把握。這就需要通過對實際鐵塔的觀測和計算機模擬計算進行分析和總結，并在此基礎上總結出簡便實用的基本自振周期計算公式。

1 對角鋼塔的參數(shù)選擇和3D3S模型計算

實際工程應用中，常用移動通訊角鋼塔的高度一般在37 m～57 m之間。低于35 m的通信鐵塔一般可采用單位高度用鋼量更為經(jīng)濟的其他鐵塔形式;而對于一般的移動通信基站而言，57 m的天線掛高基本可以滿足工藝要求。

除了自身高度因素外，對結構基本自振周期有顯著影響的另一因素是塔身的重量，由結構動力學可知，結構重量的改變會引起其自振特性的改變。引起角鋼塔重量發(fā)生改變的因素主要是為安裝檢修天線提供操作空間的外平臺數(shù)量。一般角鋼塔的外平臺為圓形，由角鋼，槽鋼和鋼筋組成，外平臺的欄桿上安裝天線支架。平臺的重量隨其直徑大小而變化，一般在680 kg左右;天線支架因構造不同，重量一般在50 kg～60 kg之間;一般面包天線的重量在20 kg～25 kg。在進行建模計算時，平臺重量取680 kg，天線支架取每副60 kg，天線重量取每副25 kg，按通常的情況，每層平臺安裝6副天線支架和6副面包天線，每層平臺合計重量1 190 kg。角鋼塔的避雷針安裝在塔身頂部，起保護天線防止雷擊的作用，其構造形式相對簡單，一般重量在200 kg左右。

一般每個角鋼塔有一到兩個外平臺就可以滿足一個通信運營商的使用要求了。而隨著減耗增效的要求，三家移動通信運營商共建共享的鐵塔也越來越多。這就要求在一個鐵塔上安裝更多的平臺來滿足不同運營商的不同需求。

在本文模型建模過程中，依據(jù)實際使用的情況，平臺的標高設置為距塔頂2 m安裝第一平臺，其余平臺按距上一平臺3 m間距設置，同時為了對比未設置平臺的角鋼塔的自振特性，本文分別計算了無平臺和設置一、二、三、四個平臺時不同塔高角鋼塔的基本自振周期。

對于角鋼塔的基本自振周期計算，可以利用同濟大學三維空間鋼結構軟件3D3S進行建模計算。本文對37m，42m，47m，52m，57m共5種實際工程中常用高度(不含避雷針高度)的角鋼塔進行計算分析。所采用的角鋼塔模型頂端橫截面邊長為1.5 m，塔身根開7.5 m，鋼材采用Q235B，各個高度鐵塔各段的邊長和塔柱型號等參數(shù)如表1所示。

結構中其他桿件均采用角鋼，角鋼型號在0.35 kN/m2基本風壓下滿足GB 50017-2003鋼結構設計規(guī)范的要求。

2 模型的計算結果和計算數(shù)據(jù)的擬合

通過以上大量的模型計算，得到不同高度和平臺數(shù)量的角鋼通信塔的自振基本周期如表2和圖1所示。

因為實際工程應用情況的不同，角鋼塔的高度、外形、重量等因素也是各不相同，為了便于在實際應用中便捷的估算角鋼塔的自振基本周期，顯然我們需要分析并總結出簡單易行的結構自振基本周期估算規(guī)律以補充實際設計工作。

表1 塔身各標高對應的邊長和塔柱型號

圖1 3D3S模型計算的角鋼塔自振基本周期

表2 不同塔高和平臺數(shù)時的基本自振周期 s

通過對以上計算的結構自振基本周期數(shù)據(jù)進行多項式擬合，可以得到估算角鋼塔自振基本周期的實用公式:

式中:H——塔高，m;

x——平臺數(shù)。

由以上總結的公式中可以看出，對于一般形式高度在37 m～57 m之間的角鋼塔，其自振基本周期同塔高呈線性增長關系，也就是說，塔的高度越高，其自身周期越長，結構剛度越小;另外，塔身自振基本周期隨著平臺數(shù)增多、重量的增加而增大，這與理論計算的結果是相吻合的，亦即隨著平臺重量的增大，塔體自振周期變長。我們還可以從公式中看到，隨著增加的平臺高度的逐步降低，平臺數(shù)量對周期的影響權重是不斷下降的。

為了更清楚的比較實用計算公式計算結果與模型計算結果，表3列出了兩者之間的誤差。從表3可以看出，用多項式擬合的表達式和3D3S模型計算出來的結果曲面吻合的較好，而且擬合公式形式和計算都較為簡便，便于工程人員在實際工程中應用。

表3 實用公式與3D3S模型計算結果的誤差

表3為實用公式計算出來的25種角鋼塔自振基本周期與3D3S模型計算結果的比較。由表3中可以發(fā)現(xiàn)，兩組數(shù)據(jù)相差的幅度在5%以內(nèi)，其擬合結果是比較滿意的。故本文提出的實用公式可作為實際設計中計算通信角鋼塔結構自振基本周期方法的有益補充，在實際工程中具有一定的參考價值和實際意義。

3 結語

角鋼通信鐵塔的結構基本自振周期是其自振特性的重要特性。準確而快速的確定結構基本自振周期對于把握角鋼塔的自振特性有很大的幫助。本文利用同濟大學三維鋼結構軟件3D3S建模對不同塔高和平臺數(shù)角鋼塔的自振基本周期進行模擬計算，計算了高度從37 m～57 m，無平臺和安裝一、二、三、四個圓形外平臺共25種角鋼塔的自振基本周期。并且根據(jù)3D3S模型計算結果，擬合出估算不同塔高和平臺數(shù)的實用公式，為更準確的估算角鋼通信塔自振特性做了有益的探索。

［1］GB 50009，建筑結構荷載規(guī)范［S］．

［2］GB 50135，高聳結構設計規(guī)范［S］．

［3］GB 50017，鋼結構設計規(guī)范［S］．

［4］沈之容，倪 陽，徐華剛．鋼結構單管通信塔自振基本周期的研究［J］．特種結構，2008(2):27-28．