三管塔塔柱斜率對基礎(chǔ)反力影響初探

穆宇亮 周 珊

（河北蓬榮檢測技術(shù)服務(wù)有限公司 河北石家莊 050000）

三鋼管式鐵塔，簡稱三管塔，屬于常見鐵塔形式的一種。鐵塔結(jié)構(gòu)是由三根鋼管作為鐵塔塔柱，由角鋼或鋼管連接塔柱組成的格構(gòu)式鐵塔結(jié)構(gòu)。三管式鐵塔具有塔柱承載力強、根開小、迎風面積小、風荷載擋風系數(shù)小等優(yōu)點。另外，桁架式鐵塔天然具有運輸和安裝方便、建設(shè)周期短、占地面積小、節(jié)省建設(shè)用地等優(yōu)點。所以在實際工程中，三管塔得到了廣泛的應(yīng)用。

設(shè)計階段，三管塔在前期方案設(shè)計階段需要根據(jù)設(shè)計高度、基本風壓、鐵塔載荷等因素進行塔身選型，確定三管塔的整體立面尺寸。合理地進行塔身選型，既可以滿足鐵塔在設(shè)計風壓、規(guī)定荷載情況下整個塔身的承載力及變形要求，又可以達到減小鐵塔基礎(chǔ)反力，從而節(jié)約基礎(chǔ)混凝土用量及造價的目的。但是，三管塔塔身合理選型是一個需要考慮多種因素的過程。鐵塔外形會影響塔身風荷載的大小，風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)試算的過程，設(shè)計人員在鐵塔選型時要有迭代優(yōu)化的思想。

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)計高度、基本風壓、鐵塔載荷、鐵塔占地面積等因素，并且塔身選型會影響鐵塔基礎(chǔ)反力，鐵塔的基礎(chǔ)反力包括簡化至塔腳平面形心處的壓力、剪力、彎矩及單個塔腳最大壓力、最大拉力等，相同情況下不同的鐵塔外形會引起鐵塔基礎(chǔ)反力的變化，而不同的基礎(chǔ)反力對基礎(chǔ)的設(shè)計影響很大，從而導(dǎo)致包括基礎(chǔ)尺寸、基礎(chǔ)混凝土用量以及鐵塔基礎(chǔ)建設(shè)成本的變化。所以，鐵塔選型要考慮對基礎(chǔ)反力的影響，能夠合理地進行塔身選型是減小基礎(chǔ)尺寸、控制基礎(chǔ)成本的重要手段，這就要求通過大量細致的實際觀測和計算機模擬計算進行總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上得出合理的設(shè)計數(shù)據(jù)以指導(dǎo)實際的設(shè)計工作。

1 三管塔塔柱斜率及結(jié)構(gòu)分析模型

鐵塔塔身選型需要考慮的因素多而繁雜，而鐵塔選型會明顯的影響基礎(chǔ)的設(shè)計和造價。這就需要大量的模擬試算并通過比較確定合理的塔身整體外形。

影響鐵塔基礎(chǔ)反力的主要因素有設(shè)計高度、基本風壓、鐵塔載荷等。鐵塔設(shè)計高度一般由天線掛高決定?；撅L壓由鐵塔所在的地區(qū)決定，并與當?shù)氐匦蔚孛灿嘘P(guān)。鐵塔所受荷載主要為橫向風荷載，包括鐵塔自身所受的風荷載和鐵塔上安裝設(shè)備的風荷載。除了鐵塔自身所受的風荷載，塔身平臺及安裝天線的風荷載是鐵塔的主要荷載。塔身平臺主要是為安裝天線提供支撐和安裝操作空間，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550 kg左右，天線抱桿因構(gòu)造不同，重量一般在55到65 kg之間，一般的板狀天線的重量在45 kg左右。

鐵塔計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擋風面積的天線和1付0.2 m2擋風面積的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付天線計算，每層平臺、抱桿、天線和RRU合計重量1140 kg。

實際工程應(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10-12 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，自塔身標高28 m處向下進行主材放坡。

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在高度方向每延米增加的寬度，單位為毫米/米（mm/m）。其公式表達為：

式中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：

圖1 塔柱斜率示意圖

實際工程中，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。

模型的建立和計算采用同濟大學(xué)3D3S鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，三平臺三管塔設(shè)計模型見圖2。

圖2 三管塔計算模型

對于鐵塔模型的基本風壓，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 基礎(chǔ)反力計算結(jié)果及分析

通過大量的模型計算，可以得到不同塔柱斜率和不同風壓下的三管通信塔計算結(jié)果。如表1到表5所示。

表1和圖3是不同塔柱斜率和風壓作用下簡化至塔腳平面形心處標準組合壓力值?？梢钥闯?，隨著塔柱斜率的增大，壓力有增大的趨勢，但幅度并不大。這說明塔柱斜率的增大對簡化至塔腳平面形心處標準組合壓力值影響不大。

圖3 簡化至塔腳平面形心處標準組合壓力值（kN）

表1 簡化至塔腳平面形心處標準組合壓力值（kN）

風壓的增大會增加基礎(chǔ)壓力，增大的幅度與風壓增大的幅度相近。

表2和圖4是不同塔柱斜率和風壓作用下簡化至塔腳平面形心處標準組合剪力值?？梢钥闯?，塔柱斜率在60-100mm/m范圍內(nèi)，隨著塔柱斜率的增大，鐵塔總剪力是逐漸減小的，大約減小5%-10%。而塔柱斜率在100-110 mm/m范圍內(nèi)時，鐵塔總剪力是略微增加的。

表2 簡化至塔腳平面形心處標準組合剪力值（kN）

圖4 簡化至塔腳平面形心處標準組合剪力值（kN）

表3和圖5是不同塔柱斜率和風壓作用下簡化至塔腳平面形心處標準組合彎矩值?？梢钥闯?，隨著塔柱斜率的增加，塔身總彎矩值是略有減少的趨勢。這說明隨著鐵塔主材間距的增大，塔身總剪力的減小也同時導(dǎo)致塔身總彎矩的減少。

圖5 簡化至塔腳平面形心處標準組合彎矩值（kN.m）

表3 簡化至塔腳平面形心處標準組合彎矩值（kN.m）

表4和圖6是不同塔柱斜率和風壓條件下一個塔腳壓力標準值。通過圖表可以看出，最大單個塔腳壓力值隨著塔柱斜率的增加和鐵塔根開的增大是逐漸減小的，這說明隨著根開的加大，抵抗外荷載彎矩的力臂增大，從而減小了單個塔腳力。由此可以得出采用塔柱斜率大的方案可以減少基礎(chǔ)反力，從而降低基礎(chǔ)方量和造價。

圖6 不同塔柱斜率和風壓條件下一個塔腳壓力標準值（kN）

表4 不同塔柱斜率和風壓條件下一個塔腳壓力標準值（kN）

表5和圖7是不同塔柱斜率和風壓條件下一個塔腳拔力標準值。由圖表可以看出，最大單個塔腳拉力值隨著塔柱斜率的增加和鐵塔根開的增大是逐漸減小的，其減少的原理與最大單個塔腳壓力值相同，抵抗外荷載彎矩的力臂增大減小了單個塔腳力。同樣地，這說明如果采用塔柱斜率大的方案可以減少基礎(chǔ)反力，達到降低基礎(chǔ)尺寸和建造成本的目的。

表5 不同塔柱斜率和風壓條件下一個塔腳拉力標準值（kN）

圖7 不同塔柱斜率和風壓條件下一個塔腳拉力標準值（kN）

3 結(jié)論及設(shè)計建議

通過對一種通訊三管塔在不同風壓和塔柱斜率參數(shù)情況下模型的計算，對結(jié)果的分析得出在不同塔柱斜率和基本風壓下包括鐵塔基礎(chǔ)簡化至塔腳平面形心處標準組合壓力、剪力、彎矩及單個塔腳最大壓力、最大拉力等的基礎(chǔ)反力。通過數(shù)據(jù)分析可以得出：

（1）隨著塔柱斜率的增加，簡化至塔腳平面形心處標準組合壓力值有增大趨勢，但幅度不大。這說明塔柱斜率的增大對其影響不大。而風壓的增大會增加基礎(chǔ)壓力，增大的幅度與風壓增大的幅度相近。

（2）隨著塔柱斜率的增加，簡化至塔腳平面形心處標準組合剪力值在塔柱斜率60-100 mm/m范圍內(nèi)時，隨著塔柱斜率的增大，鐵塔總剪力是逐漸減小的，大約減小5%-10%。這說明塔柱斜率的增加雖然增加了塔身受風面積，但同時也增大了塔身剛度，減小了風荷載中順風向風振系數(shù)使得鐵塔總剪力下降。而塔柱斜率在100-110 mm/m范圍內(nèi)時，鐵塔總剪力是加大的，這說明塔柱斜率在大于100 mm/m時，鐵塔擋風面積增加的荷載大于風荷載中順風向風振系數(shù)減小的部分，導(dǎo)致基礎(chǔ)總剪力的增加。

（3）簡化至塔腳平面形心處標準組合彎矩值隨著塔柱斜率的增加，塔身總彎矩值是略有減少的。這說明隨著鐵塔主材間距的增大，塔身總剪力的減小也同時導(dǎo)致塔身總彎矩減少。

（4）最大單個塔腳壓力和拉力值隨著塔柱斜率的增加是逐漸減小的，這說明隨著根開的加大，抵抗外荷載彎矩的力臂增大，從而減小了單個塔腳力。這說明如果采用塔柱斜率大的方案可以減少基礎(chǔ)反力，從而降低基礎(chǔ)方量和造價。

綜上所述，通過對不同塔柱斜率參數(shù)的結(jié)構(gòu)建模計算分析，可以得出在本模型荷載情況下，塔柱斜率60-110 mm/m范圍內(nèi)，三管塔塔柱斜率取100 mm/m時基礎(chǔ)所受簡化至塔腳平面形心處標準組合壓力值、剪力值、彎矩值及最大單個塔腳壓力和拔力值等基礎(chǔ)反力綜合受力較小，在此情況下設(shè)計基礎(chǔ)可達到減小基礎(chǔ)尺寸，節(jié)省基礎(chǔ)建設(shè)成本的目的。