美化圍欄單管通信鐵塔結(jié)構(gòu)基本自振周期分析

崔力學(xué)

(中鋼集團(tuán)工程設(shè)計研究院有限公司石家莊設(shè)計院，河北石家莊 050021)

隨著社會的發(fā)展和人們對生活環(huán)境要求的提高，移動通信鐵塔作為公共環(huán)境的一部分，必然要向外形多樣美觀、同周圍環(huán)境協(xié)調(diào)方向發(fā)展，研究和設(shè)計與環(huán)境協(xié)調(diào)的基站設(shè)計方案，美化已經(jīng)成為一個方向，如樓頂裝飾塔、美化燈桿、美化燈盤、加裝彩帶彩環(huán)，都越來越多的應(yīng)用到實(shí)際工程中，也讓塔架成為城市的一道靚麗風(fēng)景。

正是在這種要求下，普通的單管塔逐漸去掉笨重的平臺，并將天線隱藏在美化圍欄中，無論從美觀方面，還是實(shí)用方面，美化圍欄單管塔正逐漸替代傳統(tǒng)的單管塔而成為一種通信鐵塔的重要形式，其典型外觀見圖1。

美化圍欄單管塔是一種外形新穎的通信鐵塔。它是由多段錐形鋼筒連接而成，而上部的傳統(tǒng)的平臺則代以各式各樣的輕質(zhì)美化圍欄罩，在起到美化效果的同時，也充當(dāng)施工時的圍護(hù)構(gòu)件。與傳統(tǒng)的單管塔相比較，美化圍欄單管塔具有附屬構(gòu)件重量輕，外觀造型美觀多變等優(yōu)點(diǎn)。

而對于美化圍欄單管塔，由于其構(gòu)造、質(zhì)量分布等的變化，現(xiàn)階段對于這種新型的通信鐵塔形式的研究還存在許多空白。在進(jìn)行鐵塔自身動力特性分析時，通常采用廣泛應(yīng)用的振型分解反應(yīng)譜法計算地震作用，而結(jié)構(gòu)自身的固有頻率和振型是抗震及風(fēng)荷載計算過程中的重要參數(shù)，同時是結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析的重要部分。自振頻率和振型是結(jié)構(gòu)自身的重要特性，由它可以反映結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度的匹配情況。

圖1 美化圍欄單管通信鐵塔

與傳統(tǒng)單管塔相比較，美化圍欄單管塔的圍欄多為輕質(zhì)的玻璃鋼條;直徑更小、沒有平臺護(hù)欄，上部重量減輕。與此同時，因?yàn)閲鷻诘膿躏L(fēng)面積較傳統(tǒng)的平臺大，導(dǎo)致塔身用鋼量相對增大，塔身重量增大。這樣的變化就改變了鐵塔的自振特性。也同時改變了在進(jìn)行荷載計算時的參數(shù)計算，若此時仍采用傳統(tǒng)單管塔計算參數(shù)，計算結(jié)果難免出現(xiàn)偏差?；谶@種情況，就需要先以有限元軟件模擬計算各種該類結(jié)構(gòu)的動力特性，并在有條件時進(jìn)行一定數(shù)量的實(shí)際觀測對比和總結(jié)，這對于正確計算此類鐵塔的地震響應(yīng)和自振特性有著重要的意義。

1 對美化圍欄單管塔模型的計算參數(shù)選擇和計算

一般地，常用美化圍欄單管塔的天線掛高在35 m～70 m之間，通常第一層天線安裝在距塔頂2 m處，所以鐵塔高度一般在37 m～72 m之間。出于經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)輸方面的考慮，較低高度的塔架一般采用其他簡易塔架形式，以達(dá)到節(jié)省成本及方便運(yùn)輸?shù)哪康?對于高度大于70 m的通信鐵塔，因?yàn)橐刂扑數(shù)奈灰疲捎迷擃悊喂芩挠娩摿繉⒋蟠笤龆?，成本急劇增加，所以一般采用角鋼塔等其他形式的塔架結(jié)構(gòu)。

對美化圍欄單管塔自振特性有顯著影響的另一因素是天線組數(shù)和避雷針的重量。美化圍欄單管塔的避雷針安裝在塔身頂部，保護(hù)天線及塔身防止雷擊破壞傳輸設(shè)備，一般重量在220 kg左右，其構(gòu)造形式相對簡單。而天線組數(shù)的重量隨其數(shù)量而變化，一般一組天線包含3付板狀天線，重量包括抱桿、天線、RRU等，天線支架因構(gòu)造不同，重量一般在180 kg～240 kg之間;一般的板狀天線的重量在25 kg左右。在進(jìn)行有限元模擬計算時，天線支架按每付210 kg，天線重量按每付25 kg，按一組天線包含3付板狀天線計算，每層天支可包含兩組天線，每層天線合計重量360 kg。

傳統(tǒng)的單管塔一般由一個移動運(yùn)營商使用，每座鐵塔一般有天線兩層。但隨著共建共享基站的日益增多，多家運(yùn)營商共享一座鐵塔的情況越來越多，多層數(shù)天線的美化圍欄單管塔數(shù)量增加很快，因?yàn)樵黾拥奶炀€層數(shù)加重了鐵塔的重量，而且天線都盡量安裝在高處以利傳播信號，所以天線和圍欄一般都安裝在鐵塔的上部，這樣的使用特點(diǎn)使得其重量的變化對美化圍欄單管塔自振基本周期的影響不容忽視。

在有限元模型建模過程中，假設(shè)距塔頂2 m設(shè)置第一組天線，其余天線組按距上一天線組3 m間距依次向低處設(shè)置，同時，為了比對未設(shè)置天線組的鐵塔的自振特性，建模時分別計算了無天線組和設(shè)置一至四個天線組時相對于不同塔高鐵塔的基本自振周期。

在建模過程中，先結(jié)合各有限元軟件的特點(diǎn)，針對美化圍欄單管塔的基本自振周期計算特性，選定有限元分析軟件ANSYS來進(jìn)行模擬計算。通過對以上鐵塔參數(shù)的分析，本文對無天線組、一組、二組、三組、四組共五種天線組數(shù)和72 m，67 m，62 m，57 m，52 m，47 m，42 m，37 m共八種高度的美化圍欄鐵塔進(jìn)行了逐一計算。計算時，所采用模型頂部直徑為520 mm，底端直徑隨高度不同而呈線性變化，材質(zhì)采用Q235B，塔身直徑由上而下沿高度的增量按15 mm/m增加，各個高度鐵塔各段的鋼筒直徑和厚度等參數(shù)如表1所示。

表1 塔身各標(biāo)高對應(yīng)的直徑和徑厚比

該鋼結(jié)構(gòu)除考慮整體穩(wěn)定以外，還考慮了鐵塔塔身的局部穩(wěn)定。局部穩(wěn)定是為了防止因鋼筒壁厚過薄而發(fā)生塔身局部失穩(wěn)現(xiàn)象。在考慮局部穩(wěn)定時，通過限制塔身鋼筒的直徑厚度比值來滿足，厚度由高向低逐漸增厚，從6 mm增加到底部的14 mm，塔身各段鋼筒的直徑和徑厚比見表1，徑厚比控制在100～115之間，滿足《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的可不折減強(qiáng)度的最大直徑厚度比值要求。

2 有限元模型計算結(jié)果和分析

通過以上近40種類型鐵塔的計算，得到了常用高度和天線組數(shù)美化圍欄單管塔的自振基本周期，詳細(xì)結(jié)果如表2所示。

表2 不同塔高和天線組數(shù)時的基本自振周期 s

從結(jié)果中可以看出，塔身高度在37 m～72 m之間的美化圍欄單管塔，其自振基本周期與塔高和自身重量的變化之間存在著一定的規(guī)律。第一，隨著天線組數(shù)增多，基本自振周期是逐步加長的;第二，雖然隨天線組數(shù)增加時延長了基本自振周期，但是天線組安裝高度是不斷下降的，天線組數(shù)對美化圍欄單管塔周期的影響權(quán)重是不斷下降的;第三，鐵塔高度越高，自振基本周期是呈線性增長關(guān)系加長的。這樣的結(jié)果是基本符合結(jié)構(gòu)動力學(xué)規(guī)律的。

3 結(jié)語

在日常的設(shè)計工作中進(jìn)行鐵塔自身動力特征分析和風(fēng)荷載計算時，對于美化圍欄單管塔來說，風(fēng)荷載是該類結(jié)構(gòu)的控制荷載，準(zhǔn)確的確定結(jié)構(gòu)基本自振周期對于正確確定風(fēng)荷載是至關(guān)重要的，本文通過對典型結(jié)構(gòu)的分析，利用有限元計算軟件ANSYS對該類結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，對于常用塔高和天線組數(shù)的美化圍欄單管塔的自振基本周期，并從中總結(jié)出一定規(guī)律。為美化圍欄單管塔更準(zhǔn)確的動力特征分析、更快捷地估算自振基本周期做了有益的探討。同時，本文的結(jié)論也可作為實(shí)際工程設(shè)計中準(zhǔn)確地計算風(fēng)荷載的有益參考。

［1］GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［2］GB 50135-2006，高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］GB 50017-2012，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］沈之榮，倪 陽，徐華剛.鋼結(jié)構(gòu)單管通信塔自振基本周期的研究［J］.特種結(jié)構(gòu)，2008，25(2):27-28.

［5］朱彥鵬，穆宇亮.輻射式張弦桁架結(jié)構(gòu)的自振特性分析［J］.四川建筑科學(xué)研究，2009，35(1):55-58.