鋁合金材料在通信塔桅中的應用

林 莉 張智凱 郝勇麗

(山西信息規劃設計院有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

近年來通信網絡快速發展，5G時代已經到來。5G 通信網絡建設以共享為根本，需充分利用現有存量站點資源，深入挖掘已有塔桅承載能力，快速滿足新增5G需求。鋁合金材料具有重量輕、強度高、耐腐蝕、不褪色、不氧化等特性，可以替代傳統鋼制構件，在已有塔桅改造中發揮優勢作用。

1 材料簡介

鋁合金是純鋁加入一些合金元素制成的，應用最廣泛的合金元素有銅、鎂、錳、鋅、硅、鐵、鋰等。鋁合金相比純鋁具有更好的物理力學性能：易加工、耐久性高、適用范圍廣、裝飾效果好、花色豐富等。

鋁合金材料目前常用的共有七個系列：1000系列俗稱純鋁，其特點為密度小、導電性能高、強度低，主要用于化學實驗、化學工業等；2000系列是以銅為主要合金元素的鋁合金，硬度高、耐熱性能好，主要用于航天航空、國防工業及民用工具等；3000系列主要合金元素為錳，又稱防銹鋁合金，具有塑性高、焊接性能好、耐腐蝕等特點，主要應用在制造汽車、飛機油箱油管、空調、冰箱、機械部件等領域；4000系列以硅為主要合金元素，特點是低熔點、耐蝕性好、耐磨耐熱，可用作建筑材料和焊接材料等；5000系列主要合金元素為鎂，耐腐性能和焊接性能好、抗拉強度高、延伸率高，主要用于家電、交通運輸設備、裝甲、裝飾件等；6000系列以鎂和硅為主要合金元素，集中了4000系列和5000系列的優點，具有強度高、耐腐蝕性高、焊接性能良好、焊接區域腐蝕性能不變、成形性和工藝性能良好等特點，用于框架、建筑材料、工業鋁型材、散熱器、照相機零件等，是目前應用最廣泛的鋁合金；7000系列以鋅為主，屬于超硬鋁合金，耐磨、硬度高、焊接性能好、加工性和耐腐蝕性良好，常用于制造飛機結構等航天航空工業、焊接構件材料。

目前在通信塔桅中用到的是6000系列的鋁合金材料，以下簡稱6系鋁合金。

2 材料性能

6系鋁合金屬于熱處理可強化合金， 其中6061系列和6063系列具有最佳的綜合性能，被廣泛應用于建筑領域。

1)物理性能。

密度(20 ℃)為2.7 g/cm3，約為鋼材密度的1/3。

2)力學性能。

力學性能見表1。

表1 6系鋁合金力學性能

3)切削性能。

具有較好的切削性能。

4)焊接性能。

可焊性良好，可用各種焊接方法進行焊接，不過所用型材必須使用相應的焊條進行焊接(如6061-T6型材的焊接必須使用6061-T6的焊條)，惰性氣體的純度必須達到100%。

5)耐腐蝕性能。

具有較好的耐腐蝕性能。在常溫下，強化后的鋁與空氣中的氧氣反應，其表面生成一層致密的氧化鋁薄膜，阻止了自然界與其他物體對其本身的腐蝕氧化，這是傳統的鍍鋅處理無法做到的。

3 鋁合金材料在通信塔桅中的應用

通信天線發射信號有掛高要求，一般為20 m～40 m，視覆蓋需求而定。通信塔桅作為通信天線發射信號的載體，是信號覆蓋的基本組成部分。塔桅建設一般分為塔身、鐵塔基礎、防雷接地等，其造價在通信建設單站造價中占有較大的比重，故塔桅方案選擇是成本控制的重要環節。

通信塔桅分為地面塔桅及樓面塔桅。地面塔桅主要有：增高架、H桿、桅桿、單管塔、三管塔、角鋼塔及一體化塔房等；樓面塔桅主要有：增高架、桅桿、配重抱桿、附墻抱桿等。

塔桅建設主要分為改造塔桅和新建塔桅。改造塔桅是指對已有塔桅進行改造，增加塔桅整體的強度、剛度、穩定性等，以滿足在原有塔桅上繼續新增天線的目的，這種方式具有速度快、成本節約等優點。目前大多數塔桅建設時間久遠，塔桅天線滿負荷運作，若想在已有塔桅上繼續新增天線支臂，就需要對塔身及基礎進行加固改造，但鋼制構件重量大、施工難度大，是改造塔桅中的難點。鋁合金材料具有重量輕、強度高、耐腐蝕等優點，將鋼材替換為鋁合金材料可以很好的解決加固改造中的難點。

目前通信領域中，鋁合金材料作為新型材料應用不太廣泛，僅存在于一些小型改造、新建項目，所占比例很小，在省內建設項目不是很多，目前有鋁合金天線支臂及鋁合金樓面增高架及鋁合金地面桅桿、抱桿等簡單案例。以下為已建設完成的鋁合金塔桅及配套設施案例。

3.1 新增鋁合金天線支臂

天線支臂是塔桅與通信天線之間的連接構件，新增天線支臂是利用存量站址直接掛載天線支臂及通信天線的一種方式，是改造塔桅的重要部分。經具有檢測資質的第三方單位對現有塔桅進行塔身、基礎復核，根據復核結果及建模分析出具加固方案，加固后以滿足增加天線支臂的需求。但是普通鋼材重量大，對塔桅影響大，故采用鋁合金材料減輕天線支臂的重量，可以減小塔桅加固、基礎加固的難度。目前我省呂梁等地市已經在塔桅改造中使用了鋁合金天線支臂。

3.2 新建鋁合金樓面塔桅

樓面塔桅利用樓面的既有高度，新建樓面增高架、桅桿、抱桿等15 m以下小型塔桅，以滿足天線掛高要求。樓面塔桅建設中對屋面梁及屋面板要求較高，部分預制板屋面無法滿足建設樓面塔桅需求，通過采用鋁合金材料減輕塔桅重量，減小對屋面梁及屋面板的荷載，使部分鋼制塔桅無法滿足的屋面存在建設的可能性，且利于選址時減小業主對屋面承重的顧慮，降低選址難度。目前朔州等地市已在樓面塔桅建設中使用了鋁合金增高架。

3.3 新建鋁合金地面桅桿、組合抱桿

桅桿為單桿懸臂結構，常采用無縫鋼管作為主桿，大部分利用地勢高度進行建設，塔桅高度一般為6 m,9 m,12 m,15 m,18 m等，采用鋼絲繩拉線固定位移及提升剛度和穩定性，具有使用材料少、工期短、造價低等優點，廣泛應用于微站、普遍服務等站點；組合抱桿一般將多根抱桿進行組合，共用一個基礎，通常高度為3 m,6 m等，地面站址一般建于山頂等較高地勢場景，具有節省基礎材料、易于預制等優點。大多山區道路狹窄或沒有道路，鋼材自重大，運輸至站址位置難度大，后期安裝難度大，所需費用多，而采用鋁合金材料，由于重量輕，解決了山區站址上站難度大的問題。目前呂梁等地市已建成鋁合金組合抱桿。

4 未來發展方向

鋁合金材料與鋼材對比，重量輕、強度相似、耐腐蝕、價格相差不大，具有良好的可替代性，為選址談判、減少基礎造價、減少施工成本等方面帶來很大便利，在通信塔桅中具有廣闊的前景。現結合現場實際情況、目前塔桅施工中遇到的問題，提出部分鋁合金材料的未來發展方向。

4.1 鋁合金材料在改造塔桅建設中的應用

1)塔身材料部分替換：掌握現有塔桅材料詳細信息，綜合計算塔桅構件長細比、應力比、撓度等，將無法滿足國家相關要求的型鋼構件替換為滿足要求的鋁合金構件。與鋼材相比，鋁合金材料具有重量輕、強度相似的特點，改造后的塔身較輕，對塔身塔腳力增加較小，可以提高塔桅整體抗震性能，減小基礎加固改造難度。

2)塔身平臺使用鋁合金材料：塔身平臺是為施工、維護人員提供的操作、檢修、維護、安裝空間，普遍存在于三管塔、單管塔、角鋼塔中。存量站站址建成時間長，平臺預留天線支臂基本滿載，根據第三方塔身檢測，如塔身無法滿足新增天線設備要求，可將塔身平臺整體替換為鋁合金材料，減少塔身自重及頂段位移，并結合降低平臺高度的方式來減少水平風荷載的影響，從而解決改造基礎費用及存量站無法新增天線的問題。

3)塔身加固使用鋁合金材料：存量站站址中單管塔、單管一體化塔房滿負荷運作，無法新增天線支臂，可以采用斜支撐的加固方式來滿足新增天線支臂的需求。但鋼材重量大，運輸難度大，對加固中的抗震及頂段移位影響較大，如將鋼材替換為鋁合金材料可以減少材料使用量及支撐基礎尺寸，降低安裝難度、節約建造成本。

4.2 鋁合金材料在樓面塔桅建設中的應用

樓面站址的特點有：需要重量輕的塔桅、樓面相對安全不易被盜、選址相對容易不占用地面空間等。鋁合金材料在樓面塔桅中有很大的應用前景。

1)附外墻天線抱桿：利用建筑物圈梁、構造柱外部使用膨脹螺栓與天線支臂相連接，天線再與天線支臂相連接，具有高度靈活可調、施工簡單、成本低等優點。但普通鋼材重量大，對膨脹螺栓及屋面圈梁要求高，天線支臂及天線過重可能發生掉落風險，采用鋁合金材料可大幅減輕天線支臂重量，消除掉落風險。

2)樓面配重、附墻抱桿：樓面配重、附墻抱桿高度一般為3 m～6 m，基礎采用鋼梁和配重塊方式，不破壞樓面原有結構。在部分預制板及老舊樓樓頂，由于配重抱桿重量大，附墻抱桿對女兒墻要求高，常不建議使用。采用鋁合金材料可有效減輕結構重量，在預制板屋面及老舊樓樓頂也可安裝使用，為無法新建傳統抱桿的場地提供建站的可能性。

4.3 鋁合金材料在地面塔桅建設中的應用

1)三管塔、角鋼塔等桁架塔：普通型鋼重量大，對抗震產生不利影響，將塔身上部結構替換為鋁合金材料，或將塔身橫隔、斜桿等構件替換為鋁合金材料，可以達到減少整體塔身的重量，提高塔桅整體抗震性能，減小基礎尺寸的目的。

2)單管塔、景觀塔等管塔：單管塔掛載天線方式一般為天線支架方式及安裝平臺方式；景觀塔是結合現有城市規劃，根據周邊建筑風格，將通信塔桅進行相應的美化，通常有仿生樹、路燈桿、都市站等。大部分景觀塔具有美化裝飾外罩且重量較大，可將景觀塔外層的美化裝飾罩或單管塔的平臺、天線支臂等替換為鋁合金材料，達到減輕頂部自重荷載，提高塔桅整體抗震性能，減小塔身重量、減小基礎尺寸的目的。

3)利用社會資源塔類：在城市建設中，存在各種各樣塔類，如：路燈桿、廣告牌、電力塔、水塔等，充分利用社會資源是降低建設成本很有效的解決措施，但該類塔桅在進行設計時未考慮新增天線及新增天線支臂重量因素，往往并不具備成為通信塔桅的可能，將支臂由鋼結構替換為鋁合金材料，可以減小新增的天線及支臂重量，為無法滿足通信建設的社會資源塔類提供掛載天線的可能性。

4.4 鋁合金材料在機房建設中的應用

機房是通信工程建設的組成部分，分為磚混機房、一體化機柜、鐵甲機房、彩鋼板機房、租用機房等，磚混機房一般尺寸為2 m×3 m,3 m×5 m,4 m×5 m等，一個機柜尺寸一般為0.9 m×0.9 m，分為單倉機柜、雙倉機柜、三倉機柜等。

1)樓面機柜、樓面彩鋼板房等：樓面建設機房、機柜時一般設置鋼結構底座，放置于屋面梁上，但鋼材及機房中的設備重量大，對屋面梁、板影響較大，用鋁合金材料替換鋼材，可防止樓板、梁等發生破壞，減少房屋業主對機房建設時重量較重的顧慮，有效降低了建設初期的選址難度。

2)租用機房：租用機房為租賃房屋業主自有房屋作為通信機房，涉及租用機房裝修、租用機房電氣、租用機房加固等內容，由于設備的重量較大，往往超出樓板設計荷載，需要將設備荷載傳遞至梁、柱等可承受較大荷載的結構中。通常采用兩根工字鋼架設到兩端梁或墻上，避免樓板受力。但是鋼梁的重量也是比較大的，對原有建筑混凝土梁的受力產生不利影響，采用鋁合金材料代替鋼梁，可減小建筑物混凝土梁所承受的荷載，提高房屋的穩定性，減小事故發生率。

5 注意事項

1)由于鋁合金型材價格較昂貴，不建議在野外或無人看守的地方使用，以免被盜。

2)因惰性氣體容易受風力影響，所以鋁合金型材要求在室內進行焊接。

6 結語

隨著通信技術的不斷發展，對通信塔桅也提出了更高的要求，在滿足安全性及適用性的前提下，使用鋁合金替換傳統鋼材，充分利用其重量輕、強度高、耐腐蝕等優點，不論從結構設計要求考慮，還是從施工、安裝、維護方面來分析，鋁合金材料都有著其獨特的可行性和優越性。鋁合金材料的應用為通信建設中的新建和改造項目創造了新的思考方向，同時對于部分疑難站址提供了新的解決方案。