三管塔整體選型過程中塔柱斜率的確定

穆 宇 亮

(中鋼石家莊工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050021)

三鋼管式鐵塔簡稱三管塔，屬于通信鐵塔的一種。塔柱是由三根鋼管組成，并由角鋼或鋼管連接而成的格構(gòu)式通信鐵塔結(jié)構(gòu)，具有迎風(fēng)面積小、風(fēng)荷載系數(shù)小等特點(diǎn)；另一方面，桁架式塔架由桿件組成，運(yùn)輸和安裝便捷迅速、建設(shè)工期短。三管塔的根開小，占地面積小，節(jié)約土地資源，選址便利，具有以上優(yōu)點(diǎn)使得三管塔在實(shí)際工程中得到很多的應(yīng)用。

三管塔塔身選型的確定是整個設(shè)計(jì)過程的開始步驟，也是非常重要的設(shè)計(jì)過程。塔身外形不但與設(shè)計(jì)高度、基本風(fēng)壓、鐵塔載荷、塔身頂部位移限值有關(guān)，而且直接影響用鋼量及建造成本。采用合理的塔身選型，既可以滿足鐵塔在設(shè)計(jì)風(fēng)壓、規(guī)定荷載情況下整個塔身的承載力及變形要求，又可以達(dá)到節(jié)省用鋼量、節(jié)約投資的目的。然而，三管塔塔身合理的選型又是一個涉及復(fù)雜因素的過程。鐵塔選型會影響塔身風(fēng)荷載的大小，加大根開會加大塔身風(fēng)荷載，風(fēng)荷載又反過來影響鐵塔的受力，所以鐵塔塔身選型應(yīng)該是一個反復(fù)迭代的過程，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時要有迭代優(yōu)化的思想。

塔身頂部主材間距離需要滿足鐵塔使用要求的限制和頂部位移限值的要求。塔身根部主材間距離，又稱為鐵塔的根開，確定該參數(shù)需要考慮的因素涉及設(shè)計(jì)高度、基本風(fēng)壓、鐵塔載荷、塔身頂部位移等。并且塔身選型影響整個塔身?xiàng)U件的受力條件，譬如加大根開會增大塔身剛度，減小塔身頂部位移，并減小主材的內(nèi)力，對于強(qiáng)度和穩(wěn)定控制的主材會減小主材型號及減少用鋼量。但與此同時更大的根開代表了連接主材間的斜材、橫材、輔材、橫隔等非主材桿件計(jì)算長度的增大，對于剛度控制的非主材桿件，計(jì)算長度增大就意味著加大非主材桿件的用鋼量。反之，根開的減小會減小鐵塔整體剛度、增大鐵塔頂部位移、增加由強(qiáng)度和穩(wěn)定控制的主材桿件受力和用鋼量增加，同時減少剛度控制桿件的用鋼量。

所以塔身選型是一個要考慮多方面條件且影響因素復(fù)雜的過程，能夠合理地進(jìn)行三管塔塔身選型是鐵塔設(shè)計(jì)的重要步驟，這就迫切要求通過大量細(xì)致的實(shí)際觀測和計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算進(jìn)行總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上得出合理的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以指導(dǎo)實(shí)際的設(shè)計(jì)工作。

1 三管塔塔身選型

由以上可以看出影響鐵塔塔身選型的因素眾多而復(fù)雜，變量多且變化量大。這就要通過大量的模擬計(jì)算確定合理的塔身整體外形。

除了鐵塔自身的擋風(fēng)，塔身平臺及掛載天線的風(fēng)荷載是鐵塔的主要荷載。塔身平臺主要作用是為安裝天線提供安全支撐和操作空間，三管塔的外平臺一般為圓形，由角鋼、槽鋼、鋼筋或鋼板組成，平臺欄桿上安裝天線抱桿。平臺的重量一般在600 kg左右，天線抱桿因構(gòu)造不同，重量一般在50 kg～60 kg之間，一般的板狀天線的重量在40 kg左右。

本文的計(jì)算模型采用塔身高度40 m，塔身安裝三層圓形外平臺，分別安裝在塔身標(biāo)高38 m,33 m,28 m處，每層平臺安裝6付天線抱桿，每付抱桿安裝1付0.6 m2擋風(fēng)面積的天線和1付0.2 m2擋風(fēng)面積的RRU設(shè)備。平臺重量按600 kg，抱桿按每付50 kg，天線和RRU重量按每付40 kg，按每層平臺安裝6付天線支架和6付天線計(jì)算，每層平臺、抱桿、天線和RRU合計(jì)重量1 140 kg。

實(shí)際工程應(yīng)用中，塔體頂部的主材間距一般取1.2 m左右?？紤]到安裝平臺等的因素，一般頂部取10 m～12 m主材沒有坡度的直線段，塔柱自直線段以下開始有坡度。本文的計(jì)算模型塔身頂部主材間距1.2 m，直線段長度12 m，自塔身標(biāo)高28 m處向下進(jìn)行主材放坡。

塔柱斜率是影響塔身選型的重要因素。鐵塔的塔柱斜率指塔柱每延米增寬的尺寸，單位為毫米/米(mm/m)。其公式表達(dá)為：

K=(Bd-Bu)/L。

其中，Bd為塔段下端主材間距;Bu為塔段上端主材間距;L為塔段的高度。

公式中各參數(shù)含義見圖1。

實(shí)際工程中，通訊三管塔常見的塔柱斜率為60 mm/m, 70 mm/m,80 mm/m,90 mm/m,100 mm/m,110 mm/m等多種。

模型的建立和計(jì)算采用同濟(jì)大學(xué)3D3S鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，兩平臺三管塔設(shè)計(jì)模型見圖2。

對于鐵塔模型的基本風(fēng)壓，采用較為常見的0.35 kN/m2,0.45 kN/m2,0.55 kN/m2和0.65 kN/m2。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

通過大量的模型計(jì)算，可以得到不同塔柱斜率和不同風(fēng)壓下的三管通信塔計(jì)算結(jié)果。

不同塔柱斜率和風(fēng)壓作用下鐵塔頂部水平位移值見表1，圖3。

表1 不同塔柱斜率和風(fēng)壓條件下塔頂水平位移 mm

可以看出，隨著塔柱斜率的增大，鐵塔頂部水平位移值逐步減小，說明塔柱斜率的增大會提高整個塔身的剛度從而降低塔頂水平位移。另外，同樣塔柱斜率的鐵塔，在不同風(fēng)壓下塔頂水平位移相差不大，說明在采用滿足塔身?xiàng)U件強(qiáng)度及穩(wěn)定的桿件型號后，塔頂水平位移值對基本風(fēng)壓變化并不敏感。

另一方面，從計(jì)算數(shù)據(jù)來看，三管塔本身剛度較好，在不同情況下采用的桿件滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定要求時，塔頂位移較易滿足規(guī)范限值要求。

不同塔柱斜率和風(fēng)壓作用下鐵塔塔身主材鋼材用量見表2，圖4。

表2 不同塔柱斜率和風(fēng)壓條件下塔身主材鋼材用量 t

可以看出，隨著塔柱斜率的增大，主材用鋼量隨之減少。這說明隨著鐵塔主材間距的增大，塔身截面抵抗彎矩的力臂增大，相應(yīng)減小了塔柱的受力，使得塔柱型號和用鋼量減少。另一方面，隨著基本風(fēng)壓的加大，同一塔柱斜率的鐵塔受的外荷載加大會使主材的用鋼量的增加，增加的幅度與風(fēng)壓提高的幅度成比例增大。

不同塔柱斜率和風(fēng)壓作用下塔身非主材用鋼量見表3，圖5。

表3 不同塔柱斜率和風(fēng)壓條件下塔身非主材用鋼量 t

可以看出，隨著塔柱斜率的增加，非主材桿件的用鋼量是增加的。這說明隨著鐵塔主材間距的增大，受力較小而主要是由剛度控制的非主材桿件因?yàn)殚L度的增加，其桿件型號和用鋼量是增加的。另一方面，隨著基本風(fēng)壓加大，同一塔柱斜率的鐵塔受外荷載加大使得非主材桿件用鋼量有所增加。

不同塔柱斜率和風(fēng)壓作用下塔身總的用鋼量見表4，圖6。

可以看出，塔柱斜率在100 mm/m以下時，隨著塔柱斜率逐漸增大，鐵塔總用鋼量是逐步減小的。但是在塔柱斜率增加到110 mm/m時，鐵塔總用鋼量比塔柱斜率100 mm/m時是增加的。

由以上對主材用鋼量、非主材用鋼量和總用鋼量的分析，可以得到隨著塔柱斜率的增大，鐵塔的主材的用鋼量在逐步減小而非主材用鋼量在增加。當(dāng)塔柱斜率小于100 mm/m時，非主材用鋼量的增加量小于主材用鋼量的減少量，導(dǎo)致總用鋼量的減小。當(dāng)塔柱斜率大于100 mm/m時，非主材用鋼量的增加量大于主材用鋼量的減少量，從而導(dǎo)致總用鋼量的增加。

這就說明存在一個合理的塔柱斜率，在采用合理的塔柱斜率時，鐵塔在滿足各項(xiàng)使用功能的要求下，鐵塔用鋼量最為節(jié)省。

3 結(jié)論

通過對一種通訊三管塔的大量模型分析，得出在不同塔柱斜率和基本風(fēng)壓下鐵塔的塔頂水平位移、鐵塔主材用鋼量、非主材用鋼量和總用鋼量的數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析可以看出：

1)三管塔本身剛度較好，在不同風(fēng)壓、不同塔柱斜率情況下采用的桿件滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定要求時，塔頂位移較易滿足規(guī)范限值要求。

2)塔柱斜率是影響塔身選型的重要因素。采用合理的塔柱斜率可以達(dá)到既滿足承載能力的要求，同時能夠達(dá)到降低鐵塔用鋼量的目的。對鐵塔的選型和設(shè)計(jì)都有重要意義。

3)對于高度40 m以下的三管塔，在較為常見的0.35 kN/m2～0.65 kN/m2基本風(fēng)壓下，可采用文中建議的100 mm/m的塔柱斜率，達(dá)到較為理想的設(shè)計(jì)效果。