單管塔塔身優(yōu)化及耐候鋼的工程應(yīng)用

巨 晶,董軼赟

(華信咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 310052)

外爬支架式通信單管塔迎風(fēng)面小,塔身簡潔,造價(jià)較低；該塔形安裝快捷,可用于市區(qū)、農(nóng)村等大多數(shù)場景,在通信塔領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。通信基站數(shù)量大,而4G和5G基站建設(shè)密度更高,通信建設(shè)降本增效的要求日益強(qiáng)烈。本文結(jié)合通信塔應(yīng)用的實(shí)際需求,分析通信單管塔如何優(yōu)化設(shè)計(jì)以降低建造成本。另外,經(jīng)過工程實(shí)際檢驗(yàn),可采用耐候鋼降低建設(shè)成本,并給出耐候鋼單管塔設(shè)計(jì)建議。

1 單管塔參數(shù)優(yōu)化

1.1 概況

以外爬支架式單管通信塔為例,高度按35 m。

塔體共掛設(shè)2層天線,每層板狀天線3付(天線迎風(fēng)面積按0.6 m2/付計(jì),RRU迎風(fēng)面積按0.2 m2/付計(jì)),天線掛高為33.5 m和30 m。

塔體采用圓形截面,塔段間采用套接連接,爬梯采用外爬釘無護(hù)圈,設(shè)安全繩。

塔體主材采用Q345B鋼材,輔材及平臺構(gòu)件采用Q235B鋼材；地腳螺栓采用45#鋼材(圖1)。

圖1 模型簡圖

1.2 設(shè)計(jì)依據(jù)

1.2.1 設(shè)計(jì)原則

移動通信工程塔桅結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為50年；塔桅結(jié)構(gòu)的安全等級為二級；塔桅結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防類別為丙類；塔桅結(jié)構(gòu)按8度采取抗震措施。

1.2.2 設(shè)計(jì)荷載

基本風(fēng)壓wo=0.45 kN/m2,地面粗糙度為B類。

1.3 計(jì)算理論及依據(jù)

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)單管通信塔技術(shù)規(guī)程(CECS:236—2008)》及《移動通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(YD/T 5131—2005)》,鋼塔桅結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度為8度及以下時可以不進(jìn)行截面抗震驗(yàn)算,僅需滿足抗震構(gòu)造要求。

采用SAP2000 V15通用有限元程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

塔體采用框架單元建模,截面為變截面圓形。塔體底部與地面采用固結(jié)約束連接。SAP2000軟件框架單元起始節(jié)點(diǎn)和終點(diǎn)之間截面是可以變化的。可以遵從線性、二次或三次方的變化,截面常數(shù)相應(yīng)變化,可以精確模擬變截面的單管塔。

1.3.1 荷載導(dǎo)算

1)塔體荷載

按風(fēng)荷載計(jì)算公式wk=βzμsμzw0進(jìn)行計(jì)算。外爬塔身體型系數(shù)μs取0.9。塔身荷載分段按漸變線荷載輸入。荷載按管徑變化、風(fēng)壓高度變化系數(shù)變化等因素精準(zhǔn)考慮[1-2]。其中風(fēng)振系數(shù)按式(1)計(jì)算。

βZ=(1+ξε1ε2)×k

(1)

式(1)中：ξ為脈動增大系數(shù)；

ε1為風(fēng)壓脈動和風(fēng)高度變化影響系數(shù)；

ε2為陣型、結(jié)構(gòu)外形影響系數(shù)；

k為平臺修正系數(shù)。

2)天線荷載

板狀天線體型系數(shù)取1.3。3副及以上天線均勻安裝于同一高度的單管塔塔身且該處塔身直徑與天線寬度的比值不小于1.1時,天線總的擋風(fēng)面積可按天線數(shù)量乘天線正面面積,并乘以折減系數(shù)K2。K2取值見表1,天線示意見圖2。本次計(jì)算根據(jù)通信天線實(shí)際情況取天線荷載折減系數(shù)為0.7。天線荷載按水平向集中荷載施加。

表1 K2參數(shù)取值表

圖2 天線B及L示意

1.3.2 內(nèi)力計(jì)算

分析時設(shè)DEAD、WIND(風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值)、WIND_DISP(風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合)3種荷載工況。WIND_DISP設(shè)計(jì)工況為幾何非線性,考慮P-Δ效應(yīng)。線性的基本組合和標(biāo)準(zhǔn)組合按現(xiàn)行荷載規(guī)范。

1.3.3 承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)

塔身按照壓彎構(gòu)件驗(yàn)算強(qiáng)度,并考慮管壁局部穩(wěn)定[3-4]。強(qiáng)度驗(yàn)算按式(2)～(4)。

(2)

μd=1.0D/t≤114.6

(3)

μd=0.565+66.62/(D/t)-1 926.5/(D2/t2)

114.6

(4)

式(2～4)中：N為軸心壓力；

M為計(jì)入二階效應(yīng)彎矩；

W為截面模量；

μd為強(qiáng)度修正系數(shù)；

D為截面外徑；

t為管壁厚度。

1.3.4 正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)

橫向變形允許值按《移動通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(YD/T 5131-xx)(征求意見稿)要求控制,在標(biāo)準(zhǔn)組合下單管塔的u/Hi為1/33,大于現(xiàn)行規(guī)范1/40[5]。1/33的位移限值與現(xiàn)行美標(biāo)吻合[6],調(diào)查國內(nèi)主要廠家天線設(shè)備,1/33位移限值完全可以滿足工藝需求。

1.3.5 構(gòu)造要求

構(gòu)造要求按單管塔規(guī)程及鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范,保證局部不先于整體破壞。

1.4 模型分析比較

本次分析,各模型選擇時,按極限承載力狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài),控制到臨界狀態(tài),保證在確定管徑下壁厚最小或相應(yīng)壁厚情況下管徑最小。比較不同管徑、厚度及塔身坡度下,參數(shù)對塔體重量的影響,得出較優(yōu)塔形。

1.4.1 塔身坡度的影響

塔腳尺寸為880 mm時,比較塔頂250 mm到550 mm時,位移及應(yīng)力比情況。模型幾何參數(shù)見表2,計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 模型幾何參數(shù)

表3 研究塔身坡度影響各模型計(jì)算結(jié)果

應(yīng)力比最大位置均在塔中部,若底部厚度同上面塔段,則位于底部。隨著塔頂直徑的增加(塔身坡度的變小),塔腳應(yīng)力比增大,塔腳反力增大,塔身重量增大,塔頂位移變小,但是位移變化不大。

綜合分析,塔身坡度較大時,用材更加合理,符合桿體受力變化曲線；塔腳反力也較小,地腳螺栓和法蘭用鋼量也更為節(jié)省。

位移控制宜在較大塔身坡度情況下,調(diào)整塔體直徑滿足要求。

1.4.2 塔身直徑與壁厚影響

在滿足極限承載力和正常使用承載力情況下,探討管徑與壁厚的經(jīng)濟(jì)性。塔身坡度取基本相同,調(diào)整壁厚使各個模型頂點(diǎn)位移相近,計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 研究直徑壁厚影響各模型計(jì)算結(jié)果

相近塔體坡度下,塔身直徑增大,可以減輕壁厚,塔體重量下降明顯,但是由于迎風(fēng)面的增大,塔腳彎矩明顯增大。直徑增加到一定程度,壁厚按局部穩(wěn)定及構(gòu)造不能再減小時,增大直徑不能降低塔重,塔腳彎矩還在增大,反而浪費(fèi)。

1.5 實(shí)際工程設(shè)計(jì)對比

采用優(yōu)化后的塔身坡度及壁厚,對25～45 m單管塔進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)際推廣中考慮實(shí)際需求,4層平臺改為3層平臺。優(yōu)化后塔形在某省得到全面推廣。優(yōu)化后塔形強(qiáng)度位移滿足上節(jié)中要求,在實(shí)際中也未見異常,滿足工藝需求。

以原設(shè)計(jì)圖集作為依據(jù)比較,優(yōu)化后塔形普遍可以降低重量20%以上。優(yōu)化中各個因素對優(yōu)化的權(quán)重比例見圖3。

圖3 各因素對減輕塔重的權(quán)重

0.45風(fēng)壓35 m優(yōu)化后塔形的質(zhì)量較原標(biāo)準(zhǔn)圖節(jié)省1.4 t,塔體可減少造價(jià)1.4萬元左右。塔腳彎矩值減少25%,獨(dú)立基礎(chǔ)造價(jià)減少15%左右(表5)。

表5 0.45風(fēng)壓35 m塔形對比

0.45風(fēng)壓40 m優(yōu)化后塔形的質(zhì)量較原標(biāo)準(zhǔn)圖節(jié)省1.8 t,塔體可減少造價(jià)1.8萬元左右。塔腳彎矩值減少20%,獨(dú)立基礎(chǔ)造價(jià)減少13%左右(表6)。

表6 0.45風(fēng)壓40 m塔形對比

2 塔身材料——耐候鋼的應(yīng)用

2.1 工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐

通信單管塔處于室外環(huán)境中,抗腐蝕非常重要?，F(xiàn)在一般國內(nèi)均采用熱鍍鋅工藝,造價(jià)非常高。耐候鋼耐大氣腐蝕能力強(qiáng),成本較低,在通信工程中有較大應(yīng)用前景。設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮裸露耐候鋼材的腐蝕。

筆者于2018年5月在河北省設(shè)計(jì)一30 m外爬支架式耐候鋼單管塔。塔身未采用防腐措施,塔身為朱紅色,見圖4。試驗(yàn)階段用量較少,采購相對比較困難。后期規(guī)模化生產(chǎn),采購安裝不存在問題。該塔體截至目前,各項(xiàng)指標(biāo)檢測良好,滿足使用要求。

圖4 耐候鋼單管塔

裸露耐候鋼鐵塔初期建設(shè)成本較鍍鋅鐵塔便宜5%～8%左右。后續(xù)鍍鋅鐵塔中間需要根據(jù)實(shí)際情況對鐵塔構(gòu)件進(jìn)行一系列的防腐蝕措施,運(yùn)檢維修成本高。耐候鋼在全設(shè)計(jì)周期內(nèi),無需防腐處理,維護(hù)成本低,全壽命周期范圍內(nèi)耐候鋼鐵塔可節(jié)省15%到25%(和普通塔后期維護(hù)情況有關(guān))。

2.2 設(shè)計(jì)建議

現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范對耐候鋼規(guī)定較少,根據(jù)國內(nèi)外研究進(jìn)展及筆者實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),提出以下設(shè)計(jì)建議：

1)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮裸露鋼材的腐蝕,或提高產(chǎn)品的厚度對侵蝕進(jìn)行補(bǔ)償?？筛鶕?jù)廠家提供長期侵蝕后的有效厚度設(shè)計(jì)。最大腐蝕量除有可靠依據(jù)外,暫按不宜小于0.1 mm考慮。

2)空氣若有腐蝕性或者長期處于潮濕環(huán)境或海洋性氣候,建議表面采用常規(guī)涂刷。涂刷前應(yīng)去除氧化表皮。

3)規(guī)定耐候鋼應(yīng)該具有較好耐大氣腐蝕性能,要求耐腐蝕性能指數(shù)應(yīng)不小于6.0。根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境宜適當(dāng)提高防腐蝕性能指數(shù)要求。應(yīng)事先約定。

4)耐候鋼單管塔插接段腐蝕后的插接段連接性能較好,設(shè)計(jì)可按普通鋼材設(shè)計(jì)方法。

5)鐵塔的螺栓連接節(jié)點(diǎn)為非緊密連接節(jié)點(diǎn), 更易存在汽水交替界面,且塔腳易被植被覆蓋且容易積水,腐蝕速率較高。單管塔設(shè)計(jì)塔腳必須進(jìn)行素混凝土包封；上部主體插接連接性能好,應(yīng)優(yōu)先選用。

6)鋼材應(yīng)為鎮(zhèn)靜鋼,微量合金元素及化學(xué)成分含量及偏差應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求,性能和工藝要求按《耐候結(jié)構(gòu)鋼(GB/T 4171—2008)》,宜作沖擊試驗(yàn)要求。

7)尺寸偏差應(yīng)滿足《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及臺件偏差(GB/T 709—2019)》, 《冷軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及臺許偏差(GB/T 708—2019)》及其他相關(guān)規(guī)范要求,可根據(jù)國內(nèi)耐候鋼材實(shí)際指標(biāo)適當(dāng)提高要求。

3 結(jié) 語

1)塔身坡度較大時,用材更加合理,符合桿體受力變化曲線；塔腳反力也較小,地腳螺栓和法蘭用鋼量也更為節(jié)省。位移控制宜在較大塔身坡度情況下,調(diào)整塔體直徑滿足要求。

2)相近塔體坡度下,塔身直徑增大,可以減輕壁厚,塔體重量下降明顯,較為經(jīng)濟(jì),但是由于迎風(fēng)面的增大,塔腳彎矩增大。直徑增加到一定程度,壁厚按局部穩(wěn)定及構(gòu)造不能再減小時,增大直徑不能降低塔重,塔腳彎矩還在增大,反而浪費(fèi)。

3)塔身位移放寬至1/33和天線面積折減,滿足工藝需求,不影響結(jié)構(gòu)安全,對降低造價(jià)有較大作用。

4)耐候鋼與普通鋼材力學(xué)性能接近,可用于實(shí)踐。初期建設(shè)成本低5%～8%左右,全周期造價(jià)低15%到25%。設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮耐候鋼的材料特性,從概念設(shè)計(jì)到精細(xì)設(shè)計(jì)應(yīng)有針對性,筆者給出現(xiàn)階段耐候鋼單管塔設(shè)計(jì)的建議。