鋁合金材料在通信塔桅中的應(yīng)用

林 莉 張智凱 郝勇麗

(山西信息規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

近年來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展，5G時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。5G 通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)以共享為根本，需充分利用現(xiàn)有存量站點(diǎn)資源，深入挖掘已有塔桅承載能力，快速滿足新增5G需求。鋁合金材料具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、不褪色、不氧化等特性，可以替代傳統(tǒng)鋼制構(gòu)件，在已有塔桅改造中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)作用。

1 材料簡(jiǎn)介

鋁合金是純鋁加入一些合金元素制成的，應(yīng)用最廣泛的合金元素有銅、鎂、錳、鋅、硅、鐵、鋰等。鋁合金相比純鋁具有更好的物理力學(xué)性能：易加工、耐久性高、適用范圍廣、裝飾效果好、花色豐富等。

鋁合金材料目前常用的共有七個(gè)系列：1000系列俗稱純鋁，其特點(diǎn)為密度小、導(dǎo)電性能高、強(qiáng)度低，主要用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)、化學(xué)工業(yè)等；2000系列是以銅為主要合金元素的鋁合金，硬度高、耐熱性能好，主要用于航天航空、國(guó)防工業(yè)及民用工具等；3000系列主要合金元素為錳，又稱防銹鋁合金，具有塑性高、焊接性能好、耐腐蝕等特點(diǎn)，主要應(yīng)用在制造汽車、飛機(jī)油箱油管、空調(diào)、冰箱、機(jī)械部件等領(lǐng)域；4000系列以硅為主要合金元素，特點(diǎn)是低熔點(diǎn)、耐蝕性好、耐磨耐熱，可用作建筑材料和焊接材料等；5000系列主要合金元素為鎂，耐腐性能和焊接性能好、抗拉強(qiáng)度高、延伸率高，主要用于家電、交通運(yùn)輸設(shè)備、裝甲、裝飾件等；6000系列以鎂和硅為主要合金元素，集中了4000系列和5000系列的優(yōu)點(diǎn)，具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性高、焊接性能良好、焊接區(qū)域腐蝕性能不變、成形性和工藝性能良好等特點(diǎn)，用于框架、建筑材料、工業(yè)鋁型材、散熱器、照相機(jī)零件等，是目前應(yīng)用最廣泛的鋁合金；7000系列以鋅為主，屬于超硬鋁合金，耐磨、硬度高、焊接性能好、加工性和耐腐蝕性良好，常用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)等航天航空工業(yè)、焊接構(gòu)件材料。

目前在通信塔桅中用到的是6000系列的鋁合金材料，以下簡(jiǎn)稱6系鋁合金。

2 材料性能

6系鋁合金屬于熱處理可強(qiáng)化合金， 其中6061系列和6063系列具有最佳的綜合性能，被廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。

1)物理性能。

密度(20 ℃)為2.7 g/cm3，約為鋼材密度的1/3。

2)力學(xué)性能。

力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 6系鋁合金力學(xué)性能

3)切削性能。

具有較好的切削性能。

4)焊接性能。

可焊性良好，可用各種焊接方法進(jìn)行焊接，不過(guò)所用型材必須使用相應(yīng)的焊條進(jìn)行焊接(如6061-T6型材的焊接必須使用6061-T6的焊條)，惰性氣體的純度必須達(dá)到100%。

5)耐腐蝕性能。

具有較好的耐腐蝕性能。在常溫下，強(qiáng)化后的鋁與空氣中的氧氣反應(yīng)，其表面生成一層致密的氧化鋁薄膜，阻止了自然界與其他物體對(duì)其本身的腐蝕氧化，這是傳統(tǒng)的鍍鋅處理無(wú)法做到的。

3 鋁合金材料在通信塔桅中的應(yīng)用

通信天線發(fā)射信號(hào)有掛高要求，一般為20 m～40 m，視覆蓋需求而定。通信塔桅作為通信天線發(fā)射信號(hào)的載體，是信號(hào)覆蓋的基本組成部分。塔桅建設(shè)一般分為塔身、鐵塔基礎(chǔ)、防雷接地等，其造價(jià)在通信建設(shè)單站造價(jià)中占有較大的比重，故塔桅方案選擇是成本控制的重要環(huán)節(jié)。

通信塔桅分為地面塔桅及樓面塔桅。地面塔桅主要有：增高架、H桿、桅桿、單管塔、三管塔、角鋼塔及一體化塔房等；樓面塔桅主要有：增高架、桅桿、配重抱桿、附墻抱桿等。

塔桅建設(shè)主要分為改造塔桅和新建塔桅。改造塔桅是指對(duì)已有塔桅進(jìn)行改造，增加塔桅整體的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等，以滿足在原有塔桅上繼續(xù)新增天線的目的，這種方式具有速度快、成本節(jié)約等優(yōu)點(diǎn)。目前大多數(shù)塔桅建設(shè)時(shí)間久遠(yuǎn)，塔桅天線滿負(fù)荷運(yùn)作，若想在已有塔桅上繼續(xù)新增天線支臂，就需要對(duì)塔身及基礎(chǔ)進(jìn)行加固改造，但鋼制構(gòu)件重量大、施工難度大，是改造塔桅中的難點(diǎn)。鋁合金材料具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，將鋼材替換為鋁合金材料可以很好的解決加固改造中的難點(diǎn)。

目前通信領(lǐng)域中，鋁合金材料作為新型材料應(yīng)用不太廣泛，僅存在于一些小型改造、新建項(xiàng)目，所占比例很小，在省內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目不是很多，目前有鋁合金天線支臂及鋁合金樓面增高架及鋁合金地面桅桿、抱桿等簡(jiǎn)單案例。以下為已建設(shè)完成的鋁合金塔桅及配套設(shè)施案例。

3.1 新增鋁合金天線支臂

天線支臂是塔桅與通信天線之間的連接構(gòu)件，新增天線支臂是利用存量站址直接掛載天線支臂及通信天線的一種方式，是改造塔桅的重要部分。經(jīng)具有檢測(cè)資質(zhì)的第三方單位對(duì)現(xiàn)有塔桅進(jìn)行塔身、基礎(chǔ)復(fù)核，根據(jù)復(fù)核結(jié)果及建模分析出具加固方案，加固后以滿足增加天線支臂的需求。但是普通鋼材重量大，對(duì)塔桅影響大，故采用鋁合金材料減輕天線支臂的重量，可以減小塔桅加固、基礎(chǔ)加固的難度。目前我省呂梁等地市已經(jīng)在塔桅改造中使用了鋁合金天線支臂。

3.2 新建鋁合金樓面塔桅

樓面塔桅利用樓面的既有高度，新建樓面增高架、桅桿、抱桿等15 m以下小型塔桅，以滿足天線掛高要求。樓面塔桅建設(shè)中對(duì)屋面梁及屋面板要求較高，部分預(yù)制板屋面無(wú)法滿足建設(shè)樓面塔桅需求，通過(guò)采用鋁合金材料減輕塔桅重量，減小對(duì)屋面梁及屋面板的荷載，使部分鋼制塔桅無(wú)法滿足的屋面存在建設(shè)的可能性，且利于選址時(shí)減小業(yè)主對(duì)屋面承重的顧慮，降低選址難度。目前朔州等地市已在樓面塔桅建設(shè)中使用了鋁合金增高架。

3.3 新建鋁合金地面桅桿、組合抱桿

桅桿為單桿懸臂結(jié)構(gòu)，常采用無(wú)縫鋼管作為主桿，大部分利用地勢(shì)高度進(jìn)行建設(shè)，塔桅高度一般為6 m,9 m,12 m,15 m,18 m等，采用鋼絲繩拉線固定位移及提升剛度和穩(wěn)定性，具有使用材料少、工期短、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微站、普遍服務(wù)等站點(diǎn)；組合抱桿一般將多根抱桿進(jìn)行組合，共用一個(gè)基礎(chǔ)，通常高度為3 m,6 m等，地面站址一般建于山頂?shù)容^高地勢(shì)場(chǎng)景，具有節(jié)省基礎(chǔ)材料、易于預(yù)制等優(yōu)點(diǎn)。大多山區(qū)道路狹窄或沒(méi)有道路，鋼材自重大，運(yùn)輸至站址位置難度大，后期安裝難度大，所需費(fèi)用多，而采用鋁合金材料，由于重量輕，解決了山區(qū)站址上站難度大的問(wèn)題。目前呂梁等地市已建成鋁合金組合抱桿。

4 未來(lái)發(fā)展方向

鋁合金材料與鋼材對(duì)比，重量輕、強(qiáng)度相似、耐腐蝕、價(jià)格相差不大，具有良好的可替代性，為選址談判、減少基礎(chǔ)造價(jià)、減少施工成本等方面帶來(lái)很大便利，在通信塔桅中具有廣闊的前景?，F(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況、目前塔桅施工中遇到的問(wèn)題，提出部分鋁合金材料的未來(lái)發(fā)展方向。

4.1 鋁合金材料在改造塔桅建設(shè)中的應(yīng)用

1)塔身材料部分替換：掌握現(xiàn)有塔桅材料詳細(xì)信息，綜合計(jì)算塔桅構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比、應(yīng)力比、撓度等，將無(wú)法滿足國(guó)家相關(guān)要求的型鋼構(gòu)件替換為滿足要求的鋁合金構(gòu)件。與鋼材相比，鋁合金材料具有重量輕、強(qiáng)度相似的特點(diǎn)，改造后的塔身較輕，對(duì)塔身塔腳力增加較小，可以提高塔桅整體抗震性能，減小基礎(chǔ)加固改造難度。

2)塔身平臺(tái)使用鋁合金材料：塔身平臺(tái)是為施工、維護(hù)人員提供的操作、檢修、維護(hù)、安裝空間，普遍存在于三管塔、單管塔、角鋼塔中。存量站站址建成時(shí)間長(zhǎng)，平臺(tái)預(yù)留天線支臂基本滿載，根據(jù)第三方塔身檢測(cè)，如塔身無(wú)法滿足新增天線設(shè)備要求，可將塔身平臺(tái)整體替換為鋁合金材料，減少塔身自重及頂段位移，并結(jié)合降低平臺(tái)高度的方式來(lái)減少水平風(fēng)荷載的影響，從而解決改造基礎(chǔ)費(fèi)用及存量站無(wú)法新增天線的問(wèn)題。

3)塔身加固使用鋁合金材料：存量站站址中單管塔、單管一體化塔房滿負(fù)荷運(yùn)作，無(wú)法新增天線支臂，可以采用斜支撐的加固方式來(lái)滿足新增天線支臂的需求。但鋼材重量大，運(yùn)輸難度大，對(duì)加固中的抗震及頂段移位影響較大，如將鋼材替換為鋁合金材料可以減少材料使用量及支撐基礎(chǔ)尺寸，降低安裝難度、節(jié)約建造成本。

4.2 鋁合金材料在樓面塔桅建設(shè)中的應(yīng)用

樓面站址的特點(diǎn)有：需要重量輕的塔桅、樓面相對(duì)安全不易被盜、選址相對(duì)容易不占用地面空間等。鋁合金材料在樓面塔桅中有很大的應(yīng)用前景。

1)附外墻天線抱桿：利用建筑物圈梁、構(gòu)造柱外部使用膨脹螺栓與天線支臂相連接，天線再與天線支臂相連接，具有高度靈活可調(diào)、施工簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但普通鋼材重量大，對(duì)膨脹螺栓及屋面圈梁要求高，天線支臂及天線過(guò)重可能發(fā)生掉落風(fēng)險(xiǎn)，采用鋁合金材料可大幅減輕天線支臂重量，消除掉落風(fēng)險(xiǎn)。

2)樓面配重、附墻抱桿：樓面配重、附墻抱桿高度一般為3 m～6 m，基礎(chǔ)采用鋼梁和配重塊方式，不破壞樓面原有結(jié)構(gòu)。在部分預(yù)制板及老舊樓樓頂，由于配重抱桿重量大，附墻抱桿對(duì)女兒墻要求高，常不建議使用。采用鋁合金材料可有效減輕結(jié)構(gòu)重量，在預(yù)制板屋面及老舊樓樓頂也可安裝使用，為無(wú)法新建傳統(tǒng)抱桿的場(chǎng)地提供建站的可能性。

4.3 鋁合金材料在地面塔桅建設(shè)中的應(yīng)用

1)三管塔、角鋼塔等桁架塔：普通型鋼重量大，對(duì)抗震產(chǎn)生不利影響，將塔身上部結(jié)構(gòu)替換為鋁合金材料，或?qū)⑺頇M隔、斜桿等構(gòu)件替換為鋁合金材料，可以達(dá)到減少整體塔身的重量，提高塔桅整體抗震性能，減小基礎(chǔ)尺寸的目的。

2)單管塔、景觀塔等管塔：?jiǎn)喂芩燧d天線方式一般為天線支架方式及安裝平臺(tái)方式；景觀塔是結(jié)合現(xiàn)有城市規(guī)劃，根據(jù)周邊建筑風(fēng)格，將通信塔桅進(jìn)行相應(yīng)的美化，通常有仿生樹(shù)、路燈桿、都市站等。大部分景觀塔具有美化裝飾外罩且重量較大，可將景觀塔外層的美化裝飾罩或單管塔的平臺(tái)、天線支臂等替換為鋁合金材料，達(dá)到減輕頂部自重荷載，提高塔桅整體抗震性能，減小塔身重量、減小基礎(chǔ)尺寸的目的。

3)利用社會(huì)資源塔類：在城市建設(shè)中，存在各種各樣塔類，如：路燈桿、廣告牌、電力塔、水塔等，充分利用社會(huì)資源是降低建設(shè)成本很有效的解決措施，但該類塔桅在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)未考慮新增天線及新增天線支臂重量因素，往往并不具備成為通信塔桅的可能，將支臂由鋼結(jié)構(gòu)替換為鋁合金材料，可以減小新增的天線及支臂重量，為無(wú)法滿足通信建設(shè)的社會(huì)資源塔類提供掛載天線的可能性。

4.4 鋁合金材料在機(jī)房建設(shè)中的應(yīng)用

機(jī)房是通信工程建設(shè)的組成部分，分為磚混機(jī)房、一體化機(jī)柜、鐵甲機(jī)房、彩鋼板機(jī)房、租用機(jī)房等，磚混機(jī)房一般尺寸為2 m×3 m,3 m×5 m,4 m×5 m等，一個(gè)機(jī)柜尺寸一般為0.9 m×0.9 m，分為單倉(cāng)機(jī)柜、雙倉(cāng)機(jī)柜、三倉(cāng)機(jī)柜等。

1)樓面機(jī)柜、樓面彩鋼板房等：樓面建設(shè)機(jī)房、機(jī)柜時(shí)一般設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)底座，放置于屋面梁上，但鋼材及機(jī)房中的設(shè)備重量大，對(duì)屋面梁、板影響較大，用鋁合金材料替換鋼材，可防止樓板、梁等發(fā)生破壞，減少房屋業(yè)主對(duì)機(jī)房建設(shè)時(shí)重量較重的顧慮，有效降低了建設(shè)初期的選址難度。

2)租用機(jī)房：租用機(jī)房為租賃房屋業(yè)主自有房屋作為通信機(jī)房，涉及租用機(jī)房裝修、租用機(jī)房電氣、租用機(jī)房加固等內(nèi)容，由于設(shè)備的重量較大，往往超出樓板設(shè)計(jì)荷載，需要將設(shè)備荷載傳遞至梁、柱等可承受較大荷載的結(jié)構(gòu)中。通常采用兩根工字鋼架設(shè)到兩端梁或墻上，避免樓板受力。但是鋼梁的重量也是比較大的，對(duì)原有建筑混凝土梁的受力產(chǎn)生不利影響，采用鋁合金材料代替鋼梁，可減小建筑物混凝土梁所承受的荷載，提高房屋的穩(wěn)定性，減小事故發(fā)生率。

5 注意事項(xiàng)

1)由于鋁合金型材價(jià)格較昂貴，不建議在野外或無(wú)人看守的地方使用，以免被盜。

2)因惰性氣體容易受風(fēng)力影響，所以鋁合金型材要求在室內(nèi)進(jìn)行焊接。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)通信塔桅也提出了更高的要求，在滿足安全性及適用性的前提下，使用鋁合金替換傳統(tǒng)鋼材，充分利用其重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，不論從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求考慮，還是從施工、安裝、維護(hù)方面來(lái)分析，鋁合金材料都有著其獨(dú)特的可行性和優(yōu)越性。鋁合金材料的應(yīng)用為通信建設(shè)中的新建和改造項(xiàng)目創(chuàng)造了新的思考方向，同時(shí)對(duì)于部分疑難站址提供了新的解決方案。