［安雪峰］

1 引言

隨著5G 改造建設(shè)的深入推進(jìn)，大量新增5G 設(shè)備是在存量桿塔上實(shí)現(xiàn)，但存量桿塔上往往已經(jīng)存在4G/3G，甚至2G，而且我國已實(shí)現(xiàn)了通信的資源整合，同一桿塔一般為多家運(yùn)營商共享，如移動(dòng)、電信、聯(lián)通、廣電等，導(dǎo)致通信桿塔往往是滿荷載運(yùn)行，存量站點(diǎn)因桿體檢測不通過導(dǎo)致無法升級改造的問題日益嚴(yán)重。如果無法進(jìn)行原站改造，則需要在旁邊重新新建桿塔以滿足運(yùn)營商的需求，造成重復(fù)建設(shè)，資源浪費(fèi)；采用傳統(tǒng)的桿體加固方案要么造價(jià)高，要么占地面積大，無法很好的滿足改造建設(shè)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(dāng)前5G 改造建設(shè)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(bào)告分析整理，存在問題有：（1）原存量桿塔新增設(shè)備后其塔身應(yīng)力比超限；（2）原存量桿塔新增設(shè)備后其桿頂位移超限；（3）原存量桿塔新增設(shè)備后其地腳螺栓抗拉應(yīng)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(jìn)行分類，可以劃分為三類：第一類分為通信設(shè)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(shè)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(diào)性；場地受限，無法施工；行政主管部門報(bào)批難；造價(jià)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(shí)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(gè)問題，我們聯(lián)系了黑龍江大學(xué)負(fù)責(zé)新材料研究的教授，一同探討解決方案。通過實(shí)驗(yàn)，我們最終決定采用粘結(jié)方式，將復(fù)合材料與原鋼結(jié)構(gòu)連接的“組合塔”加固修復(fù)技術(shù)。如圖2 所示，該技術(shù)相較于傳統(tǒng)的加固修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)的方法，具有較大的優(yōu)勢。這主要得益于復(fù)合材料的以下幾方面的特點(diǎn)：

圖2 新型材料加固方案

（1）復(fù)合材料具有極好的抗酸堿腐蝕能力。采用復(fù)合材料加固鋼構(gòu)件后，對原結(jié)構(gòu)自然形成腐蝕防護(hù)，降到了后期維護(hù)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(fù)合材料加固鋼結(jié)構(gòu)等構(gòu)件后，幾乎不增加原結(jié)構(gòu)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(yīng)變可達(dá)到1～2%，玻璃纖維和芳綸纖維片材的應(yīng)變可達(dá)到2.5～3.5%）；

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）的抗拉強(qiáng)度是鋼的2～10倍，是一種被廣泛應(yīng)用的新型高性能材料，粘貼FRP 對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，原結(jié)構(gòu)承擔(dān)的部分荷載通過粘結(jié)膠層傳遞給FRP，從而降低了原結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，起到加固修復(fù)的效果（加固方法如圖3、圖4、圖5 所示）。采用新材料FRP 進(jìn)行加固桿體方案，具有不產(chǎn)生次生應(yīng)力和缺陷、耐久性好、施工方便、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。通過“組合塔”方式，既不破壞城市景觀協(xié)調(diào)性，又不增加環(huán)境安全隱患，不占地、不占道，易實(shí)施。

圖3 復(fù)合材料加固方式一

圖4 復(fù)合材料加固方式二

圖5 復(fù)合材料加固方式三

3.1 新型材料加固方案試驗(yàn)

為驗(yàn)證新型復(fù)合材料加固桿塔方案的性能，在實(shí)驗(yàn)中心建立6 個(gè)模型進(jìn)行試驗(yàn)，測試各模型的承載力性能：

試驗(yàn)一：原鐵塔承載力試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)一數(shù)據(jù)

試驗(yàn)二：原鐵塔+復(fù)合材料附加塔（豎向）承載力試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如圖7 所示。

圖7 試驗(yàn)二數(shù)據(jù)

試驗(yàn)三：原鐵塔+復(fù)合材料附加塔（環(huán)向纏繞）承載力試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如圖8 所示。

圖8 試驗(yàn)三數(shù)據(jù)

試驗(yàn)四：復(fù)合材料附加塔（片材）承載力試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如圖9 所示。

圖9 試驗(yàn)四數(shù)據(jù)

試驗(yàn)五：原鐵塔+復(fù)合材料片材+復(fù)合材料附加塔（環(huán)向纏繞）承載力試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如圖10 所示。

圖10 試驗(yàn)五數(shù)據(jù)

試驗(yàn)六：受損鐵塔局部復(fù)合材料加固承載力試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如圖11 所示。

圖11 試驗(yàn)六數(shù)據(jù)

圖12 承載力對比

圖13 位移曲線

從實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)，鋼材的承載力提升了15.4%，部分纏繞粘貼加固進(jìn)也有7.7%的提升，當(dāng)使用纖維布及復(fù)合材料板材時(shí)，鋼材承載力大幅提升了184%。試驗(yàn)結(jié)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(yàn)方案，可有效確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性、可靠性。Abaqus 有限元模型：采用solid 單元建立4 個(gè)鐵塔段和一個(gè)40 m 長的復(fù)合材料塔，網(wǎng)格大小劃分為100 mm，單元類型為C3D8R。鐵塔底端固定，限制三個(gè)方向的位移和轉(zhuǎn)角，在塔頂端施加集中荷載，模擬復(fù)合材料塔加固鐵塔，如圖14 所示。

圖14 Abaqus 精細(xì)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(jié)果如表1 所示，通過有限元分析，使用復(fù)合材料加固方案，可有效提高鐵塔的強(qiáng)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(diǎn)

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(jìn)行桿體加固試點(diǎn)的過程中，我們選取了4 個(gè)常用塔型的站點(diǎn)，進(jìn)行了桿體加固試點(diǎn)，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(diǎn)情況如下：

（1）49 號小區(qū)：塔高20 m，單管塔，風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(hù)等環(huán)節(jié)。其中，表面處理是確保施工質(zhì)量的關(guān)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(jié)強(qiáng)度。找平施工則是保證施工平整度的重要步驟，需要根據(jù)桿體的形狀和大小，制備相應(yīng)的找平材料，并在找平材料干燥后，進(jìn)行下一步的施工。

總的來說，惠州鐵塔的桿體加固試點(diǎn)取得了一定的成果，為新材料在桿體加固領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有益的經(jīng)驗(yàn)和借鑒。未來，我們將進(jìn)一步擴(kuò)大試點(diǎn)范圍，探索更加高效、實(shí)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(jìn)行檢測。經(jīng)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(nèi)，塔桅結(jié)構(gòu)處于安全運(yùn)營狀態(tài)，滿足新增設(shè)備架設(shè)需求。

通過現(xiàn)場實(shí)施對試點(diǎn)站進(jìn)行了桿體加固，在原有鐵塔外層通過高性能樹脂和高強(qiáng)度纖維制作新型復(fù)合材料外層塔，從而使加固后的鐵塔形成鋼材+復(fù)合材料兩者結(jié)合的組合塔。經(jīng)過近半年的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，新型復(fù)合材料加固方案可提高桿體強(qiáng)度和剛度幅度大于30%。與目前采用的加固技術(shù)相比，可縮短施工周期大于40%,且減少投資費(fèi)用大于30%。通過使用新材料進(jìn)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(shí)施所遇到的問題。

從4 個(gè)站點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)檢測報(bào)告看，新型復(fù)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(shí)現(xiàn)了低造價(jià)、高效率，滿足了運(yùn)營商的需求。經(jīng)過初步試驗(yàn)證明，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）整站新型復(fù)合材料重量小，設(shè)備運(yùn)輸和人工搬運(yùn)方便，增加荷載小，對基礎(chǔ)基本沒有影響。

（2）新型復(fù)合材料防腐、耐濕熱、耐酸、耐堿、耐紫外線照射能力強(qiáng)，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(hù)工作。

（3）新型復(fù)合材料加固后，桿塔強(qiáng)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(fù)合材料加固桿塔造價(jià)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(shè)成本，降低造價(jià)。

（5）新型復(fù)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(yù)期成效

直接效益：采用新型復(fù)合材料解決方案，可以根據(jù)不同塔型快速、精準(zhǔn)地提出加固方案，顯著提高塔桅結(jié)構(gòu)的承載能力，延長其使用壽命，滿足在原結(jié)構(gòu)上安裝5G 天線的要求。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化程度高，方便推廣應(yīng)用。加固原有結(jié)構(gòu)與新建鐵塔相比，每個(gè)基站降低建設(shè)成本約10～30 萬元。

間接效益：采用新型復(fù)合材料解決方案，不但增加了原結(jié)構(gòu)的承載能力，同時(shí)提高其應(yīng)對極端環(huán)境的抗災(zāi)能力，減少塔桅結(jié)構(gòu)倒塌事件的發(fā)生，有效避免財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。

社會(huì)效益：一是加快5G 建設(shè)速度，可有效刺激社會(huì)需求，拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長；二是利用原結(jié)構(gòu)改造利用，可大幅降低建筑能耗，促進(jìn)低碳發(fā)展；三是可有效促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，減少鋼材使用量；四是可有力促進(jìn)新型加固技術(shù)的發(fā)展，提升原有塔桅結(jié)構(gòu)利用率；五是可有效緩解社會(huì)矛盾，促進(jìn)城市改造。

6 結(jié)語

通過新型桿體加固方法的探討以及試點(diǎn)實(shí)踐，并經(jīng)近半年的初步驗(yàn)證，其達(dá)到了初步的預(yù)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(hù)部門做進(jìn)一步的跟蹤，關(guān)注桿體的相關(guān)指標(biāo)是否正常。