廣播電視塔新型鋼走梯的設(shè)計與分析

馬思明，崔廣龍，朱悅，邱暉

（中廣電廣播電影電視設(shè)計研究院，北京100045）

1 引言

廣播電視塔主要用于無線信號的傳輸發(fā)射。為方便塔上設(shè)備安裝、檢修，會在塔的中部設(shè)置鋼爬梯或鋼走梯。鋼走梯的強度高、整體剛度好【1】，比鋼爬梯更便于人員攀登。隨著廣播電視塔地標功能越來越突出，鋼走梯也逐漸取代鋼爬梯，成為廣播電視塔豎向交通的主要方式。

本文依托于某廣播電視塔項目，設(shè)計了一種新型鋼走梯，并從布置、構(gòu)造角度進行介紹，通過有限元軟件Midas 分析了新型鋼走梯在安全性及動力特性等方面的特點，論證了新型走梯的設(shè)計是合理的。

2 結(jié)構(gòu)布置及構(gòu)造

2.1 結(jié)構(gòu)布置

圖1 所示為整體結(jié)構(gòu)布置，陰影部分為中心井架。塔身中部設(shè)置中心井架，并依附于井架設(shè)置鋼走梯。每隔一定距離，中心井架和外塔架需采用水平構(gòu)件相連，以將中心井架水平荷載傳遞給外塔架。

圖1 廣播電視塔新型鋼走梯整體結(jié)構(gòu)布置示意圖

傳統(tǒng)鋼走梯一般由沿中心井架懸挑設(shè)置走梯，梯段呈盤旋上升狀。傳統(tǒng)走梯的缺點如下：

1）梯段設(shè)置在中心井架外部，不利于裝飾結(jié)構(gòu)布置；

2）在與外塔架相連的位置，只能滿足3 個中心井架柱與外塔架相連；

3）工作人員在井架外部行走，心理上有不安全感。

考慮到傳統(tǒng)鋼走梯的缺點，本項目設(shè)計了新型鋼走梯。將梯段設(shè)置在中心井架內(nèi)部，保證了圍護結(jié)構(gòu)連續(xù)完整，提升廣播電視塔整體外觀，人員行走時安全感更好。

2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

新型鋼走梯主面、剖面布置如圖2 所示。利用外圍橫桿分別設(shè)置2 根次梁，并與外圍橫桿圍成休息平臺。在不影響人行走的設(shè)置水平支撐，提高平面水平剛度。在上、下層次梁之間設(shè)置梯梁，以設(shè)置踏步。

3 方案可靠性分析

可靠性分析從以下2 個方面——安全性和使用性進行分析，前者體現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件在承載能力極限狀態(tài)下的強度和穩(wěn)定性【2】，后者主要從結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)下加以分析。

3.1 結(jié)構(gòu)安全性分析

采用Midas 建立整體模型進行有限元計算，施加走梯活荷載、恒荷載以及風(fēng)荷載等。在荷載基本組合下，中心井架的應(yīng)力比分布如圖3 所示。

從圖3 中可見，構(gòu)件應(yīng)力比最大值在中心井架底部柱子，4 根塔柱承擔(dān)井架全部豎向荷載，故塔柱應(yīng)力比最大。從以上結(jié)果看出，中心井架和走梯相應(yīng)構(gòu)件應(yīng)力比均小于1，滿足要求。

圖3 中心井架應(yīng)力比分布云圖

3.2 使用性分析

在荷載標準組合下，平面布置中最長次梁的撓度為0.002mm，撓度跨度比為1/2 000，遠遠低于規(guī)范要求限值。可見，構(gòu)件的抗彎剛度較強，使用性良好。

3.3 對比分析

為了分析新型走梯的結(jié)構(gòu)特性，與傳統(tǒng)走梯進行對比分析，僅建立局部模型。模型高度5m，包含4 跑梯段。中心井架的構(gòu)件規(guī)格和梯段相應(yīng)構(gòu)件規(guī)格均一致。新型走梯中心井架寬4m，傳統(tǒng)走梯中心井架寬2m，走梯凈寬均為800mm。

1）模態(tài)分析：新型走梯模型中次要構(gòu)件較多，結(jié)構(gòu)模態(tài)分析時，很容易激勵出局部振動【3】。本次分析僅考察結(jié)構(gòu)的主要陣型，模態(tài)分析見表1。

表1 模態(tài)分析

表1 中新型走梯前三階陣型分別為X向平動、Y向平動、Z向扭轉(zhuǎn)（扭轉(zhuǎn)因子為0.998，大于0.5）；傳統(tǒng)走梯前三階陣型分別為Z向扭轉(zhuǎn)（扭轉(zhuǎn)因子為0.614，大于0.5）、X向平動、Y向平動。新型走梯前兩階振型均為平動陣型，扭轉(zhuǎn)周期比為0.72；傳統(tǒng)走梯的第一階陣型為扭轉(zhuǎn)陣型，第二、三陣型為平動陣型。可見，傳統(tǒng)走梯結(jié)構(gòu)抗扭剛度較低，且不符合規(guī)范要求。另外，新型走梯的平動周期小于傳統(tǒng)走梯，表明新型走梯的抗側(cè)剛度優(yōu)于傳統(tǒng)走梯。

實際上，中心井架并非獨立工作，所以，以上參數(shù)僅供對比分析使用。

2）結(jié)構(gòu)剛度：在模型頂部施加單位水平力，并對比2 個結(jié)構(gòu)頂部位移，位移如圖4 所示。從圖4 中可見，新型走梯側(cè)向剛度優(yōu)于傳統(tǒng)走梯，側(cè)向剛度約為傳統(tǒng)走梯的2 倍。新型走梯中心井架寬度較大，所提供的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度更大，更利于結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定。

圖4 兩個走梯位移云圖

3.4 施工可行性分析

新型走梯的所有構(gòu)件均采用工廠預(yù)制，現(xiàn)場螺栓拼接連接。構(gòu)件長度均能控制在9m 以內(nèi)，便于運輸。走梯梁和踏步可采用工廠焊接后安裝，也可以預(yù)鉆孔，現(xiàn)場螺栓安裝，安裝方式靈活，施工周期短。構(gòu)件重量輕，易于吊裝。新型走梯具有很好的施工可行性。

4 結(jié)語

通過對鋼結(jié)構(gòu)電視塔鋼走梯的設(shè)計，從結(jié)構(gòu)可靠性、使用性分析了新型走梯的特點，并從結(jié)構(gòu)特性方面與傳統(tǒng)走梯對比。分析結(jié)果表明，新型走梯的構(gòu)造設(shè)計是合理的，也是安全舒適的。其特點總結(jié)如下：

1）外觀美觀，外部連續(xù)完整，便于維護結(jié)構(gòu)安裝，裝飾效果好；

2）結(jié)構(gòu)安全，抗扭剛度和側(cè)向剛度較傳統(tǒng)走梯更好，便于中心井架和外塔架的水平梁的連接，傳力效果更好；

3）構(gòu)造合理，主次梁構(gòu)造清晰，傳力路徑明確；

4）施工方便，無復(fù)雜節(jié)點連接，易于運輸、安裝、施工和維護。

綜上所述，新型走梯在廣播電視塔中有較高的推廣價值。