劉志全 鄧永娟

摘 ?要：本文利用3D3S三維計(jì)算軟件對(duì)單管塔加固進(jìn)行模擬計(jì)算及分析，單管塔在原有滿荷載情況下新增平臺(tái)后強(qiáng)度將超出規(guī)范允許值，需做加固處理。該模擬計(jì)算模型采用新增斜撐的方法和合理的單元?jiǎng)澐謱?duì)單管塔進(jìn)行風(fēng)荷載作用下的非線性計(jì)算。結(jié)果表明：在應(yīng)力比小于0.85[1]的情況下，并保證單管塔在新增平臺(tái)后能繼續(xù)使用，對(duì)風(fēng)荷載作用下單管塔加斜撐的位移和應(yīng)力比等方面進(jìn)行分析，數(shù)值模擬結(jié)果比較接近實(shí)際結(jié)果，其承載能力有較高的提升。利用3D3S三維計(jì)算模型能夠比較準(zhǔn)確地計(jì)算出單管塔的受力。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)喂芩?斜撐;位移;應(yīng)力比

中圖分類號(hào)：TU347 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）12-0047-03

Abstract：In this paper，3D3S software is used to simulate and analyze the reinforcement of single tube tower. The strength of single tube tower will exceed the allowable value of the code after adding a new platform under the original full load，so it needs to be strengthened. The simulation model uses the method of adding braces and reasonable element division to calculate the non-linearity of a single pipe tower under wind load. The results show that when the stress ratio is less than 0.85[1]，the single tube tower can continue to be used after the new platform is added. The displacement and stress ratio of the single tube tower with diagonal braces under wind load are analyzed. The numerical simulation results are close to the actual results，and the bearing capacity of the single tube tower is improved. The stress of single tube tower can be calculated accurately by using 3D3S three-dimensional calculation model.

Keywords：single tube tower;oblique brace;displacement;stress ratio

0 ?引 ?言

隨著近年移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，通信運(yùn)營(yíng)商在原有的語音通話基礎(chǔ)上大力發(fā)展數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)，使通信基站建設(shè)得到了快速的發(fā)展。為了節(jié)省通信運(yùn)營(yíng)商基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本，同時(shí)提高市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，由國(guó)資委牽頭，會(huì)同國(guó)家工信部，組織三大運(yùn)營(yíng)商（聯(lián)通、移動(dòng)、電信）召開一次協(xié)調(diào)會(huì)，成立了中國(guó)鐵塔股份有限公司。中國(guó)鐵塔股份有限公司主要經(jīng)營(yíng)三大運(yùn)營(yíng)商的基站建設(shè)、基站維護(hù)、基站保障和運(yùn)營(yíng)。中國(guó)鐵塔股份有限公司的成立實(shí)現(xiàn)了“一站三用”的原則，提高了基站的利用率，降低了基站建設(shè)成本，縮短了基站建設(shè)周期，達(dá)到了國(guó)家組織成立該公司節(jié)本增效的目標(biāo)?！耙徽救谩笔墙ㄔO(shè)一個(gè)基站三大運(yùn)營(yíng)商共用，滿足三家運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求。通信基站的建設(shè)方式分為地面站和樓面站，其中地面站為單管塔和桁架塔;樓面站為樓面塔、樓面抱桿和美化塔等。隨著4G網(wǎng)絡(luò)的普及和5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開展，通信基站向低、密、大的方向發(fā)展。本文研究的是“大”，“大”是指基站的承載在增大，單管塔在4G網(wǎng)絡(luò)基站建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，為節(jié)約建設(shè)成本，多家運(yùn)營(yíng)商共用一個(gè)基站，使單管塔基站的承載超出原設(shè)計(jì)承載要求，為此需要對(duì)單管塔進(jìn)行加固處理，加固采用塔身加斜撐的方法。本研究是在風(fēng)荷載作用下，對(duì)40米單管塔進(jìn)行加固處理，驗(yàn)算加固后單管塔的塔頂位移和塔身應(yīng)力比，使單管塔滿足規(guī)范承載要求。

1 ?三維模型的建立

1.1 ?鋼材本構(gòu)關(guān)系

常用的鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線有雙線模型和三線模型，本文采用三線模型，如圖1所示。此模型能比較準(zhǔn)確地反映鋼材在風(fēng)荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程的特性，適用于延性較好的構(gòu)件。本文中鋼材的屈服強(qiáng)度為345MPa，對(duì)應(yīng)的線膨脹系數(shù)1.2×105;鋼材的極限強(qiáng)度552MPa，彈性模量按 ?采用2.06×105N/mm2。彈塑性階段取泊松比為0.3。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式如式（1）所示：

1.2 ?計(jì)算模型的建立

原有單管塔高度為35.5m，塔身為Q345鋼材，單管塔頂徑為287mm;單管塔塔底為694mm;塔身分為5節(jié)，單管塔現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)記錄表如表1所示。

現(xiàn)有平臺(tái)為4層，每層三副天線，共計(jì)12副天線，通信運(yùn)營(yíng)商提出在4平臺(tái)下新增5G設(shè)備平臺(tái)。新增平臺(tái)后塔身為5層平臺(tái)，15副天線，需重新核算塔身承載。塔腳與基礎(chǔ)為剛性連接，塔身模型采用膜單元，塔身15米處新增斜撐，斜撐為168*5鋼管。單管塔塔身及計(jì)算模型如圖2和圖3所示。

1.3 ?邊界及荷載設(shè)定

在塔身施加水平荷載模擬風(fēng)荷載作用效應(yīng)，直接作用于塔身，塔腳與基礎(chǔ)剛性連接，斜撐桿與斜撐基礎(chǔ)剛性連接，斜撐桿水平投影夾角為90度。設(shè)計(jì)使用年限為20年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為丙類。

按承載力極限狀態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度;正常使用極限狀態(tài)控制條件為結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到變形的有關(guān)規(guī)定值。單管塔所受的主要荷載如下：

永久荷載：鐵塔塔身及附屬構(gòu)件、避雷針、天線、平臺(tái)和爬梯等;

可變荷載：風(fēng)荷載、地震作用、平臺(tái)活荷載、敷冰荷載和雪荷載;

風(fēng)荷載為WO=0.50kN/m2;

平臺(tái)活荷載按2.0kN/m2考慮，敷冰荷載和雪荷載一般小于平臺(tái)檢修荷載，可不考慮;

塔身和天線體型系數(shù)依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)單管塔技術(shù)規(guī)程分別取0.9和1.3，單管塔每層為3個(gè)天線，計(jì)算時(shí)按折減系數(shù)K1=0.85進(jìn)行折減。

2 ?計(jì)算結(jié)果分析

2.1 ?加固前后塔頂位移和應(yīng)力比的計(jì)算

計(jì)算依據(jù)為《移動(dòng)通信工程鋼結(jié)構(gòu)塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，考慮荷載基本組合，永久荷載+風(fēng)荷載+平臺(tái)活荷載[2];荷載分項(xiàng)系數(shù)按規(guī)范取值[3]。塔身在風(fēng)荷載作用下最大強(qiáng)度不應(yīng)大于塔身鋼材的強(qiáng)度，并滿足規(guī)范要求，塔頂?shù)乃轿灰撇粦?yīng)大于塔高的1/33，并滿足正常使用變形規(guī)范要求。

2.1.1 ?加固前極限狀態(tài)的結(jié)果分析

加固前單管塔承載力極限狀態(tài)基本組合和正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算前進(jìn)行荷載組合，得出該單管塔共有13種荷載組合形式，組合系數(shù)按荷載規(guī)范進(jìn)行取值，計(jì)算方式為線性分析和動(dòng)力特性分析。得出承載力極限狀態(tài)基本組合作用下所受的最大應(yīng)力為：工況1組合2：應(yīng)力=285Mpa<310Mpa（Q345強(qiáng)度設(shè)計(jì)值），滿足承載能力要求。

正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合作用下塔頂最大位移為：工況1組合2：位移=1236mm>35500/33=1075mm[4]，不滿足正常使用變形要求。

2.1.2 ?加固后極限狀態(tài)的結(jié)果分析

加固后按加固前的兩種極限狀態(tài)13種荷載組合形式計(jì)算加固后單管塔的線性分析和動(dòng)力特性分析，得出承載力極限狀態(tài)基本組合各工況作用下最大應(yīng)力為：工況1組合2：應(yīng)力=228Mpa<310Mpa（Q345強(qiáng)度設(shè)計(jì)值），滿足承載能力要求;

正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合作用下塔頂最大位移為：工況1組合2：位移=906mm<35500/33=1075mm[4]，滿足正常使用變形要求。

3 ?結(jié) ?論

通過對(duì)單管塔加固前后的計(jì)算分析，可以初步得到以下結(jié)論：

（1）在風(fēng)荷載為WO=0.50kN/m2的情況下，單管塔加固前后塔身強(qiáng)度應(yīng)用得到有效的提高，并滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，可進(jìn)行改造，新增平臺(tái)滿足運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求，但單管塔加固前塔頂位移不滿足設(shè)計(jì)變形要求，不可進(jìn)行改造。

（2）通過對(duì)單管塔塔身加斜撐的方法使塔身滿足正常使用的變形要求，提高了基站的利用率，降低了基站建設(shè)成本，縮短了基站建設(shè)周期，達(dá)到了節(jié)本增效的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50017-2017 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) [S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2017.

[2] 中國(guó)鐵塔股份有限公司.Q/ZTT1002-2017 通信鐵塔標(biāo)準(zhǔn)圖集V1.3 [S].2017.

[3] 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).GB 50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 [S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[4] 中華人民共和國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部.YD/T5131-2005 移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介：劉志全（1987-），男，滿族，黑龍江哈爾濱人，設(shè)計(jì)員，助理工程師，碩士研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算分析。