平臺(tái)式通信單管塔體形系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)研究

張帆 張陽(yáng) 屠海明 王欣朋 孫天兵

(1.中國(guó)鐵塔股份有限公司 北京100142；2.中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司 北京100048；3.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司 上海200092)

引言

平臺(tái)式通信單管塔由于其占地面積小、掛載能力強(qiáng)、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)，是目前城市、郊區(qū)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)等場(chǎng)景應(yīng)用廣泛的通信塔，僅2017～2019年兩年中國(guó)鐵塔股份有限公司(后簡(jiǎn)稱中國(guó)鐵塔)在全國(guó)建設(shè)的該類型鐵塔就超過(guò)5000座。平臺(tái)、天線及通信設(shè)備承擔(dān)的風(fēng)荷載是該類結(jié)構(gòu)承受的主要荷載。因此對(duì)該區(qū)域承受的風(fēng)荷載研究對(duì)提高該類型通信塔的安全性和經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的意義。

《移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(YD/T 5131—2005)[1]規(guī)定:板狀天線體形系數(shù)為1.3，移動(dòng)通信天線的擋風(fēng)面積應(yīng)按實(shí)際方向角度計(jì)算，具體方向無(wú)法確定時(shí)，可假定天線為均勻?qū)ΨQ分布。并未對(duì)平臺(tái)的擋風(fēng)面積及體形系數(shù)進(jìn)行規(guī)定。

《鋼結(jié)構(gòu)單管通信塔技術(shù)規(guī)程》(CECS 236∶2008)[2]規(guī)定:單管塔的平臺(tái)及欄桿體形系數(shù)為1.9，迎風(fēng)面積按正面迎風(fēng)面積計(jì)(條文說(shuō)明:假定平臺(tái)的迎風(fēng)面積為輪廓面積的50%)；板狀通信天線的體形系數(shù)為1.3，迎風(fēng)面積按天線根數(shù)乘最大寬度乘長(zhǎng)度(條文說(shuō)明:不計(jì)塔筒對(duì)其遮擋作用，但板狀通信天線的連接件不計(jì)入擋風(fēng))。

因此關(guān)于平臺(tái)式單管塔體型系數(shù)及擋風(fēng)面積的算法，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不一致，協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定更明確，但未考慮天線、設(shè)備、平臺(tái)及塔身之間的遮擋，取值較為保守。體型系數(shù)及擋風(fēng)面積的合理取值一直是困擾工程設(shè)計(jì)人員的主要問(wèn)題之一。

通信塔的體型系數(shù)通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)可以較好地得到解決，但由于通信工藝需求多樣、設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)習(xí)慣差異大等原因，現(xiàn)有通信塔平臺(tái)、支臂等設(shè)計(jì)做法多樣，很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出統(tǒng)一的計(jì)算方法。中國(guó)鐵塔于2014年成立后開(kāi)展了通信塔的標(biāo)準(zhǔn)化工作，發(fā)布企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《通信鐵塔標(biāo)準(zhǔn)圖集》，在公司內(nèi)統(tǒng)一了平臺(tái)式單管塔的平臺(tái)、支臂、抱桿及連接等做法，截止目前標(biāo)準(zhǔn)化塔型在中國(guó)鐵塔使用率在70%以上。這也給通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)解決平臺(tái)式單管塔的體型系數(shù)問(wèn)題創(chuàng)造了條件。

1 平臺(tái)式單管塔與剛性模型

平臺(tái)式單管塔是指在單管塔頂部設(shè)置外平臺(tái)，用于天線的安裝及維護(hù)，見(jiàn)圖1。每層平臺(tái)安裝6副或者更多天線及通信設(shè)備。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)式單管塔Fig.1 Standardized monopoles with platform

經(jīng)綜合分析以及模型試制、風(fēng)洞試吹以后，最后確定比例為1∶6，正十六邊形筒體采用鋁合金，平臺(tái)、支架、抱桿、天線及RRU采用玻璃鋼。

由于平臺(tái)式單管塔平臺(tái)、支架、抱桿做法統(tǒng)一，此次試驗(yàn)考慮外掛不同數(shù)量天線及RRU設(shè)備時(shí)體形系數(shù)的取值。根據(jù)中國(guó)鐵塔《通信鐵塔標(biāo)準(zhǔn)圖集》中平臺(tái)式單管塔的設(shè)計(jì)方案，綜合考慮主要影響參數(shù)，最后確定了5個(gè)平臺(tái)單管塔節(jié)段模型，見(jiàn)表1。

表1 模型制作參數(shù)(比例1∶6)Tab.1 Model making parameters(scale 1∶6)

選取其中三個(gè)代表性的模型23、25和27進(jìn)行說(shuō)明。正十六邊形筒體直徑為600mm，平臺(tái)直徑為2500mm，天線外挑距離為565mm，天線尺寸為1968mm×295mm×126mm(高×寬×厚，現(xiàn)網(wǎng)最常用天線規(guī)格)，每副天線對(duì)應(yīng)的RRU尺寸為400mm×240mm×160mm(高×寬×厚)；模型與原型比例為1∶6。外掛天線數(shù)量分別為0、6和12。平臺(tái)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 外平臺(tái)立面及平面示意Fig.2 Elevation and plan of the platform

2 試驗(yàn)概況

在同濟(jì)大學(xué)TJ-2風(fēng)洞試驗(yàn)室進(jìn)行了此次平臺(tái)式單管塔模型的測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn)。在均勻流場(chǎng)下進(jìn)行5個(gè)剛體節(jié)段模型在不同風(fēng)速下的風(fēng)荷載測(cè)試。測(cè)試風(fēng)速為5m/s～40m/s，測(cè)試間隔為2m/s～3m/s，測(cè)試風(fēng)向間隔依據(jù)模型天線數(shù)確定，一般為30°、20°或15°，覆蓋360°所有工況，測(cè)試采樣頻率為300Hz，試驗(yàn)工況的采樣時(shí)間為20s，各模型試驗(yàn)工況見(jiàn)表2。

表2 模型試驗(yàn)工況Tab.2 Model test conditions

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

平臺(tái)式單管塔頂部主要包括筒體、平臺(tái)與天線三個(gè)部分。假定平臺(tái)式單管塔體型系數(shù)中平臺(tái)部分的調(diào)整系數(shù)為K2，天線調(diào)整系數(shù)為K3，平臺(tái)式單管塔頂部承擔(dān)的風(fēng)荷載計(jì)算公式如下:

式中:μs為筒體名義體型系數(shù)，十六邊形取0.8；D為筒體模型直徑(m)；H為筒體模型高度(m)；μspt為根據(jù)平臺(tái)凈擋風(fēng)面積與輪廓面積計(jì)算得到的體形系數(shù)；Apt為平臺(tái)凈擋風(fēng)面積(m2)；n為天線數(shù)量；Aa為單副天線面積(m2)；Wk為根據(jù)試驗(yàn)風(fēng)速轉(zhuǎn)換得到的的風(fēng)壓值(kN/m2)；ρ為空氣密度；V為試驗(yàn)平均風(fēng)速。

其中K2的測(cè)算(模型23)，假定筒體部分風(fēng)荷載理論計(jì)算值不變，把風(fēng)向?qū)ζ脚_(tái)的影響、平臺(tái)與筒體的相互遮擋的影響采用調(diào)整系數(shù)K2來(lái)反映；天線調(diào)整系數(shù)K3的測(cè)算(模型24～模型27)，假定筒體及平臺(tái)部分的風(fēng)荷載理論計(jì)算值不變，把風(fēng)向?qū)μ炀€的影響、天線與平臺(tái)及筒體的相互遮擋的影響采用調(diào)整系數(shù)K3來(lái)反映。實(shí)際上，應(yīng)該是筒體、平臺(tái)與天線三部分理論值與實(shí)測(cè)值分別對(duì)比，同時(shí)得到三個(gè)調(diào)整系數(shù)；但是這樣要求分別測(cè)量各部分的風(fēng)荷載，大大增加試驗(yàn)工況；同時(shí)，對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用而言，最后需要的是筒體、平臺(tái)與天線總的風(fēng)荷載，因此本文采用平臺(tái)及天線兩個(gè)調(diào)整系數(shù)的表達(dá)方式是可行的。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

由于本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)量多，同時(shí)每個(gè)模型風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)考慮風(fēng)向、風(fēng)速的組合，得到了大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。限于篇幅，本文以模型23和模型25為例。模型23在不同風(fēng)向、風(fēng)速均勻流程中測(cè)得的總平均風(fēng)荷載見(jiàn)表3，平臺(tái)調(diào)整系數(shù)K2如圖3所示；模型25在不同風(fēng)向、風(fēng)速均勻流程中測(cè)得的總平均風(fēng)荷載見(jiàn)表4，天線調(diào)整系數(shù)K3如圖4所示。

表3 模型23實(shí)測(cè)風(fēng)荷載Tab.3 Measured wind load of model 23

圖3 模型23的平臺(tái)調(diào)整系數(shù)K2Fig.3 Adjustment coefficient K2 of model 23

表4 模型25實(shí)測(cè)風(fēng)荷載Tab.4 Measured wind load of model 25

圖4 模型25的天線調(diào)整系數(shù)K3Fig.4 Adjustment coefficient K3 of model 25

4.3 結(jié)果分析

(1)實(shí)測(cè)風(fēng)荷載下平臺(tái)調(diào)整系數(shù)介于0.50～0.70之間，天線調(diào)整系數(shù)介于0.40～0.70之間。

(2)風(fēng)荷載方向?qū)奢d有一定影響，特別是天線數(shù)量少時(shí)，差別較大。如模型25中，當(dāng)存在一副天線完全處于塔身背面時(shí)(30°風(fēng)向)天線風(fēng)荷載明顯小于所有天線均不處于塔身背面的情況。

(3)通過(guò)模型23～模型27數(shù)據(jù)對(duì)比，如圖5所示，天線數(shù)量越多調(diào)整系數(shù)K3越小，調(diào)整系數(shù)值介于0.50～0.85之間。

圖5 天線數(shù)量對(duì)調(diào)整系數(shù)K3的影響Fig.5 The influence of the number of antennas on the adjustment coefficient K3

(4)考慮到試驗(yàn)工況有限及與實(shí)際情況的差異，平臺(tái)調(diào)整系數(shù)K2可取0.7(六副天線的調(diào)整系數(shù)K3取0.75)，對(duì)中國(guó)鐵塔《通信鐵塔標(biāo)準(zhǔn)圖集》中平臺(tái)式單管塔的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，平臺(tái)式單管塔用鋼量普遍降低5%～11%，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 平臺(tái)式單管塔設(shè)計(jì)對(duì)比Tab.5 Design comparison of monopoles with platform

把該成果應(yīng)用于存量鐵塔的改造，可提升平臺(tái)式單管塔的天線掛載能力約30%，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表6(按3層外平臺(tái)，每層平臺(tái)掛6副天線)。

表6 平臺(tái)式單管塔成果應(yīng)用成效Tab.6 Application results of monopoles with platform

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)平臺(tái)式單管塔風(fēng)荷載折減系數(shù)的應(yīng)用，可降低新建平臺(tái)式單管塔用鋼量5%～11%。可以提高存量平臺(tái)式單管塔天線掛載能力30%。試驗(yàn)成果已納入最新版行業(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》(YD/T 5131—2019)[3]，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)4G及5G通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，產(chǎn)生了巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。