通信塔桅在氣象和信號(hào)傳輸方面的應(yīng)用

鄭書成，劉仁濤

（華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310052)

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷深入，通信領(lǐng)域的覆蓋范圍不斷擴(kuò)大，甚至可以說(shuō)只要有人的地方就有通信覆蓋，無(wú)論是人跡罕至的深山老林、荒無(wú)人煙的沙漠、戈壁無(wú)人區(qū)、挑戰(zhàn)人類極限的珠穆朗瑪，還是一望無(wú)際的大海深處。在這些比較極端的應(yīng)用場(chǎng)景里，對(duì)于通信基站建設(shè)成本的挑戰(zhàn)無(wú)疑是巨大的，一方面要達(dá)到良好的信號(hào)覆蓋要求，另一方面又要節(jié)省投資，使投資回報(bào)趨于合理。另外，隨著通信行業(yè)共建共享、服務(wù)社會(huì)理念的不斷深入，創(chuàng)新業(yè)務(wù)的不斷提出，通信塔桅的應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越廣，同時(shí)也利用其自身資源豐富、基數(shù)龐大、覆蓋面廣等優(yōu)勢(shì)，為其他行業(yè)提供更多的創(chuàng)新支持。為此，本文將通過(guò)實(shí)際工程案例，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信塔桅的改造利用。

2 通信塔桅改造為氣象雷達(dá)基站的應(yīng)用

2.1 技術(shù)背景

上海某區(qū)域一座42 m 四角角鋼塔改造為38 m 氣象雷達(dá)站。對(duì)氣象部門來(lái)說(shuō)，一方面節(jié)約社會(huì)資源、降低造價(jià)、縮短建設(shè)周期，實(shí)現(xiàn)快速建站目的；另一方面也降低了后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)基站所支出的費(fèi)用。對(duì)通信行業(yè)來(lái)說(shuō)，此舉也是一種創(chuàng)新，可以增加新業(yè)務(wù)收入，可以說(shuō)是互利共贏。這是塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種創(chuàng)新應(yīng)用，可為本行業(yè)設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)解決思路。

2.2 技術(shù)方案

本座四角角鋼塔主體結(jié)構(gòu)高46 m，2 層平臺(tái)，一平臺(tái)高42 m，二平臺(tái)高34 m，現(xiàn)拆除塔身頂部構(gòu)件至二平臺(tái)位置，露出4 根角鋼主材，用角鋼L90 mm×8 mm 的包鋼板螺栓連接雷達(dá)底座和塔身主材（見(jiàn)圖1）。

圖1 塔身立面圖

根據(jù)雷達(dá)的相關(guān)工藝要求，需要為雷達(dá)天線、空調(diào)設(shè)置底座并預(yù)留檢修口（見(jiàn)圖2），需要安裝雷達(dá)避雷針（見(jiàn)圖3）?？紤]到高空施工便捷性，整個(gè)底座采用H 型鋼預(yù)先焊接，與雷達(dá)天線在地面安裝完成后整體吊裝，塔身與底座、底座與雷達(dá)外罩均采用普通螺栓連接（見(jiàn)圖4）。

圖2 雷達(dá)底座詳圖（單位：mm）

圖3 雷達(dá)避雷針詳圖（單位：mm）

圖4 雷達(dá)底座與塔身主材連接節(jié)點(diǎn)（單位：mm）

2.3 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

1）鐵塔承重需要大于15 000 N（1 500 kg）（雷達(dá)質(zhì)量為700 kg，天線外罩質(zhì)量為300 kg，空調(diào)質(zhì)量為150 kg，后期維護(hù)人員及維護(hù)設(shè)備質(zhì)量等）。

2）雷達(dá)外罩高3 130 mm，上部半圓直徑3 360 mm，底部直徑2 620 mm。

基本風(fēng)壓：0.55 kN/m2，地面粗糙度類別B 類，計(jì)算高度35 m。

2.4 計(jì)算過(guò)程

雷達(dá)上部半圓：WK1=μSμZW0=1.1×1.48×0.55=0.9 kN/m2

雷達(dá)下部錐體：WK2=μSμZW0=1.1×1.48×0.55=0.9 kN/m2

式中，WK1、WK2為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，k N/m2；μS為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μZ為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；W0為基本風(fēng)壓。

底座彎矩：M=1.4×（M1+M2）=1.4×（WK1A1d1+WK2A2d2）=1.4×（0.9×3.68×2.17+0.4×4.54×1）=12.6 kN·m

式中，M1、M2分別分雷達(dá)上部半圓、下部錐體的彎矩，kN/m2；A1、A2分別為雷達(dá)上部半圓、下部錐體的迎風(fēng)面積，m2；d1、d2分別為雷達(dá)上部半圓、下部錐體力矩，kN·m。

彎矩作用在單肢主材上的壓力：N1=12.6/2/1.03=6.1 kN。

自重作用在單肢主材上的壓力：N2=1.5×10/4=3.75 kN。

彎矩和自重疊加作用在單肢主材上的合力：N=N1+N2=6.1+3.75=9.85 kN。

因此，作用在單肢主材和螺栓上的力比較小，不用考慮構(gòu)件強(qiáng)度問(wèn)題。

根據(jù)原有角鋼塔設(shè)計(jì)圖紙的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，利用華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司編制的專門用來(lái)計(jì)算角鋼塔的Excel表格進(jìn)行計(jì)算[1-3]，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表1，鐵塔各個(gè)構(gòu)配件的應(yīng)力均符合材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求[4]。

表1 角鋼塔各塔段內(nèi)力設(shè)計(jì)值

3 通信塔桅改造為微波基站的應(yīng)用

3.1 技術(shù)背景

在茫茫大海上，一眼望不到邊，因此，對(duì)于信號(hào)的傳輸也提出了較高的要求。由于在海上沒(méi)有其他障礙物的遮擋，因而利用微波的形式進(jìn)行傳輸成了一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)可行的解決方案。如果利用原有的一些通信塔桅改造成符合使用條件的微波站，將極大地節(jié)省投資造價(jià)和有效降低工程建設(shè)難度，可以真正實(shí)現(xiàn)大范圍信號(hào)覆蓋需求。

3.2 技術(shù)方案

浙江近海一座孤立的小島上有一座25 m 高的四角角鋼塔，有2 個(gè)天線平臺(tái)，高分別為25 m、19 m，每平臺(tái)6 個(gè)天線抱桿，每個(gè)抱桿設(shè)計(jì)負(fù)荷面積不超過(guò)0.6 m2擋風(fēng)面積。根據(jù)相關(guān)建設(shè)要求，現(xiàn)在該塔9 m 處改造對(duì)稱的2 個(gè)微波天線抱桿（見(jiàn)圖5、圖6），每個(gè)天線抱桿上掛載直徑為2 m 的微波設(shè)備，因設(shè)備擋風(fēng)面積達(dá)到3.14 m2，對(duì)位于海上高風(fēng)壓區(qū)域而言，風(fēng)壓是主要荷載，需要對(duì)原有鐵塔進(jìn)行特別改造加固以適應(yīng)該應(yīng)用場(chǎng)景。

圖5 微波天線抱桿立面圖（單位：mm）

圖6 微波天線抱桿俯視圖（單位：mm）

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，所有加裝的構(gòu)配件均根據(jù)圖紙大樣預(yù)制完成運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)拼裝，在原有鐵塔9 m 處增加一個(gè)基座平臺(tái)，用于固定增加的2 個(gè)天線抱桿，因抱桿所受的風(fēng)荷載較大，特制三點(diǎn)五支撐的超靜定結(jié)構(gòu)抱桿節(jié)點(diǎn)圖見(jiàn)圖7，用于穩(wěn)定其結(jié)構(gòu)負(fù)荷抱桿節(jié)點(diǎn)圖見(jiàn)圖8。

圖7 抱桿節(jié)點(diǎn)圖1（單位：mm）

4 結(jié)語(yǔ)

此類塔桅改造能夠快速實(shí)現(xiàn)建站目的，大大縮短工期，降低造價(jià)，全國(guó)范圍內(nèi)此類存量塔較多，覆蓋范圍廣，可以滿足相關(guān)部門的部分需求，是種較好的應(yīng)用選擇，值得推廣。

圖8 拖桿節(jié)點(diǎn)圖2（單位：mm）