通信單管塔塔身截面選型研究

呂叢叢 田 靜 趙呂峰

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引言

自5G牌照發放后,截至目前,全球總共部署了超80萬個5G基站,中國5G用戶已超過1.5億。未來兩到三年,中國5G建設發展還將持續上升。5G的高速發展對通信基站塔桅的建設提出前所未有的挑戰,5G基站的建站密度是4G基站的3-6倍,需要建設的5G基站數目空前巨大。通信單管塔在基站建設中應用極為廣泛,所以迫切需要對單管塔的建設進行降本增效,常用的方法是建設高強鋼通信塔、提高通信塔掛載能力等。對于高聳結構,水平荷載是其主要結構設計依據,其中風荷載起著主導作用。對通信單管塔而言,塔體風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際意義。

1 單管塔風荷載

垂直作用于高聳結構表面單位計算面積上的風荷載標準值應按下式計算:

式中:wk——作用在高聳結構z高度處單位投影面積上的風荷載標準值(k N/m2);

w0——基本風壓(k N/m2),取值不得小于0.35k N/m2;

μz——高度z處的風壓高度變化系數;

μs——風荷載體型系數;

βz——高度z處的風振系數。

由公式(1.1)可以得到,作用在高聳結構z高度處的風荷載取決于基本風壓w0、風壓高度變化系數μz、風荷載體型系數μs和風振系數βz,對于單管塔而言,其風荷載體型系數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荷載。單管塔計算中,通常將單管塔作為懸臂結構來考慮,取《高聳結構設計標準》(GB 50135-2019)不同截面形式的懸臂結構的整體計算體型系數。

2 不同截面形式單管塔軟件計算

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鋼結構設計軟件計算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,塔體參數統一為:假設單管塔地腳法蘭滿足設計要求,塔高18米,分兩段插接,第一段長8.3米,壁厚6mm,第二段長9.7米,壁厚8mm,插接長度0.7米,避雷針均為3米Φ70×4鋼管;單管塔掛載情況統一為:17.5米處掛載3付AAU(重45 kg/付,迎風面0.45 m2/付),14.75米處掛載3付4G天線(重45 kg/付,迎風面0.8 m2/付)和3個RRU(重25 kg/付,迎風面0.17 m2/付)。

所選地區的地面粗糙度B類,基本風壓0.35k N/m2,抗震設防烈度為6度,設計基本地震加速度0.05g,設計地震分組:第一組。根據《高聳結構設計標準》(GB 50135-2019)[1]規定,設防烈度為6度的高聳鋼結構及其地基基礎可不進行抗震驗算。對于承載能力極限狀態,按荷載效應基本組合計算,對于正常使用極限狀態,可變荷載代表值按標準組合取值,分別計算兩種風向(垂直于一邊和沿對角線)下的單管塔,得到基本組合下的塔體應力比和標準組合下的塔頂位移結果。

2.1 等管徑單管塔計算結果及分析 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切圓的直徑。以單管塔頂徑240mm、底徑450mm為例計算六種管截面單管塔,軟件計算結果如表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],不同風向下的塔體抗彎截面抗彎剛度是相等的,所以塔體迎風面積和體型系數的不同導致不同的塔頂位移和塔體應力比。

表2 .2 等管徑單管塔計算表

比較六種管截面單管塔結果,對于正方形截面塔,塔頂最大位移(273.24mm)最小,但是對應的最大應力比(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構性方面最差;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%,且最大應力比高6.8%,因此,在控制材料成本時,宜選用正十六邊形管截面,而在嚴格控制位移時,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力比三方面,圓形截面都較小,截面性能優異。

2.2 等塔重單管塔計算結果及分析 5G基站數目巨大,建設成本的控制必不可少,而耗材是影響成本的最直接因素。對耗材方面研究,在塔重不變的情況下比較截面形式優劣。以圓形管截面為基準,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算結果如表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優于多邊形管截面,而多邊形管截面的截面性能也隨著邊數的增加而明顯提高。

表2 .3 等塔重單管塔計算結果表

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 結論

分析以上結果發現,塔體截面形式直接影響著塔頂位移和塔體應力比,對塔體截面選型建議如下:(1)單管塔優先選用圓形管截面,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勢,缺點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,多邊形管截面優先選用更多邊數的管截面,其截面性能良好,耗材較少,制作工藝簡單;(3)在管徑較小的情況下,為降低塔體頂位移,多邊形管截面優先選用正方形管截面;(4)在管徑較小的情況下,為同時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。