5G 改造建設的新型桿體加固方案探討

［安雪峰］

1 引言

隨著5G 改造建設的深入推進，大量新增5G 設備是在存量桿塔上實現(xiàn)，但存量桿塔上往往已經存在4G/3G，甚至2G，而且我國已實現(xiàn)了通信的資源整合，同一桿塔一般為多家運營商共享，如移動、電信、聯(lián)通、廣電等，導致通信桿塔往往是滿荷載運行，存量站點因桿體檢測不通過導致無法升級改造的問題日益嚴重。如果無法進行原站改造，則需要在旁邊重新新建桿塔以滿足運營商的需求，造成重復建設，資源浪費；采用傳統(tǒng)的桿體加固方案要么造價高，要么占地面積大，無法很好的滿足改造建設需求。因此，需要研究探討新型的桿體加固方案，以確保解決當前5G 改造建設所遇到的桿體加固問題。

2 現(xiàn)有問題分析

通過對需加固桿塔的桿檢報告分析整理，存在問題有：（1）原存量桿塔新增設備后其塔身應力比超限；（2）原存量桿塔新增設備后其桿頂位移超限；（3）原存量桿塔新增設備后其地腳螺栓抗拉應力比超限；（4）上述問題的兩種或全部存在；造成以上問題的原因進行分類，可以劃分為三類：第一類分為通信設備的增加超載引起的現(xiàn)象；第二類分為鋼材銹蝕、裂縫等損傷引起的現(xiàn)象；第三類分為設備超載和鋼材損傷共同引起的現(xiàn)象。

目前傳統(tǒng)加固方法主要有增加拉線加固和增加硬支撐加固，如圖1 所示，該加固方法雖然可靠，承載力提升效果明顯，卻存在以下不足：占地面積大；在道路、公園等區(qū)域，妨礙人員通行，有一定的安全隱患；破壞城市景觀協(xié)調性；場地受限，無法施工；行政主管部門報批難；造價高等，以上不足決定了傳統(tǒng)加固方案在城市中基本沒有普遍實施的可能性。

圖1 傳統(tǒng)加固方法

3 新型材料加固方案研究

針對這個問題，我們聯(lián)系了黑龍江大學負責新材料研究的教授，一同探討解決方案。通過實驗，我們最終決定采用粘結方式，將復合材料與原鋼結構連接的“組合塔”加固修復技術。如圖2 所示，該技術相較于傳統(tǒng)的加固修復鋼結構的方法，具有較大的優(yōu)勢。這主要得益于復合材料的以下幾方面的特點：

圖2 新型材料加固方案

（1）復合材料具有極好的抗酸堿腐蝕能力。采用復合材料加固鋼構件后，對原結構自然形成腐蝕防護，降到了后期維護所需成本；

（2）低密度（約為鋼的1/4）、高抗拉性能（普通級FRP 片材在1000～5 000 MPa 之間）。采用復合材料加固鋼結構等構件后，幾乎不增加原結構的重量；

（3）彈性模量較高（普通級的單向碳纖維片材的楊氏模量約為230 GPa）；

（4）較好的抗疲勞性能和抗蠕變/松弛性能（碳纖維要大大優(yōu)于鋼材）；

（5）FRP 雖然是一種脆性材料，但具有較高的變形能力（幾乎為線彈性直到破壞，碳纖維片材的應變可達到1～2%，玻璃纖維和芳綸纖維片材的應變可達到2.5～3.5%）；

纖維增強復合材料（FRP）的抗拉強度是鋼的2～10倍，是一種被廣泛應用的新型高性能材料，粘貼FRP 對鋼結構進行加固，原結構承擔的部分荷載通過粘結膠層傳遞給FRP，從而降低了原結構的應力水平，起到加固修復的效果（加固方法如圖3、圖4、圖5 所示）。采用新材料FRP 進行加固桿體方案，具有不產生次生應力和缺陷、耐久性好、施工方便、維護費用低等優(yōu)點。通過“組合塔”方式，既不破壞城市景觀協(xié)調性，又不增加環(huán)境安全隱患，不占地、不占道，易實施。

圖3 復合材料加固方式一

圖4 復合材料加固方式二

圖5 復合材料加固方式三

3.1 新型材料加固方案試驗

為驗證新型復合材料加固桿塔方案的性能，在實驗中心建立6 個模型進行試驗，測試各模型的承載力性能：

試驗一：原鐵塔承載力試驗，試驗參數(shù)及結果如圖6所示。

圖6 試驗一數(shù)據

試驗二：原鐵塔+復合材料附加塔（豎向）承載力試驗，試驗參數(shù)及結果如圖7 所示。

圖7 試驗二數(shù)據

試驗三：原鐵塔+復合材料附加塔（環(huán)向纏繞）承載力試驗，試驗參數(shù)及結果如圖8 所示。

圖8 試驗三數(shù)據

試驗四：復合材料附加塔（片材）承載力試驗，試驗參數(shù)及結果如圖9 所示。

圖9 試驗四數(shù)據

試驗五：原鐵塔+復合材料片材+復合材料附加塔（環(huán)向纏繞）承載力試驗，試驗參數(shù)及結果如圖10 所示。

圖10 試驗五數(shù)據

試驗六：受損鐵塔局部復合材料加固承載力試驗，試驗參數(shù)及結果如圖11 所示。

圖11 試驗六數(shù)據

圖12 承載力對比

圖13 位移曲線

從實驗結果看，承載力、位移性能，均有良好的提升。在僅使用纖維布纏繞粘貼加固時，鋼材的承載力提升了15.4%，部分纏繞粘貼加固進也有7.7%的提升，當使用纖維布及復合材料板材時，鋼材承載力大幅提升了184%。試驗結果匯總分析如圖6、圖7 所示。

3.2 有限元分析(FEA)

使用有限元分析，模擬各種試驗方案，可有效確保產品設計的合理性、可靠性。Abaqus 有限元模型：采用solid 單元建立4 個鐵塔段和一個40 m 長的復合材料塔，網格大小劃分為100 mm，單元類型為C3D8R。鐵塔底端固定，限制三個方向的位移和轉角，在塔頂端施加集中荷載，模擬復合材料塔加固鐵塔，如圖14 所示。

圖14 Abaqus 精細化有限元模型

模擬方案如下:

方案1：粘貼纖維布加固，粘貼層數(shù)為2 層 (總厚度為2 mm) 。

方案2：先粘貼復合材料片材（2 mm），然后粘貼纖維布加固，粘貼層數(shù)為2 層 (總厚度為4 mm) 。

方案3：先粘貼復合材料片材（4 mm），然后粘貼纖維布加固，粘貼層數(shù)為2 層 (總厚度為6 mm) 。

方案4：先粘貼復合材料片材（6 mm），然后粘貼纖維布加固，粘貼層數(shù)為2 層 (總厚度為8 mm) 。

方案5：先粘貼復合材料片材（8 mm），然后粘貼纖維布加固，粘貼層數(shù)為2 層 (總厚度為10 mm) 。

分析結果如表1 所示，通過有限元分析，使用復合材料加固方案，可有效提高鐵塔的強度和剛度，提升鐵塔承載力。

表1 有限元分析(FEA)匯總表

4 新型材料加固試點

在論證了新材料在桿體加固方面的可行性之后，在惠州鐵塔進行桿體加固試點的過程中，我們選取了4 個常用塔型的站點，進行了桿體加固試點，分別是49 號小區(qū)，白花英倫印象、東江新城路口、和淡水人民橋，站點情況如下：

（1）49 號小區(qū)：塔高20 m，單管塔，風壓0.55 kN/m2，加固方式：碳纖維布+玻璃纖維布+抱箍。

（2）白花英倫印象：塔高30 m，單管塔，風壓0.65 kN/m2，加固方式：碳纖維布+玻璃纖維布+抱箍。

（3）東江新城路口：塔高35 m，單管塔，風壓0.55 kN/m2，加固方式：碳纖維布+玻璃纖維布+抱箍。

（4）淡水人民橋：塔高40 m，單管塔，風壓0.65 kN/m2，加固方式：碳纖維布+玻璃纖維布+抱箍。

施工工藝流程包括表面處理、找平施工、涂刷底膠、裁剪纖維布、配制膠液、粘貼纖維布、二次涂膠和固化養(yǎng)護等環(huán)節(jié)。其中，表面處理是確保施工質量的關鍵步驟，需要將桿體表面的灰塵、油脂等雜物清除干凈，以確保涂層與桿體表面的粘結強度。找平施工則是保證施工平整度的重要步驟，需要根據桿體的形狀和大小，制備相應的找平材料，并在找平材料干燥后，進行下一步的施工。

總的來說，惠州鐵塔的桿體加固試點取得了一定的成果，為新材料在桿體加固領域的應用提供了有益的經驗和借鑒。未來，我們將進一步擴大試點范圍，探索更加高效、實用的桿體加固方案。施工過程及完工整體效果，如圖15 所示。

圖15 桿塔加固施工圖

為保證采用新材料加固工藝加固后桿塔滿足安全使用要求，聘請第三方檢測單位，對加固桿塔進行檢測。經監(jiān)測，偏移變化趨勢，三軸傾角變化量均在閾值允許的范圍內，塔桅結構處于安全運營狀態(tài)，滿足新增設備架設需求。

通過現(xiàn)場實施對試點站進行了桿體加固，在原有鐵塔外層通過高性能樹脂和高強度纖維制作新型復合材料外層塔，從而使加固后的鐵塔形成鋼材+復合材料兩者結合的組合塔。經過近半年的實驗驗證，新型復合材料加固方案可提高桿體強度和剛度幅度大于30%。與目前采用的加固技術相比，可縮短施工周期大于40%,且減少投資費用大于30%。通過使用新材料進行加固，可以有效地解決桿體承載力不足問題，相對于傳統(tǒng)的加固方法，該方案具有創(chuàng)新的解決方案，避免了傳統(tǒng)加固現(xiàn)場實施所遇到的問題。

從4 個站點的實驗檢測報告看，新型復合材料的桿體加固方案，能夠有效地解決原先桿體承載力不足的問題，實現(xiàn)了低造價、高效率，滿足了運營商的需求。經過初步試驗證明，具有以下優(yōu)點：

（1）整站新型復合材料重量小，設備運輸和人工搬運方便，增加荷載小，對基礎基本沒有影響。

（2）新型復合材料防腐、耐濕熱、耐酸、耐堿、耐紫外線照射能力強，溫濕度穩(wěn)定性好，相比鋼材使用壽命長，可減少后期防腐除銹維護工作。

（3）新型復合材料加固后，桿塔強度可以提高30～80%（承載力）和剛度提高20～70%（抗變形），可以滿足加裝天線的要求。

（4）新型復合材料加固桿塔造價低，較新建一座鐵塔降低成本40～60%，較目前常用鐵塔加固方法（索力塔加固、鋼管組合加固）降低成本25～40%，有效減少建設成本，降低造價。

（5）新型復合材料加固施工周期為5～7 天，相比新建地面塔工期縮短35～40 天，相比目前常用鐵塔加固方法（索力塔加固、鋼管組合加固）工期縮短7～10 天，可快速交付，減少施工工期。

5 預期成效

直接效益：采用新型復合材料解決方案，可以根據不同塔型快速、精準地提出加固方案，顯著提高塔桅結構的承載能力，延長其使用壽命，滿足在原結構上安裝5G 天線的要求。該技術實現(xiàn)產業(yè)化程度高，方便推廣應用。加固原有結構與新建鐵塔相比，每個基站降低建設成本約10～30 萬元。

間接效益：采用新型復合材料解決方案，不但增加了原結構的承載能力，同時提高其應對極端環(huán)境的抗災能力，減少塔桅結構倒塌事件的發(fā)生，有效避免財產損失和人員傷亡。

社會效益：一是加快5G 建設速度，可有效刺激社會需求，拉動經濟增長；二是利用原結構改造利用，可大幅降低建筑能耗，促進低碳發(fā)展；三是可有效促進產業(yè)結構調整，減少鋼材使用量；四是可有力促進新型加固技術的發(fā)展，提升原有塔桅結構利用率；五是可有效緩解社會矛盾，促進城市改造。

6 結語

通過新型桿體加固方法的探討以及試點實踐，并經近半年的初步驗證，其達到了初步的預期效果，既低成本的解決了桿體加固問題，又能高效率的滿足客戶要求，但由于是第一次使用新型材料加固，后續(xù)還需維護部門做進一步的跟蹤，關注桿體的相關指標是否正常。