既有通信鐵塔增掛廣告牌結(jié)構(gòu)特性分析

秦 闊 范秋雁

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西 南寧 530004； 3.華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

1 概述

我國城鎮(zhèn)化步伐的加快，促進(jìn)了廣告?zhèn)髅叫袠I(yè)的快速發(fā)展，各大商業(yè)品牌的廣告需求日益增長。本著建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的理念，利用已有房屋建筑、社會(huì)桿塔等現(xiàn)有社會(huì)資源發(fā)展廣告業(yè)務(wù)是一種經(jīng)濟(jì)、快速且易于實(shí)現(xiàn)的方案。其中的社會(huì)通信桿塔數(shù)量多，分布廣，在全國范圍現(xiàn)已建成并在使用中的通信用鐵塔約有190萬座，包含單管塔、三管塔、角鋼塔、支撐桿等多種類型。其中高度較高的高聳鐵塔即可作為廣告牌的載體，結(jié)合原有掛載通信天線的功能，實(shí)現(xiàn)通信鐵塔的多價(jià)值利用。

利用既有鐵塔改造增掛廣告牌勢(shì)必會(huì)對(duì)原有鐵塔的使用狀態(tài)產(chǎn)生一定的影響，相同廣告牌在同種塔型上的不同掛載方式和不同掛載高度對(duì)整塔的應(yīng)力、位移等特性的影響也會(huì)不同。趙一盛等[1]通過對(duì)某種大型高聳格構(gòu)柱廣告牌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選研究，得出不同荷載工況下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，韓志惠等[2]研究并提出了一種綜合考慮風(fēng)速風(fēng)向影響的廣告牌風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，李瑞鴿等[3]研究了風(fēng)荷載和抗側(cè)剛度對(duì)高聳廣告牌格構(gòu)式立柱的影響，吳桐等[4]分析了單管塔加掛LED廣告牌前后對(duì)單管塔自振周期和應(yīng)力位移等特性的影響等。已有文獻(xiàn)多集中于對(duì)新建廣告牌方案設(shè)計(jì)的研究，對(duì)既有結(jié)構(gòu)增加廣告牌后的影響研究較少，本文通過使用有限元分析軟件，對(duì)兩種典型既有通信鐵塔進(jìn)行增掛廣告牌模擬計(jì)算，并對(duì)增掛廣告牌后鐵塔的特性變化進(jìn)行分析研究，確定最適宜的增掛方案，可作為類似工程的參考。

2 既有通信鐵塔分類

可用于改造增掛廣告牌的高聳通信鐵塔按結(jié)構(gòu)類型主要分為單管式和格構(gòu)式兩種，單管式通信塔與鋼管電力塔相似，屬于高聳懸臂類結(jié)構(gòu)；格構(gòu)式通信塔包含角鋼塔、增高架、三管塔及其他形式的多管塔等，構(gòu)件多，剛度較大，既有通信鐵塔改造增掛廣告牌效果如圖1所示。

既有通信鐵塔在滿足正常使用條件下，對(duì)允許新增的廣告牌等額外荷載控制較為嚴(yán)格，通過有限元軟件分析既有單管式塔和三管格構(gòu)式塔在增掛廣告牌后對(duì)自身應(yīng)力、變形等特性的影響，以尋求兩種類型鐵塔改造增加廣告牌最適宜的方案。

3 單管式鐵塔增掛廣告牌計(jì)算

使用中國鐵塔《通信鐵塔標(biāo)準(zhǔn)圖集V1.3》中DGT(C)-35-0.45-3PT3塔型作為計(jì)算示例，塔高35 m，分4段塔身插接，Q345鋼材，頂部塔徑450 mm，底部塔徑1 120 mm。采用有限元分析軟件SAP2000進(jìn)行鐵塔結(jié)構(gòu)計(jì)算，取50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓0.45 kN/m2，地面粗糙度B類，鐵塔結(jié)構(gòu)簡圖及建模計(jì)算如圖2所示。

為了顯示增掛廣告牌后鐵塔本身特性的變化，選取13組尺寸、透風(fēng)率、中心掛載高度、掛載方式各有不同的廣告牌進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。其中對(duì)于長邊較長的廣告牌，可分為長邊與塔身軸線平行或長邊與塔身軸線垂直兩種掛置方式，廣告牌風(fēng)荷載簡化為多個(gè)集中力等距施加到塔身，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 單管塔掛載不同廣告牌計(jì)算結(jié)果

中國鐵塔聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)通過風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)塔桅風(fēng)荷載進(jìn)行了相關(guān)研究，對(duì)格構(gòu)式鐵塔風(fēng)荷載計(jì)算中的阻尼比、單管式塔的側(cè)移指標(biāo)都有了調(diào)整。參考中國鐵塔技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《通信鐵塔技術(shù)要求(試行)(V1.2)》[5]中的規(guī)定，以風(fēng)荷載為主的標(biāo)準(zhǔn)組合下，單管式塔頂部的水平位移不應(yīng)大于塔高的1/33，即1 060 mm，地腳螺栓拉力比可按不超過0.95控制。

表1所記錄的數(shù)據(jù)中塔身應(yīng)力最大值為267 MPa，塔身材料強(qiáng)度為Q345B，應(yīng)力比滿足；最大位移為1 042 mm，位移滿足；地腳螺栓最大拉力比為1.02，已超出設(shè)計(jì)承載力極限，不滿足要求。通過數(shù)據(jù)對(duì)比可知：1)原塔地腳螺栓強(qiáng)度冗余量不多，增掛廣告牌之后整體強(qiáng)度由地腳螺栓拉力比控制；2)廣告牌中心掛載高度不變時(shí)，變換橫豎的安裝方式對(duì)鐵塔各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果沒有影響；3)廣告牌透風(fēng)率達(dá)到30%時(shí)，與降低3 m掛高時(shí)的計(jì)算結(jié)果相近。

由計(jì)算及對(duì)比的結(jié)果，綜合經(jīng)濟(jì)效益和廣告效果需求，此35 m單管式鐵塔最適宜的改造增掛方案為在12 m高處增掛面積約27 m2或在15 m高處增掛透風(fēng)率30%、面積約27 m2的廣告牌。

4 格構(gòu)式鐵塔增掛廣告牌計(jì)算

同樣使用中國鐵塔《通信鐵塔標(biāo)準(zhǔn)圖集V1.3》中的格構(gòu)式塔型3GT-35-0.45-3PT3作為計(jì)算示例，塔高35 m，三角形橫截面，主材為鋼管，輔材為角鋼，Q345鋼材，從上至下共分為7個(gè)塔段，主材截面依次增大，頂部根開1 300 mm，底部根開2 875 mm。采用同濟(jì)大學(xué)有限元分析軟件3D3S進(jìn)行鐵塔結(jié)構(gòu)計(jì)算，基本風(fēng)壓值、地面粗糙度類型與單管塔相同，鐵塔結(jié)構(gòu)簡圖及建模計(jì)算如圖3所示。

格構(gòu)式鐵塔與單管式鐵塔因結(jié)構(gòu)形式上的不同，所適用的廣告牌做法也不同，格構(gòu)式塔橫截面較寬，掛載大型字體比較方便，相同高度的塔，組合截面的穩(wěn)定性更好，同尺寸的廣告牌能夠掛載的高度也比單管塔更高。格構(gòu)式鐵塔一般建設(shè)于公路鐵路延邊等野外場景，廣告視覺效果要求尺寸大，高度高，故廣告牌增掛高度取為10 m以上。同樣選13組做法、尺寸、透風(fēng)率、掛載高度范圍各有不同的廣告牌進(jìn)行計(jì)算，按照經(jīng)驗(yàn)，三管塔三角形橫截面中的一條邊正面受風(fēng)荷載作用時(shí)為最不利工況，故只在最不利工況下進(jìn)行廣告牌的加載計(jì)算。單塊牌和多個(gè)字體的廣告做法風(fēng)荷載均簡化為等效集中力，施加到鐵塔的主桿或斜桿上，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 三管塔掛載不同廣告牌計(jì)算結(jié)果

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]相關(guān)規(guī)定，以風(fēng)荷載為主的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，自立式塔架結(jié)構(gòu)任意點(diǎn)的水平位移不應(yīng)超過該點(diǎn)高度的1/75，此三管塔水平位移最大的位置在結(jié)構(gòu)頂部，位移限值為466 mm，構(gòu)件穩(wěn)定性應(yīng)力及地腳螺栓拉力比均按不超過0.95控制。

表2中鐵塔頂部位移、地腳螺栓拉力比均能滿足控制指標(biāo)要求，而鐵塔構(gòu)件最大穩(wěn)定性應(yīng)力比為0.98，已接近1，屬危險(xiǎn)截面。通過數(shù)據(jù)對(duì)比得出：

1)原塔地腳螺栓強(qiáng)度冗余量較多，增掛廣告牌后整塔強(qiáng)度由塔底段的主桿穩(wěn)定性應(yīng)力比控制；

2)總面積相同時(shí)，使用字體和單塊牌的形式，計(jì)算結(jié)果相同；

3)與單管塔計(jì)算結(jié)果類似，廣告牌透風(fēng)率達(dá)到30%時(shí)，與降低3 m掛高時(shí)的計(jì)算結(jié)果相近。

由對(duì)比的結(jié)論可知，此35 m三管塔最適宜的改造增掛方案為：

1)在10 m～25 m高度范圍增掛總面積約30 m2，且透風(fēng)率達(dá)到30%的字體或單塊牌；

2)在15 m～20 m高度范圍增掛面積約30 m2，長邊橫向放置的單塊牌。

5 基礎(chǔ)及地基計(jì)算

表3 基礎(chǔ)及地基影響計(jì)算結(jié)果

對(duì)于既有鐵塔，原鐵塔基礎(chǔ)按未增掛廣告牌的塔腳反力數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，增掛廣告牌后，塔腳軸力、剪力、彎矩均有增加，從而對(duì)基礎(chǔ)的傾覆、受沖切、基底壓力等產(chǎn)生影響，用前文所述35 m單管塔和35 m三管塔的計(jì)算結(jié)果對(duì)基礎(chǔ)及地基進(jìn)行分析。計(jì)算條件假定：單管塔基礎(chǔ)形式為獨(dú)立基礎(chǔ)，底板尺寸5.4 m×5.4 m×0.6 m；三管塔基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)，底板尺寸5.8 m×5.8 m×0.7 m；基礎(chǔ)埋深3 m，埋深范圍內(nèi)為均質(zhì)黏土層，fak=220 kPa，無地下水，經(jīng)深寬修正后的地基承載力特征值fa=266 kPa，均采用兩種塔型最適宜的增掛方案進(jìn)行計(jì)算，分析如表3所示。

由表3數(shù)據(jù)可知，按最優(yōu)方案增掛廣告牌后，基礎(chǔ)的傾覆彎矩、塔柱對(duì)底板的沖切力和基底壓力均在強(qiáng)度允許范圍內(nèi)。此外，兩種塔型基礎(chǔ)底板用于計(jì)算配筋的彎矩設(shè)計(jì)值均增大了47%，原設(shè)計(jì)所配的基礎(chǔ)底板鋼筋可能會(huì)不足，須對(duì)原基礎(chǔ)進(jìn)行重新核算，必要時(shí)可對(duì)基礎(chǔ)采取加固措施以滿足使用要求。

6 結(jié)語

通過對(duì)兩種塔型增掛廣告牌后的計(jì)算和對(duì)比，得出結(jié)論如下：

1)既有通信鐵塔塔身結(jié)構(gòu)均有一定的強(qiáng)度余量滿足于增掛廣告牌，增掛后單管塔整體強(qiáng)度由地腳螺栓拉力比控制，三管塔則由塔底段主桿穩(wěn)定性應(yīng)力比控制。

2)廣告牌透風(fēng)率達(dá)到30%時(shí)與不透風(fēng)廣告牌降低3 m掛高產(chǎn)生的風(fēng)荷載效應(yīng)相近，本文計(jì)算示例可作參考，具體的廣告牌增掛方案需根據(jù)實(shí)際塔型的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算復(fù)核確定。

3)增掛廣告牌后鐵塔基礎(chǔ)和地基驗(yàn)算中，基礎(chǔ)底板彎矩增加較多，底板的配筋需要進(jìn)一步復(fù)核。

4)本文的分析結(jié)果對(duì)其他類型的鐵塔改造設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。