談某鋼結(jié)構(gòu)天線塔設(shè)計(jì)

張亮權(quán)

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

隨著我國通信事業(yè)的蓬勃發(fā)展，鐵塔星羅棋布在神州大地。鐵塔是一種高聳結(jié)構(gòu)，其主要目的是架設(shè)通信天線，鐵塔制作、安裝比較方便、快捷，投資也相對(duì)較少，很受歡迎，目前天線塔絕大數(shù)是鋼結(jié)構(gòu)塔。

鋼結(jié)構(gòu)塔主要有四邊形角鋼塔、多邊形鋼管塔、單管塔、拉線塔四種結(jié)構(gòu)形式。其中四邊形角鋼塔、多邊形鋼管塔又可以叫做桁架塔，主要由角鋼、鋼管構(gòu)件拼裝而成的格構(gòu)式自立塔。單管塔是由許多相同斜率錐形圓筒或多邊形筒，長度5 m～10 m的節(jié)段首尾相接拼裝起來的，塔身節(jié)段之間的連接有內(nèi)法蘭形式和插接形式兩種方式。拉線塔是由桿身及斜向拉線組成，桿身是依靠斜向拉線而直立的，這些拉線在不同方向、不同高度上支撐桿身，以保證它的直立和穩(wěn)定。

四邊形角鋼塔是國內(nèi)最常用的天線塔結(jié)構(gòu)形式，其優(yōu)點(diǎn)是連接構(gòu)造簡單，加工安裝方便，質(zhì)量容易控制，外形堅(jiān)實(shí)敦厚。由于角鋼回轉(zhuǎn)半徑較小，為了控制桿件長細(xì)比，減小構(gòu)件自由長度，設(shè)立再分式腹桿，增加了許多輔助桿件，因而加大了用鋼量。另外角鋼的體型系數(shù)較大，不受力的輔助桿件增加了塔的擋風(fēng)面積，造成了較鋼管塔大得多的風(fēng)彎矩，用鋼量和基礎(chǔ)造價(jià)也相對(duì)較大。多邊形鋼管塔塔柱和橫桿采用鋼管，由于鋼管的慣性矩比角鋼大，具有各向同性等特點(diǎn)，整體剛度比較大，又由于鋼管擋風(fēng)系數(shù)較小，比角鋼塔用鋼量要輕一些。單管塔占地較小，制造安裝簡單、方便，但是用鋼量大、變形大、剛度不足。拉線塔需要較大的拉線空間，占地面積大，桿身剛度較小，變形較大。

裝設(shè)天線陣、全向天線、平板天線的天線塔，對(duì)結(jié)構(gòu)位移要求較高，還必須滿足方向性較強(qiáng)的工藝要求，因此天線塔的結(jié)構(gòu)選型采用四邊形鋼管塔。

1 天線塔概況

本天線塔高17 m，根開4 m，外設(shè)四層平臺(tái)，在塔頂設(shè)置測向天線陣天線，在最高處平臺(tái)一上設(shè)置全向天線，在平臺(tái)二、三上設(shè)置10面平板天線，見表1。

表1 天線塔配置

天線安裝示意圖、天線塔立面圖如圖1所示。

2 鋼結(jié)構(gòu)天線塔力學(xué)分析

結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防類別為丙類，抗風(fēng)能力60 m/s，鐵塔的固有頻率前兩階大于2.2 Hz，在15 mm積冰條件下不破壞。

2.1 計(jì)算模型及截面選用

結(jié)構(gòu)計(jì)算模型采用空間模型(見圖2)。天線塔結(jié)構(gòu)采用的構(gòu)件截面主要存在以下特征：主塔采用圓鋼管截面。

主要桿件截面分布如表2所示。

表2 主要桿件截面表

2.2 荷載工況及組合

各荷載工況分別表示為：永久荷載、活荷載、風(fēng)荷載、地震作用、裹冰荷載、溫度作用。

各荷載組合分別表示為：標(biāo)準(zhǔn)組合、基本組合。

荷載取值及組合按GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，GB 50135—2019高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[1]。

2.3 結(jié)構(gòu)變形分析

以風(fēng)為主的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，頂部位移v應(yīng)滿足高聳結(jié)構(gòu)規(guī)范對(duì)水平位移限制的要求：v≤h/50，h為塔體總高度(見圖3)。

2.4 結(jié)構(gòu)桿件驗(yàn)算

各荷載基本組合下的結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力比如圖4所示。

2.5 連接節(jié)點(diǎn)的計(jì)算

連接節(jié)點(diǎn)包括底法蘭連接節(jié)點(diǎn)及中間法蘭連接節(jié)點(diǎn)，利用節(jié)點(diǎn)反力設(shè)計(jì)法蘭盤的幾何尺寸及連接螺栓的規(guī)格及數(shù)量。

部分節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖5所示。

3 設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

1)鐵塔設(shè)計(jì)問題：鐵塔高度17 m，根開4 m，天線面積擋風(fēng)約80 m2；在裹冰厚度為15 mm，為重度裹冰區(qū)，冬季裹冰加大了鐵塔擋風(fēng)，鐵塔風(fēng)荷載及裹冰恒荷載的作用下，如何使鐵塔頂部位移滿足各類天線的工藝要求，且具有防腐蝕，是設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)，鐵塔重度裹冰情況見圖6。

2)塔體平臺(tái)與天線支架設(shè)計(jì)問題：在天線架設(shè)布置中，110 MHz～225 MHz平板天線4副，分別指向25°，85°，255°和320°方向；220 MHz～500 MHz平板天線4副，分別指向25°，85°，255°和320°方向；500 MHz～1 350 MHz平板天線2副，分別指向55°，285°方向；130 MHz～170 MHz全向天線1副；960 MHz～1 215 MHz全向天線1副；七元測向天線1副。這些天線通過過渡支架與鐵塔平臺(tái)相連，天線面積大，質(zhì)量重，如何設(shè)計(jì)塔體平臺(tái)與天線過渡支架，既要安全可靠，又要滿足天線角度的要求，是一個(gè)重點(diǎn)也是一個(gè)難點(diǎn)。

3)塔體防雷的設(shè)計(jì)問題：由于塔體是高聳結(jié)構(gòu)，容易遭受雷擊，另外，天線設(shè)備比較貴重，價(jià)值比較高，如果遭受雷擊，損失比較大，且天線網(wǎng)絡(luò)通暢比較重要，不能中斷，如何設(shè)計(jì)，是塔體及天線具備防止直擊雷、感應(yīng)雷的能力，是設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)[2]。

4 設(shè)計(jì)難點(diǎn)解決方案

4.1 鐵塔設(shè)計(jì)

本天線塔結(jié)構(gòu)形式為高聳結(jié)構(gòu)，高聳結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是風(fēng)荷載起決定作用，計(jì)算作用在塔上的荷載時(shí)，首先計(jì)算出各類天線的擋風(fēng)面積，塔體重裹冰后的折算擋風(fēng)面積，計(jì)算出塔體、平臺(tái)、天線以及塔體冰的自重。用精確的整體空間桁架法進(jìn)行計(jì)算，如有必要還可進(jìn)一步考慮非線性因素計(jì)算桁架塔的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)首先采用空間鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)軟件3D3S進(jìn)行桿件計(jì)算，由于工作溫度不高于-20 ℃，鋼材材質(zhì)選用Q355C，初步選定主材截面Φ194×10,Φ159×8，斜材截面Φ133×5,Φ89×5，然后，又采用有限元軟件SAP2000進(jìn)行各個(gè)桿件的計(jì)算和復(fù)核，根據(jù)計(jì)算出的主材各個(gè)分段的拉力，確定主材使用帶法蘭盤的螺栓連接，螺栓為6.8級(jí)6M36及6M30，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足國家鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和塔桅設(shè)計(jì)規(guī)程[3-6]，結(jié)構(gòu)安全可靠。

所有構(gòu)件均采用熱浸鍍鋅防腐處理，鋅層厚度不小于86 μm，全部螺栓亦應(yīng)熱浸鍍鋅。因工藝要求需在構(gòu)件上焊件時(shí)，應(yīng)在鍍鋅前進(jìn)行，鍍鋅后的構(gòu)件應(yīng)對(duì)其局部變形進(jìn)行校正，鍍鋅后，不生銹，不變形，抗老化，降低后期維護(hù)成本。

4.2 塔體平臺(tái)與天線支架設(shè)計(jì)

塔頂設(shè)置安裝接口板，在安裝接口板的中間開一個(gè)φ500 mm的孔，并在安裝接口板下方預(yù)留φ500 mm×700 mm的空位，避免塔架與七元測向天線底部測向開關(guān)盒和電纜干涉。

平板天線兩側(cè)對(duì)稱布置64個(gè)直徑為9 mm的孔，采用三個(gè)過渡支架分別安裝的方式連接天線后，通過過渡支架再與鐵塔平臺(tái)護(hù)欄相連。過渡支架均采用L50×4角鋼焊接而成，前面用螺栓與天線面板相連接，過渡支架的后面用螺栓與鐵塔平臺(tái)相連。

全向天線利用轉(zhuǎn)接件豎直安裝天線塔上，天線塔上預(yù)留φ11 mm孔相配合的安裝接口板，板的中央開有φ80 mm孔，避免與天線線纜接口干涉。

天線過渡支架與平臺(tái)連接模式：支架下部支撐在平臺(tái)三外伸梁[16上，支架中部與平臺(tái)二外伸梁[16鉸接，支架頂部通過支撐與平臺(tái)二連接。支架頂部采用Φ70×5支撐桿件與平臺(tái)二相連,Φ70×5桿件中部采用Φ50×5桿件空間支撐。

4.3 塔體防雷的設(shè)計(jì)

設(shè)置專用避雷塔，避雷塔的避雷接地與電源地、工作地分開，防雷接地電阻小于4 Ω，電源和工作地的接地電阻小于1 Ω。避雷塔設(shè)置專用避雷引下線，并與避雷針和塔底接地網(wǎng)可靠焊接。避雷針的接地電阻小于4 Ω，地網(wǎng)是由鍍鋅扁鋼將塔腳地基內(nèi)金屬構(gòu)件焊接成環(huán)的方式。避雷塔地網(wǎng)與機(jī)房地網(wǎng)之間的焊接點(diǎn)均不得少于兩點(diǎn)，并預(yù)留出測試端。接地引下線的出土部位進(jìn)行保護(hù)，使用PVC管包裹。

天線塔設(shè)置地網(wǎng)，并設(shè)置專用避雷引下線，與接地引下線區(qū)分，并與塔頂避雷針和塔底接地網(wǎng)可靠焊接。天線塔上的饋線在頂端、中間、底端處進(jìn)行三點(diǎn)接地，與鐵塔接地引下線接地位置連接。

5 結(jié)語

通過對(duì)天線塔結(jié)構(gòu)形式優(yōu)缺點(diǎn)的分析，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)天線塔進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)[7-9]，滿足了天線抗風(fēng)能力以及鐵塔固有頻率前兩階大于2.2 Hz的要求；并合理地設(shè)置避雷塔、避雷措施使天線塔具備防止直擊雷、感應(yīng)雷的能力；完成了天線塔結(jié)構(gòu)安全可靠、制造快捷、安裝方便、投資較少的愿望，為類似天線塔的設(shè)計(jì)進(jìn)行了積極探索。