通信角鋼塔和錐管塔特性比較

董大勇 穆宇亮

(中鋼集團工程設計研究院有限公司石家莊設計院塔桅分院，河北石家莊 050021)

通信鐵塔是指為移動通信天線提供所需的不同高度、不同安裝環境和其他要求的塔架結構，高度通常在15 m～60 m之間，一般由鋼結構構件建造組裝而成，結構上屬于鋼結構高聳結構，其特點是結構高寬比大、整體剛度小、自振周期長，控制外荷載主要為橫向風荷載，力學上整體屬于懸臂受彎構件。通信鐵塔結構形式主要分為空間桁架類的角鋼塔和懸臂梁類的錐管塔兩大類(近幾年空間桁架類的三管塔應用也逐漸增多，本文僅以桁架類的角鋼塔為例)。空間桁架塔通常采用角鋼通過節點板和螺栓連接而成，國產角鋼絕大部分是直角角鋼，因此角鋼塔大都是四邊形截面，即四邊角鋼塔。單管通信鐵塔(單管塔)是一種較新形式的通信鐵塔，它是由法蘭盤連接的若干段圓截面(或類似圓截面)錐形鋼筒或套筒式連接的若干段多邊形鋼筒而成的通信鐵塔結構形式。目前在實際工程中，四邊形角鋼塔和錐管塔占通信工程地面基站的70%以上。兩種形式的鐵塔因為構造形式不同，其自身特性也有相當的差異。如何在實際建設過程中依據使用要求及其自身特點優選塔形，對于節省用鋼量有重要意義。

1 對比塔形情況

實際工程中，根據使用條件的不同，鐵塔的具體條件也不盡相同，自立鐵塔塔高一般在37 m～52 m之間，平臺數量可能有若干個，基本風壓一般在0.35 kN/m2～1.0 kN/m2之間。本文選取較有代表性的使用條件進行比較，按鐵塔高度47 m，基本風壓0.4 kN/m2，平臺數量兩個，兩種鐵塔外形見圖1，具體技術條件見表1，表2。本文采用SAP2000結構有限元分析軟件對角鋼塔和錐管塔進行了建模分析。

表1 角鋼塔的技術指標

表2 錐管塔的技術指標

圖1 兩種鐵塔外形

2 鐵塔自振周期及振型對比

鐵塔的自振特性是結構本身的重要特性，在結構的振動分析中，結構的固有頻率和振型是承受動力荷載結構設計中的重要參數，也是結構動力分析的基礎。各階頻率所對應的振型決定了其動力參與系數的大小，也就決定了其對結構動力響應所作貢獻的大小。通過對結構的振型分析，可以明確結構的剛度分布情況，從而得知結構各個部分剛度的強弱。

通過模型計算，其結果見圖2和圖3。

圖2 角鋼塔自振周期

圖3 錐管塔自振周期

由圖2，圖3中可以看到，角鋼塔的基本周期為0.459 s，而錐管塔的基本周期為1.88 s，說明錐管塔的剛度小于角鋼塔，其自身剛度較小。

從其各自前9階的振型可以看到，角鋼塔的前兩階振型為整個塔身的振動，從第3階開始不再為整體的振動而變為局部桿件的振動。錐管塔的振型較為規則，成對的向整體高階振動過渡，因為塔身壁厚滿足規范規定的最小徑厚比要求，計算模型未出現局部振動。

3 鐵塔變形對比

鐵塔的剛度是通訊專業對鐵塔的主要要求指標，塔身在使用過程中過大的擺動會影響信號的傳輸穩定性。移動通信鐵塔對結構位移要求不高，只需要滿足規范規定的高聳結構水平位移限值。如果通信塔上裝設微波天線，兼作微波塔，則對結構位移的要求就要高很多，還必須滿足較為嚴格的方向性等工藝要求。

在實際工程中，主要通過控制風荷載作用下塔頂位移來控制整個塔身的變形，GB 50135-2006高聳結構設計規范規定，高聳結構在以風為主的荷載標準組合下按線性分析的塔頂水平位移限值為塔高的1/75。由模型計算的在相應組合荷載下的位移，角鋼塔塔頂位移為324 mm，為塔高的1/145;錐管塔塔頂位移為561 mm，達到塔高的1/84。由此可見，在相同條件下，角鋼塔的塔頂位移僅為錐管塔的58%，其變形比錐管塔小很多。

4 鐵塔重量對比

鐵塔的用鋼量是衡量經濟性的重要指標。伴隨著通信業的高速增長，包括通信塔在內的電信基礎設施得到了快速的發展。移動通信網絡，尤其是GSM網和3G網絡的建設，極大的促進了通信鐵塔的建設，這種通信塔遍布城鄉，數量驚人。因此，鐵塔用鋼量就成為各大運營商非常重視的經濟指標之一。文中兩種塔形每段塔段的重量見表3和表4，表3，表4中重量僅包含塔身用鋼量。

表3 角鋼塔各塔段重量

表4 錐管塔各塔段重量

由表3，表4中可得，同樣條件下，角鋼塔塔身用鋼量為12.47 t，而錐管塔用鋼量僅為10.85 t，角鋼塔比錐管塔多用1.62 t的鋼材。

5 結語

通過對兩種結構形式鐵塔的分析可以看到，在同樣高度、風壓及平臺數的情況下，角鋼塔的自振周期比錐管塔短，說明其自身剛度大于錐管塔，相應其在風荷載作用下位移也較小，但錐管塔比角鋼塔可以節約14.9%的鋼材。由此，可以得出兩種鐵塔的優選條件，在塔頂位移可以滿足使用要求的情況下，可優先選用錐管塔，可以達到節省用鋼量的目的;而在對于塔身位移有較嚴格要求的情況下，可考慮選用自身剛度較大的角鋼塔。

［1］王肇民.高聳結構設計手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，1995.

［2］沈之容.鋼結構通信塔設計與施工［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［3］王肇民，馬人樂.塔式結構［M］.北京:科學出版社，2004.

［4］GB 50135-2006，高聳結構設計規范［S］.

［5］李 杰，李國強.地震工程學導論［M］.北京:地震出版社，1994.