汪正流 湯愛強(qiáng)

中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

中國鐵塔股份有限公司整合了三家基礎(chǔ)電信運(yùn)營商的鐵塔資源，統(tǒng)籌通信鐵塔共建共享，促進(jìn)了全行業(yè)降本增效，有力支撐了我國移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的快速規(guī)模部署。然而，隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，4G、5G 站點(diǎn)大規(guī)模建設(shè)，單座通信鐵塔天線掛載越來越多，多數(shù)鐵塔掛載已遠(yuǎn)超原設(shè)計(jì)掛載。如何有效解決通信鐵塔超設(shè)計(jì)掛載情況下的共享改造，成為當(dāng)務(wù)之急。對常見的通信角鋼塔，若發(fā)生倒塔引起的后果嚴(yán)重，亟需對此類角鋼塔超設(shè)計(jì)掛載情況下的共享改造進(jìn)行分析研究。

理論情況下，在鐵塔超設(shè)計(jì)掛載時(shí)可對鐵塔進(jìn)行局部加固，使其滿足共享改造的安全設(shè)計(jì)要求。常規(guī)格構(gòu)式塔的加固思路，有研究提出：對于輕型塔，塔面格構(gòu)形式簡單，適合采用增加雙拼角鋼方法加固構(gòu)件；對于中型塔，主材適合采用“十字形”雙拼角鋼加固，斜材適合增加輔助材加固。有研究提出了增設(shè)角鋼以加固主材的鐵塔結(jié)構(gòu)加固方案。還有研究以單根主材為研究對象，應(yīng)用十字形夾具式主材加固方法，研究夾具數(shù)量、夾具間距、副主材長度、螺栓預(yù)緊力和摩擦系數(shù)等參數(shù)對主材極限承載力的影響規(guī)律。

這些研究為通信角鋼塔的加固設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)思路，但通常缺乏實(shí)操可行性。一般情況下，角鋼塔采用變坡形式、整體設(shè)計(jì)，塔身各主要構(gòu)件應(yīng)力比大致相當(dāng)，超設(shè)計(jì)掛載情況下，塔身多處構(gòu)件設(shè)計(jì)超限，需同時(shí)對多處構(gòu)件進(jìn)行加固，使得加固成本過大，且塔身構(gòu)件開孔、安裝構(gòu)件等操作難度大，此類加固實(shí)際應(yīng)用效果差。此外，增加加固構(gòu)件的加固方案增大了塔身迎風(fēng)面積，加重了鐵塔基礎(chǔ)負(fù)擔(dān)，塔身加固后尚需考慮對鐵塔基礎(chǔ)進(jìn)行加固。

在通信角鋼塔超設(shè)計(jì)掛載情況下，基于鐵塔塔身及鐵塔基礎(chǔ)整體設(shè)計(jì)的前提，擬研究采用降低塔身荷載的方式，如拆除天線平臺(tái)、拆除塔身構(gòu)件以降低塔高，以期增加鐵塔天線掛載能力，在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下，以最小的建設(shè)成本實(shí)現(xiàn)建設(shè)需求。

1 某40 米角鋼塔計(jì)算分析

結(jié)合工作經(jīng)歷，本研究特選取設(shè)計(jì)風(fēng)壓為0.55 kPa 的某40 米角鋼塔進(jìn)行分析。其單線圖及塔身主要參數(shù)如圖1 所示。

圖1 某40 米角鋼塔單線圖及塔身主要參數(shù)

該塔設(shè)計(jì)風(fēng)壓為0.55 kPa，場地設(shè)計(jì)類別為B 類，設(shè)計(jì)使用場地為一般平地面。鐵塔設(shè)計(jì)掛載按每層平臺(tái)掛載3 副通信天線，每副通信天線（含RRU）擋風(fēng)面積取0.8m2。在現(xiàn)行規(guī)范下，采用3D3S 軟件對角鋼塔建模及計(jì)算分析，計(jì)算荷載考慮恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載，不考慮地震荷載、裹冰荷載的影響。計(jì)算得：鐵塔最大自振周期為0.6208 s；塔頂最大位移229.2 mm；塔身構(gòu)件應(yīng)力比云圖如圖2 所示，在原設(shè)計(jì)掛載情況下，塔身構(gòu)件最大應(yīng)力比達(dá)到0.986，幾乎無掛載余量；鐵塔整體傾覆彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為3081 kN·m。

圖2 原設(shè)計(jì)掛載下角鋼塔塔身構(gòu)件應(yīng)力比云圖

實(shí)際工程中，多數(shù)存量角鋼塔通信天線掛載過多，達(dá)8-10套天線系統(tǒng)?；趯?shí)際情況，本40 米角鋼塔設(shè)定超掛載方案按每層平臺(tái)掛載9 副天線，每副天線（含RRU）擋風(fēng)面積取0.8 m2。在設(shè)定超掛載情況下，40 米角鋼塔主要計(jì)算結(jié)果如表1 所示。塔身構(gòu)件應(yīng)力比云圖如圖3 所示。

表1 設(shè)定超掛載下40 米角鋼塔主要計(jì)算結(jié)果

基于此，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步分析闡述：

（1）塔頂最大位移

對角鋼塔而言，塔頂最大位移不是其控制因素，設(shè)定超掛載情況下，塔頂最大位移為292.3 mm，遠(yuǎn)小于533.3 mm 的鐵塔塔頂位移限值，后續(xù)計(jì)算分析中將不再討論超掛載對鐵塔位移的影響。

（2）最大自振周期

相較原鐵塔設(shè)計(jì)，因設(shè)定超掛載增加了天線抱桿及通信天線重量，鐵塔自振周期由0.6208 s 增大至0.7169 s，鐵塔最大自振周期的變化直接影響了風(fēng)振系數(shù)，進(jìn)而影響計(jì)算風(fēng)荷載值，對塔身構(gòu)件應(yīng)力及鐵塔整體傾覆彎矩均存在一定影響?；诖耍O(shè)計(jì)掛載計(jì)算時(shí)，將鐵塔最大自振周期由0.6208s直接調(diào)整為0.7169s（通過調(diào)整通信天線重量進(jìn)行調(diào)節(jié)），其余參數(shù)保持不變，計(jì)算得：鐵塔整體傾覆彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為3122kN·m，較3081kN·m 增大了1.35%；塔身構(gòu)件最大應(yīng)力比由0.986 增大到1.008，增幅為2.23%，二者增幅極其有限?；谝陨蠑?shù)據(jù)，計(jì)算時(shí)忽略因增加通信天線掛載的重量引起的鐵塔自振周期的增大對鐵塔塔身及基礎(chǔ)安全的影響。

（3）最大應(yīng)力比及傾覆彎矩

設(shè)定超掛載情況下，最直觀的影響是塔身構(gòu)件最大應(yīng)力比及鐵塔整體傾覆彎矩。根據(jù)本文研究者多年工作經(jīng)驗(yàn)，多數(shù)存量塔原始設(shè)計(jì)資料缺失，在鐵塔共享改造時(shí)，多數(shù)設(shè)計(jì)人員往往僅通過建設(shè)單位提供的鐵塔檢測報(bào)告對鐵塔安全性進(jìn)行評估，因無法獲取鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)資料而忽視了鐵塔基礎(chǔ)的安全性。40 米角鋼塔在設(shè)定超掛載情況下，塔身構(gòu)件最大應(yīng)力比由0.986 增大到了1.297，通過圖3 可知塔身多處構(gòu)件應(yīng)力比超限，即使不計(jì)成本地通過加固塔身構(gòu)件保證鐵塔塔體的安全性，但由于超掛載情況下鐵塔整體傾覆彎矩較原設(shè)計(jì)提高了21.4%（此處尚未計(jì)入因加固導(dǎo)致的塔身增加的荷載），鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)安全難以保證。

圖3 設(shè)定超掛載下角鋼塔塔身構(gòu)件應(yīng)力比云圖

通過上述分析可知，在原設(shè)計(jì)資料缺失的情況下，鐵塔共享改造時(shí)，不能忽視鐵塔基礎(chǔ)的安全性，建議首選等荷載替換的方式。下述將對鐵塔平臺(tái)、掛載通信天線、塔身（含爬梯饋線）這幾種荷載作用分開闡述，分別計(jì)算這幾種荷載作用對鐵塔整體傾覆彎矩的貢獻(xiàn)度，以便在等荷載替換時(shí)可快速有效選擇方案。

2 改造方案及計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算分析，40 米角鋼塔設(shè)計(jì)掛載、設(shè)定超掛載時(shí)，塔身、鐵塔平臺(tái)、通信天線引起的傾覆彎矩值、總傾覆彎矩值如表2 所示。

表2 應(yīng)急倒閘時(shí)間對比數(shù)據(jù)表

表2 兩種掛載情況下各分項(xiàng)引起的彎矩值（kN·m）

注：依據(jù)《移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》YDT 5131-2019，單層鐵塔平臺(tái)安裝3 副天線時(shí)，天線擋風(fēng)面積折減系數(shù)取0.85；單層鐵塔平臺(tái)安裝6 副天線時(shí)，天線擋風(fēng)面積折減系數(shù)取0.75；單層鐵塔平臺(tái)安裝9 副天線時(shí)，天線擋風(fēng)面積折減系數(shù)取0.7。

原設(shè)計(jì)掛載時(shí)，塔身引起的傾覆彎矩占總傾覆彎矩的75.9%，塔身起主要控制作用；3 層鐵塔平臺(tái)引起的傾覆彎矩僅占總傾覆彎矩的10.7%；3 層共計(jì)9 副通信天線引起的傾覆彎矩占13.4%，略高于鐵塔平臺(tái)引起的傾覆彎矩。

天線超掛較少時(shí)，可采用拆除鐵塔平臺(tái)的方案：拆除單層平臺(tái)，單層3 副通信天線增設(shè)至6 副，天線擋風(fēng)面積折減系數(shù)由0.85 調(diào)整至0.75，設(shè)計(jì)由單層3 副通信天線共2.4m2調(diào)整至單層6 副共4.5m2，不影響鐵塔塔身及基礎(chǔ)的安全性。

若通信天線超掛過多，按上述設(shè)定的單層9 副通信天線的超掛載計(jì)算時(shí)，3 層鐵塔平臺(tái)均拆除后，鐵塔總傾覆彎矩仍達(dá)到3406kN·m，比原設(shè)計(jì)掛載時(shí)的鐵塔傾覆彎矩大10.5%，表明僅通過拆除鐵塔平臺(tái)已無法滿足天線掛載要求。此時(shí)，需綜合考慮解決方案，如降低塔高、降低天線掛載高度。綜合考量實(shí)際情況，拆除塔頂段5米高度，將鐵塔總高降低至35米，拆除第一、第二層鐵塔平臺(tái)（仍保留第三層平臺(tái)，便于施工維護(hù)），仍按3 層通信天線（每層掛載9 副通信天線）考慮，第1、2 層通信天線掛高分別為34 米、31 米，第三層通信天線仍掛于第三層平臺(tái)上。此時(shí)，各分項(xiàng)引起的彎矩值如表3 所示，塔身構(gòu)件應(yīng)力比云圖如圖4 所示。

圖4 拆平臺(tái)將塔高超掛載下塔身構(gòu)件應(yīng)力比云圖

表3 拆平臺(tái)、降塔高后各分項(xiàng)引起的彎矩值（kN·m）

將塔高降低至35 米后，仍保留了一層鐵塔平臺(tái)便于后期維護(hù)操作，第1、2 層的通信天線掛載高度略有降低，一般情況下仍可滿足覆蓋要求。在設(shè)定超掛載情況下，塔身構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.875、鐵塔總傾覆彎矩僅為原設(shè)計(jì)傾覆彎矩的94.7%，說明鐵塔掛載尚存一定安全余量。在基本不影響通信天線掛載使用的前提下，保證了鐵塔塔身及基礎(chǔ)的安全，且后續(xù)仍可繼續(xù)共享改造。

3 結(jié)束語

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，通過塔身、鐵塔平臺(tái)、通信天線引起的傾覆彎矩計(jì)算值對比分析，得出相關(guān)結(jié)論：（1）鐵塔上加設(shè)通信天線等設(shè)備時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鐵塔最大自振周期增大，但鐵塔總傾覆彎矩及塔身構(gòu)件應(yīng)力的增大極其有限，可以忽略因鐵塔自振周期增大對鐵塔安全性的影響；（2）鐵塔平臺(tái)引起的傾覆彎矩相對較小，在鐵塔超過原設(shè)計(jì)掛載較少時(shí)，可以拆除鐵塔平臺(tái)，直接在塔身加掛通信天線，拆除一層鐵塔平臺(tái)后可在對應(yīng)位置加掛3 副常規(guī)通信天線；（3）鐵塔超過原設(shè)計(jì)掛載過多時(shí)，僅通過拆除鐵塔平臺(tái)無法保證鐵塔的安全性，通過有效措施降低塔高，在基本不影響通信天線掛載使用的情況下，仍可保證鐵塔安全。