通信塔桅在氣象和信號傳輸方面的應用

鄭書成，劉仁濤

（華信咨詢設計研究院有限公司，杭州 310052)

1 引言

隨著我國經濟建設的不斷深入，通信領域的覆蓋范圍不斷擴大，甚至可以說只要有人的地方就有通信覆蓋，無論是人跡罕至的深山老林、荒無人煙的沙漠、戈壁無人區、挑戰人類極限的珠穆朗瑪，還是一望無際的大海深處。在這些比較極端的應用場景里，對于通信基站建設成本的挑戰無疑是巨大的，一方面要達到良好的信號覆蓋要求，另一方面又要節省投資，使投資回報趨于合理。另外，隨著通信行業共建共享、服務社會理念的不斷深入，創新業務的不斷提出，通信塔桅的應用場景越來越廣，同時也利用其自身資源豐富、基數龐大、覆蓋面廣等優勢，為其他行業提供更多的創新支持。為此，本文將通過實際工程案例，實現對通信塔桅的改造利用。

2 通信塔桅改造為氣象雷達基站的應用

2.1 技術背景

上海某區域一座42 m 四角角鋼塔改造為38 m 氣象雷達站。對氣象部門來說，一方面節約社會資源、降低造價、縮短建設周期，實現快速建站目的；另一方面也降低了后期運營維護基站所支出的費用。對通信行業來說，此舉也是一種創新，可以增加新業務收入，可以說是互利共贏。這是塔桅結構設計的一種創新應用，可為本行業設計人員提供一個解決思路。

2.2 技術方案

本座四角角鋼塔主體結構高46 m，2 層平臺，一平臺高42 m，二平臺高34 m，現拆除塔身頂部構件至二平臺位置，露出4 根角鋼主材，用角鋼L90 mm×8 mm 的包鋼板螺栓連接雷達底座和塔身主材（見圖1）。

圖1 塔身立面圖

根據雷達的相關工藝要求，需要為雷達天線、空調設置底座并預留檢修口（見圖2），需要安裝雷達避雷針（見圖3）。考慮到高空施工便捷性，整個底座采用H 型鋼預先焊接，與雷達天線在地面安裝完成后整體吊裝，塔身與底座、底座與雷達外罩均采用普通螺栓連接（見圖4）。

圖2 雷達底座詳圖（單位：mm）

圖3 雷達避雷針詳圖（單位：mm）

圖4 雷達底座與塔身主材連接節點（單位：mm）

2.3 基本設計參數

1）鐵塔承重需要大于15 000 N（1 500 kg）（雷達質量為700 kg，天線外罩質量為300 kg，空調質量為150 kg，后期維護人員及維護設備質量等）。

2）雷達外罩高3 130 mm，上部半圓直徑3 360 mm，底部直徑2 620 mm。

基本風壓：0.55 kN/m2，地面粗糙度類別B 類，計算高度35 m。

2.4 計算過程

雷達上部半圓：WK1=μSμZW0=1.1×1.48×0.55=0.9 kN/m2

雷達下部錐體：WK2=μSμZW0=1.1×1.48×0.55=0.9 kN/m2

式中，WK1、WK2為風荷載標準值，k N/m2；μS為風荷載體型系數；μZ為風壓高度變化系數；W0為基本風壓。

底座彎矩：M=1.4×（M1+M2）=1.4×（WK1A1d1+WK2A2d2）=1.4×（0.9×3.68×2.17+0.4×4.54×1）=12.6 kN·m

式中，M1、M2分別分雷達上部半圓、下部錐體的彎矩，kN/m2；A1、A2分別為雷達上部半圓、下部錐體的迎風面積，m2；d1、d2分別為雷達上部半圓、下部錐體力矩，kN·m。

彎矩作用在單肢主材上的壓力：N1=12.6/2/1.03=6.1 kN。

自重作用在單肢主材上的壓力：N2=1.5×10/4=3.75 kN。

彎矩和自重疊加作用在單肢主材上的合力：N=N1+N2=6.1+3.75=9.85 kN。

因此，作用在單肢主材和螺栓上的力比較小，不用考慮構件強度問題。

根據原有角鋼塔設計圖紙的相關數據參數，利用華信咨詢設計研究院有限公司編制的專門用來計算角鋼塔的Excel表格進行計算[1-3]，計算結果詳見表1，鐵塔各個構配件的應力均符合材料設計強度要求[4]。

表1 角鋼塔各塔段內力設計值

3 通信塔桅改造為微波基站的應用

3.1 技術背景

在茫茫大海上，一眼望不到邊，因此，對于信號的傳輸也提出了較高的要求。由于在海上沒有其他障礙物的遮擋，因而利用微波的形式進行傳輸成了一個比較經濟可行的解決方案。如果利用原有的一些通信塔桅改造成符合使用條件的微波站，將極大地節省投資造價和有效降低工程建設難度，可以真正實現大范圍信號覆蓋需求。

3.2 技術方案

浙江近海一座孤立的小島上有一座25 m 高的四角角鋼塔，有2 個天線平臺，高分別為25 m、19 m，每平臺6 個天線抱桿，每個抱桿設計負荷面積不超過0.6 m2擋風面積。根據相關建設要求，現在該塔9 m 處改造對稱的2 個微波天線抱桿（見圖5、圖6），每個天線抱桿上掛載直徑為2 m 的微波設備，因設備擋風面積達到3.14 m2，對位于海上高風壓區域而言，風壓是主要荷載，需要對原有鐵塔進行特別改造加固以適應該應用場景。

圖5 微波天線抱桿立面圖（單位：mm）

圖6 微波天線抱桿俯視圖（單位：mm）

根據現場施工條件，所有加裝的構配件均根據圖紙大樣預制完成運至現場拼裝，在原有鐵塔9 m 處增加一個基座平臺，用于固定增加的2 個天線抱桿，因抱桿所受的風荷載較大，特制三點五支撐的超靜定結構抱桿節點圖見圖7，用于穩定其結構負荷抱桿節點圖見圖8。

圖7 抱桿節點圖1（單位：mm）

4 結語

此類塔桅改造能夠快速實現建站目的，大大縮短工期，降低造價，全國范圍內此類存量塔較多，覆蓋范圍廣，可以滿足相關部門的部分需求，是種較好的應用選擇，值得推廣。

圖8 拖桿節點圖2（單位：mm）