5G通信基站單管塔高強(qiáng)鋼的應(yīng)用分析

吳壬彬

5G通信基站單管塔高強(qiáng)鋼的應(yīng)用分析

吳壬彬

（福州匯智龍通信咨詢有限公司，福建 福州 350000）

對(duì)Gr65高強(qiáng)鋼單管塔和Q345普通鋼單管塔進(jìn)行了計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)在位移接近限值的情況下，Q345單管塔屈服強(qiáng)度富余量較小，鋼材強(qiáng)度利用較充分；Gr65單管塔同樣在位移接近限值的情況下，屈服強(qiáng)度富余量較大，鋼材強(qiáng)度未被充分利用。優(yōu)化Gr65單管塔壁厚后，內(nèi)力無明顯變化，塔體質(zhì)量較Q345單管塔減小5個(gè)百分點(diǎn)。

5G基站；單管塔；高強(qiáng)鋼；位移限值

1 引言

自中國鐵塔公司成立以來，三大運(yùn)營商原有的基站資產(chǎn)，大部分被中國鐵塔公司購買，成為中國鐵塔公司固有資產(chǎn)。運(yùn)營商開始不再自建新的基站，而是把需求提交給中國鐵塔公司，由中國鐵塔公司負(fù)責(zé)基站配套的建設(shè)，運(yùn)營商直接租用中國鐵塔公司的基站。這種方式，避免了三家運(yùn)營商在基站建設(shè)上各自為戰(zhàn)，改成由中國鐵塔公司負(fù)責(zé)建設(shè)基站，減少資源浪費(fèi)。隨著5G建設(shè)的開始，基站密集度將會(huì)更大，選址也變得越來越困難，鐵塔方案需要根據(jù)業(yè)主的要求進(jìn)行不斷優(yōu)化，特別是位于城市中心，要求桿塔直徑盡量小，減少占地面積，更美觀。本文以單管塔為例，通過計(jì)算，比較Gr65高強(qiáng)鋼和Q345普通鋼在相同荷載條件下的管徑大小及質(zhì)量變化，分析其經(jīng)濟(jì)性。

2 材料簡介

Gr65全稱為ASTM572 Gr65，是美國生產(chǎn)的一種高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，在國際上運(yùn)用極為常見。ASTM572是美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)第572號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，Gr指屈服強(qiáng)度，65是英制量綱屈服強(qiáng)度值，指屈服強(qiáng)度為65千磅/平方英寸，相當(dāng)于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn) 450 MPa。Gr65鋼材比國內(nèi)的高強(qiáng)度鋼材Q420、Q460，鍍鋅性能更好。Q345是國內(nèi)運(yùn)用廣泛的一種低合金鋼材，目前國內(nèi)通信行業(yè)生產(chǎn)的通信塔的塔身材質(zhì)，主要以Q345為主。“Q”為屈服強(qiáng)度，345表示這種鋼材屈服強(qiáng)度為345 MPa。

3 計(jì)算案例

3.1 設(shè)計(jì)概況

單管塔可視為豎向懸臂梁結(jié)構(gòu)，與房屋建筑不同，受水平荷載（風(fēng)荷載）的影響較大。本工程選用35 m外爬插接式單管塔，安裝5GAAU通信設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

3.2 塔身尺寸

塔高35 m，底直徑1.05 m，頂直徑0.45 m。塔身分四段，塔段<1>為10 m，壁厚=12；塔段<2>為9 m，壁厚=10；塔段<3>為8 m，壁厚=10；塔段<4>為8 m，壁厚=8。

3.3 單管塔示意圖

35 m單管塔如圖1所示。

圖1 35 m單管塔示意圖

3.4 設(shè)計(jì)參數(shù)

3.4.1 主要計(jì)算參數(shù)

鐵塔的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，抗震設(shè)防類別丙類。

恒荷載：采用抱箍式平臺(tái)，每付抱箍含3根支臂。平臺(tái)恒荷載為2.3 kN（含AAU設(shè)備，塔腳環(huán)質(zhì)量）。

平臺(tái)活荷載：2.0 kN/m2。

5G天線AAU擋風(fēng)面積：每副0.5 m2（新版YD/T 5131—2019《移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)條文規(guī)定可對(duì)天線面積進(jìn)行折減，本文計(jì)算暫不進(jìn)行折減）。

風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓0.75 kPa；地面粗糙度B類，建設(shè)地點(diǎn)位于平地；桿塔體型系數(shù)為0.8，5G天線AAU體型系數(shù)為1.3。

地震參數(shù)：地震烈度及設(shè)計(jì)基本地震加速度7度0.10 g；場地類別二類；設(shè)計(jì)地震分組二組。

3.4.2 荷載組合

移動(dòng)通信工程鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)采用荷載效應(yīng)的基本組合，并按下列極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式中的最不利值確定。

由可變荷載效應(yīng)控制的組合：

由永久荷載效應(yīng)控制的組合：

式（1）（2）中，永久荷載分項(xiàng)系數(shù)G、Q在新版GB 50088—2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》中已作出調(diào)整，因此相應(yīng)規(guī)范的分項(xiàng)系數(shù)也應(yīng)該修改過來。

分項(xiàng)系數(shù)調(diào)整如表1所示。

3.4.3 計(jì)算過程

單管塔設(shè)計(jì)常用軟件有同濟(jì)大學(xué)3D3S、sap2000、ANSYS。本文數(shù)據(jù)采用同濟(jì)大學(xué)3D3S（14.1）計(jì)算。節(jié)點(diǎn)荷載如表2所示。單元荷載如表3所示。桿件導(dǎo)荷載如表4所示。

表1 建筑結(jié)構(gòu)的作用分項(xiàng)系數(shù)

作用分項(xiàng)系數(shù)適用情況 當(dāng)作用效應(yīng)對(duì)承載力不利時(shí)當(dāng)作用效應(yīng)對(duì)承載力有利時(shí) γQ1.3≤1.0 γP1.3≤1.0 γG1.50

表2 節(jié)點(diǎn)荷載列表（力單位：kN）

序號(hào)荷載類型工況PxPyPz 1恒00.0000.000-0.90 2恒00.0000.000-6.000 3恒00.0000.000-2.300 4活20.0000.000-2.000 5風(fēng)10.9140.0000.000 6風(fēng)14.5470.0000.000 7風(fēng)16.4400.0000.000 8風(fēng)16.1570.0000.000 9風(fēng)15.7670.0000.000

表3 單元荷載列表（分布力單位：kN/m）

序號(hào)荷載類型工況類型方向Q1 1884恒0集中荷載Z-0.3

表4 桿件導(dǎo)荷載列表（分布力單位：kN/m）

序號(hào)荷載類型工況導(dǎo)荷方式體型系數(shù)面荷載值（基本風(fēng)壓） 18風(fēng)1直接桿件0.800.75

3.4.4 計(jì)算結(jié)果

在相同桿塔尺寸條件下，分別采用Q345和Gr65進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 內(nèi)力位移計(jì)算結(jié)果列表

鋼材型號(hào)支座反力（最不利組合）應(yīng)力比塔頂位移/mm塔頂位移限值/mm塔質(zhì)量/kg 軸力/kN剪力/kN彎矩/m Q345116.187.92 183.40.871 009.51 0618 113 Gr65116.187.92 183.40.671 009.51 0618 113

根據(jù)計(jì)算分析模型，進(jìn)行規(guī)范檢驗(yàn)，Q345鋼材應(yīng)力比最大值為0.87，Gr65鋼材應(yīng)力比最大值為0.67，Q345和Gr65塔頂位移為1 009.5 mm。檢驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)能夠滿足承載力計(jì)算和位移計(jì)算要求。

最大正位移組合如圖2所示。桿件應(yīng)力比分布（Q345）如圖3所示。桿件應(yīng)力比分布（Gr65）如圖4所示。

由以上結(jié)論可知，單管塔采用Gr65高強(qiáng)度鋼材質(zhì)，減小單管塔底部直徑的作用并不明顯，采用高強(qiáng)度鋼材后，單管塔的計(jì)算以位移控制為主，Gr65高強(qiáng)度鋼的應(yīng)力比只達(dá)到0.67，盈余較大，無法發(fā)揮其屈服強(qiáng)度大的作用。而Q345在位移接近極限的情況下，應(yīng)力比達(dá)到0.87，塔身強(qiáng)度被充分利用。

4 經(jīng)濟(jì)分析

在相同桿塔尺寸下，減小Gr65單管塔塔段<2>的壁厚，由原來10厚變成8厚再進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表6所示。

圖2 最大正位移組合（Q345/GR65）

圖3 桿件應(yīng)力比分布圖（Q345）

圖4 桿件應(yīng)力比分布圖（Gr65）

表6 內(nèi)力位移計(jì)算結(jié)果列表

鋼材型號(hào)支座反力（最不利組合）應(yīng)力比塔頂位移/mm塔頂位移限值/mm塔質(zhì)量/kg 軸力/kN剪力/kN彎矩/m Gr65調(diào)整壁厚111.788.12 191.80.731 0501 0617 678

由計(jì)算結(jié)果可知，Gr65單管塔壁厚減小情況下，內(nèi)力并無明顯變化，調(diào)整壁厚，應(yīng)力比提升6個(gè)百分點(diǎn)，還有不少盈余。同樣表明高強(qiáng)鋼單管塔以位移控制為主，在位移達(dá)到限值時(shí)，屈服強(qiáng)度還有較大的盈余。

壁厚調(diào)整后，塔質(zhì)量比原來減小5個(gè)百分點(diǎn)。由于高強(qiáng)鋼提煉工藝更為復(fù)雜，出廠成本比普通鋼材更高，所以，雖然35 mGr65單管塔比35 mQ345單管塔質(zhì)量減小5個(gè)百分點(diǎn)，但是由于Gr65的出廠價(jià)更高（約高于Q345鋼材10個(gè)百分點(diǎn)），所以，在節(jié)約成本方面高強(qiáng)鋼也無優(yōu)勢。

5 結(jié)論

通過計(jì)算分析可知，單管塔使用Gr65鋼材材質(zhì)，并不能減小管徑和節(jié)約造價(jià)，主要原因?yàn)槭褂酶邚?qiáng)鋼后，單管塔計(jì)算參數(shù)以位移控制為主。而單管塔的位移控制又影響著通信設(shè)備發(fā)射信號(hào)的穩(wěn)定，以及維修設(shè)備時(shí)攀登在塔頂維護(hù)的人員安全，需要嚴(yán)格控制。所以，從美化要求和成本控制方面考慮，單管塔材質(zhì)使用Gr65鋼材并無明顯優(yōu)勢。

［1］同濟(jì)大學(xué)，同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，中冶東方工程技術(shù)有限公司，等.GB 50135—2019高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2019.

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017.

［3］史志華，肖從真，陳凱，等.GB 50068—2018建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2018.

［4］謝郁山，徐少偉，賴良方，等.YD/T 5131—2019移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2019.

［5］華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，等. Q/ZTT 1001—2015通信鐵塔技術(shù)要求V1.1［S］.出版社不詳，2015.

2095－6835（2020）06－0019－03

TU392

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.006

吳壬彬（1990—），男，大學(xué)本科，工程師，項(xiàng)目經(jīng)理，從事鐵塔基站鋼結(jié)構(gòu)和土建配套方面的設(shè)計(jì)、研究工作。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕