呂叢叢 田 靜 趙呂峰

1.廣州杰賽科技股份有限公司 廣東 廣州 510000

2.中國(guó)鐵塔股份有限公司西安市分公司 陜西 西安 710000

引言

自5G牌照發(fā)放后,截至目前,全球總共部署了超80萬個(gè)5G基站,中國(guó)5G用戶已超過1.5億。未來兩到三年,中國(guó)5G建設(shè)發(fā)展還將持續(xù)上升。5G的高速發(fā)展對(duì)通信基站塔桅的建設(shè)提出前所未有的挑戰(zhàn),5G基站的建站密度是4G基站的3-6倍,需要建設(shè)的5G基站數(shù)目空前巨大。通信單管塔在基站建設(shè)中應(yīng)用極為廣泛,所以迫切需要對(duì)單管塔的建設(shè)進(jìn)行降本增效,常用的方法是建設(shè)高強(qiáng)鋼通信塔、提高通信塔掛載能力等。對(duì)于高聳結(jié)構(gòu),水平荷載是其主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù),其中風(fēng)荷載起著主導(dǎo)作用。對(duì)通信單管塔而言,塔體風(fēng)荷載的大小主要取決于管徑大小和塔體截面形式,而塔體強(qiáng)度則主要卻決于塔體材料和塔體截面抗彎剛度,因此單管塔塔身截面形式直接影響著單管塔的承載能力和材料利用率,塔身截面選型的研究具有重要實(shí)際意義。

1 單管塔風(fēng)荷載

垂直作用于高聳結(jié)構(gòu)表面單位計(jì)算面積上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下式計(jì)算:

式中:wk——作用在高聳結(jié)構(gòu)z高度處單位投影面積上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(k N/m2);

w0——基本風(fēng)壓(k N/m2),取值不得小于0.35k N/m2;

μz——高度z處的風(fēng)壓高度變化系數(shù);

μs——風(fēng)荷載體型系數(shù);

βz——高度z處的風(fēng)振系數(shù)。

由公式(1.1)可以得到,作用在高聳結(jié)構(gòu)z高度處的風(fēng)荷載取決于基本風(fēng)壓w0、風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz、風(fēng)荷載體型系數(shù)μs和風(fēng)振系數(shù)βz,對(duì)于單管塔而言,其風(fēng)荷載體型系數(shù)主要取決于塔體截面形式,所以塔體截面形式直接影響著塔體風(fēng)荷載。單管塔計(jì)算中,通常將單管塔作為懸臂結(jié)構(gòu)來考慮,取《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50135-2019)不同截面形式的懸臂結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算體型系數(shù)。

2 不同截面形式單管塔軟件計(jì)算

常用單管塔的截面形式主要包括變截面圓形管截面和變截面正多邊形管截面兩種,常用的變截面正多邊形管截面有正十八邊形、正十六邊形、正十二邊形等,而微站單管塔還包括正八邊形、正六邊形和正方形等。

本文使用3D3S鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算6種不同截面形式(正方形、正六邊形、正八邊形、正十二邊形、正十六邊形和圓形)的單管塔,塔體參數(shù)統(tǒng)一為:假設(shè)單管塔地腳法蘭滿足設(shè)計(jì)要求,塔高18米,分兩段插接,第一段長(zhǎng)8.3米,壁厚6mm,第二段長(zhǎng)9.7米,壁厚8mm,插接長(zhǎng)度0.7米,避雷針均為3米Φ70×4鋼管;單管塔掛載情況統(tǒng)一為:17.5米處掛載3付AAU(重45 kg/付,迎風(fēng)面0.45 m2/付),14.75米處掛載3付4G天線(重45 kg/付,迎風(fēng)面0.8 m2/付)和3個(gè)RRU(重25 kg/付,迎風(fēng)面0.17 m2/付)。

所選地區(qū)的地面粗糙度B類,基本風(fēng)壓0.35k N/m2,抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05g,設(shè)計(jì)地震分組:第一組。根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50135-2019)[1]規(guī)定,設(shè)防烈度為6度的高聳鋼結(jié)構(gòu)及其地基基礎(chǔ)可不進(jìn)行抗震驗(yàn)算。對(duì)于承載能力極限狀態(tài),按荷載效應(yīng)基本組合計(jì)算,對(duì)于正常使用極限狀態(tài),可變荷載代表值按標(biāo)準(zhǔn)組合取值,分別計(jì)算兩種風(fēng)向(垂直于一邊和沿對(duì)角線)下的單管塔,得到基本組合下的塔體應(yīng)力比和標(biāo)準(zhǔn)組合下的塔頂位移結(jié)果。

2.1 等管徑單管塔計(jì)算結(jié)果及分析 此處塔體多邊形管截面的管徑定義為多邊形管截面外邊緣內(nèi)切圓的直徑。以單管塔頂徑240mm、底徑450mm為例計(jì)算六種管截面單管塔,軟件計(jì)算結(jié)果如表2.2所示,由于正多邊形截面的任一形心軸均為其形心主慣性軸[2],不同風(fēng)向下的塔體抗彎截面抗彎剛度是相等的,所以塔體迎風(fēng)面積和體型系數(shù)的不同導(dǎo)致不同的塔頂位移和塔體應(yīng)力比。

表2 .2 等管徑單管塔計(jì)算表

比較六種管截面單管塔結(jié)果,對(duì)于正方形截面塔,塔頂最大位移(273.24mm)最小,但是對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力比(0.467)最大,并且等管徑情況下的塔體重量(1421.89kg)最大,因此正方形管截面在結(jié)構(gòu)性方面最差;比較正六邊形和正八邊形管截面,雖然前者的塔體重量比后者高4.5%,最大應(yīng)力比低0.9%,但是塔頂最大位移低8.0%,因此正六邊形管截面性能比正八邊形優(yōu)異;比較正八邊形、正十二邊形和正十六邊形管截面三者,正十六邊形管截面有最小的塔頂最大位移、最低的最大應(yīng)力比和最小的塔體總重,其截面性能最好;比較正六邊形和正十六邊形管截面,雖然前者的塔頂最大位移低8.0%,但是塔體重量比后者高8.8%,且最大應(yīng)力比高6.8%,因此,在控制材料成本時(shí),宜選用正十六邊形管截面,而在嚴(yán)格控制位移時(shí),宜選用正六邊形管截面;比較正六邊形、正十六邊形和圓形管截面,在塔體總重、塔頂最大位移和塔體最大應(yīng)力比三方面,圓形截面都較小,截面性能優(yōu)異。

2.2 等塔重單管塔計(jì)算結(jié)果及分析 5G基站數(shù)目巨大,建設(shè)成本的控制必不可少,而耗材是影響成本的最直接因素。對(duì)耗材方面研究,在塔重不變的情況下比較截面形式優(yōu)劣。以圓形管截面為基準(zhǔn),控制多邊形管截面的塔體重量與圓形管截面相等,六種管截面單管塔的軟件計(jì)算結(jié)果如表2.3所示。在塔體總重相等的情況下,圓形管截面的截面性能遠(yuǎn)優(yōu)于多邊形管截面,而多邊形管截面的截面性能也隨著邊數(shù)的增加而明顯提高。

表2 .3 等塔重單管塔計(jì)算結(jié)果表

正十六邊形 445.6/235.6 376.927 375.283 0.427 0.433圓形 240.0/450.0 331.862 331.862 0.369 0.369

3 結(jié)論

分析以上結(jié)果發(fā)現(xiàn),塔體截面形式直接影響著塔頂位移和塔體應(yīng)力比,對(duì)塔體截面選型建議如下:(1)單管塔優(yōu)先選用圓形管截面,無論是在提高截面性能、降低耗材成本方面,還是塔體美觀方面都具有明顯優(yōu)勢(shì),缺點(diǎn)是圓形管截面的制作工藝要求較高;(2)在管徑較大的情況下,多邊形管截面優(yōu)先選用更多邊數(shù)的管截面,其截面性能良好,耗材較少,制作工藝簡(jiǎn)單;(3)在管徑較小的情況下,為降低塔體頂位移,多邊形管截面優(yōu)先選用正方形管截面;(4)在管徑較小的情況下,為同時(shí)降低塔頂位移和耗材成本,多邊形管截面可選用正六邊形管截面。