新舊TIA桿塔設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)荷載比較分析

許揚歡

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

隨著電信行業(yè)的革命性發(fā)展，格構(gòu)式塔架已在世界各地大量使用。通信塔的最佳類型是格構(gòu)式塔，該類型桿塔可方便天線的布置。2005年，TIA 發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)TIA-222-G，此標(biāo)準(zhǔn)受到國際專家的高度贊賞，并廣泛用于風(fēng)荷載和地震荷載下的通信桿塔結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計，其采用的基本風(fēng)速為3 s 陣風(fēng)風(fēng)速。2018年，TIA 發(fā)布了最新標(biāo)準(zhǔn)TIA-222-H，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造方法，涵蓋現(xiàn)有天線支撐結(jié)構(gòu)、支架、結(jié)構(gòu)部件、拉線組件和基礎(chǔ)的修改要求。TIA-222-H 根據(jù)風(fēng)險類別使用極限風(fēng)速，因塔架和桅桿等結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載十分敏感，因此需重新考慮風(fēng)荷載對格構(gòu)塔的影響。目前世界上大多數(shù)現(xiàn)有塔架結(jié)構(gòu)都是按照TIA-222-G 標(biāo)準(zhǔn)建造的，雖然最新標(biāo)準(zhǔn)上指出“最初根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)先前版本設(shè)計的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)不受本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的約束”，但截至目前，還沒有太多的研究分析當(dāng)使用最新標(biāo)準(zhǔn)分析塔架結(jié)構(gòu)時，構(gòu)件軸向力發(fā)生了多大的變化。

本文主要研究塔身、附件和其他結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載計算，并根據(jù)TIA-222-G 和TIA-222-H 標(biāo)準(zhǔn)比較風(fēng)荷載引起的構(gòu)件軸向力變化。

1 數(shù)據(jù)分析

為了更好地進行比較研究，以下僅考慮恒荷載和風(fēng)荷載，準(zhǔn)備并分析了兩個塔架模型。塔架上的恒載保持不變，而風(fēng)荷載根據(jù)TIA-222-G 和TIA-222-H 標(biāo)準(zhǔn)計算和施加。

1.1 塔架結(jié)構(gòu)

本研究對40 m 高四腳格構(gòu)塔進行分析，塔底部寬度為2.8 m，頂部寬度為1 m。塔架以10 m 為一個塔段，共分為4 個塔段，塔段斜桿采用雙斜桿交叉形式，每隔5 m 設(shè)置橫桿，塔面面積Ag從上到下每隔10 m 分別為：10 m2、13 m2、19 m2、25 m2。

1.2 分析軟件

桿塔的3D 模型建立在STAAD Pro V8i 結(jié)構(gòu)分析軟件上，塔架模型在軟件中定義為空間框架，所有節(jié)點都作為鉸接點，塔腳采用鉸支座。附屬構(gòu)件鋼材彈性模量[1]E=200×106kN/m2。塔架分析考慮4 種荷載組合，均按照0°和45°風(fēng)分別考慮。

TIA-222-G：①1.2D+1.6W0；②0.9D+1.6W0。

TIA-222-H：①1.2D+1.0W0；②0.9D+1.0W0。

1.3 塔架上的恒載

桿塔的恒載包括塔的自重、天線、爬梯、饋線和其他設(shè)備的重量；其他水平荷載包括地震荷載和風(fēng)荷載。TIA-222-G 和TIA-222-H 標(biāo)準(zhǔn)中除風(fēng)荷載外的荷載計算方法均相同。

桿塔的自重包括鋼構(gòu)件、螺母、螺栓和節(jié)點板的重量，塔身總重量為42.35 kN，鋼材的單位重量取自AISC360-16[2]。爬梯的重量包含主材、螺母、螺栓、節(jié)點板和饋線的重量，總共為0.28 kN/m。

2 風(fēng)荷載計算和分析

塔架結(jié)構(gòu)、爬梯、饋線、天線及附件上的風(fēng)荷載分別按照TIA-222-G 和TIA-222-H 標(biāo)準(zhǔn)計算，結(jié)構(gòu)風(fēng)險等級分為Ⅰ級、Ⅱ級，采用基本風(fēng)速為150 km/h、175 km/h 和200 km/h，并使用STAAD Pro V8i 對塔架結(jié)構(gòu)進行分析，最后對分析結(jié)果進行討論和比較。

2.1 假定

在塔架分析中進行了以下假定。

假定1：爬梯的高度與塔架相同，塔架分為4 段。

假定2：碟形天線的體型系數(shù)取自TIA-222-G和TIA-221-H 附錄C 表C1。為采取最大體型系數(shù)，一半天線放置在塔架周圍的0°方位角，一半放置在180°方位角。

假定3：LTE 天線和RRU 天線將安裝在塔架上，同一標(biāo)高處的3 副天線，兩兩呈120°布置。

假定4：天線供應(yīng)商通常會根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整天線的位置，這超出了當(dāng)前研究的范圍，天線重量以節(jié)點荷載的形式分布在塔架各處。

2.2 使用TIA-222-G 標(biāo)準(zhǔn)計算和分析風(fēng)荷載

以下根據(jù)TIA-222-G 標(biāo)準(zhǔn)進行的風(fēng)荷載計算和分析。

2.2.1 風(fēng)荷載計算

基于3 s 陣風(fēng)（50年一遇），以150 km/h 的基本風(fēng)速并根據(jù)TIA-222-G 給出的Ⅰ級結(jié)構(gòu)風(fēng)險為例計算風(fēng)荷載。

各類因素包括：基本風(fēng)速V=150 km/h=41.7 m/s（3 s 陣風(fēng)）；重要性系數(shù)I=0.87（Ⅰ級結(jié)構(gòu)風(fēng)險）；暴露類別C 類；速度壓力系數(shù)Kzmin=0.85；地形系數(shù)Kzt=1.0（地形類別-1）；風(fēng)向概率因子Kd=0.85；當(dāng)h=40 m<137 m 時，陣風(fēng)影響系數(shù)Gh=0.85；速度壓力qz=0.787 Kz（kN/m2）。整塔共分為4 段（每段均小于18 m），通過（Af+Ar）/Ag來計算每段的實積比ε。

其中，Af為扁平結(jié)構(gòu)構(gòu)件的投影面積；Ag為通過CAD 計算的一個塔面的總面積；Ar為圓形結(jié)構(gòu)構(gòu)件的投影面積，此處因為塔架沒有圓形構(gòu)件，所以Ar=0。經(jīng)計算，從上往下每隔10 m 塔段的ε 為0.24、0.23、0.19、0.17。

結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載計算如式（1）所示。

每個塔段的有效投影面積（EPA）S按式（2）計算。

其中：Cf——結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)；Df——扁平結(jié)構(gòu)構(gòu)件的風(fēng)向系數(shù)；Dr——圓形結(jié)構(gòu)構(gòu)件的風(fēng)向系數(shù)；Rr——塔面中圓形構(gòu)件的折減系數(shù)。

假設(shè)風(fēng)荷載以0°和45°的角度施加，分別得到式（4）、式（5）。

爬梯和附屬物的有效投影面積（EPA）A按式（6）計算。

其中：Ka——附件的屏蔽系數(shù)，此處Ka=0.6；AA——附屬物的投影面積；CA——線性或離散附屬物的體型系數(shù)。光纜（頂部10 m）的計算面積為CA×AA=0.028 m2/m，其余部位電纜（30 m 以下）為CA×AA=0.317 m2/m。

基于（EPA）A和（EPA）S計算各塔段上的風(fēng)荷載、爬梯（假定1）、電纜及附件的重量，其計算結(jié)果如表1所示。

表1 TIA-222-G 計算結(jié)果單位：kN

基本風(fēng)速175 km/h、200 km/h 和Ⅰ級、Ⅱ級結(jié)構(gòu)風(fēng)險的計算方法也相同，其后將力輸入計算機模型節(jié)點上進行計算[3]。

2.2.2 塔架分析

選取塔柱中受最大軸向力的構(gòu)件進行分析，其在基本風(fēng)速150 km/h、175 km/h 和200 km/h，Ⅰ級結(jié)構(gòu)風(fēng)險的計算結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，塔腳底部構(gòu)件所受的軸力最大，且隨基本風(fēng)速的增大而增大。而塔頂40 m 高度的構(gòu)件受力，隨著風(fēng)速增大其軸力變化不大。同等風(fēng)速下Ⅱ級結(jié)構(gòu)風(fēng)險的計算結(jié)果如圖2所示，塔腳構(gòu)件受力表現(xiàn)出與Ⅰ級結(jié)構(gòu)風(fēng)險相同的趨勢，但受力明顯增大，這表明結(jié)構(gòu)風(fēng)險等級的變化可能會影響塔的受力。

圖1 Ⅰ級結(jié)構(gòu)風(fēng)險的計算結(jié)果

圖2 Ⅱ級結(jié)構(gòu)風(fēng)險的計算結(jié)果

2.3 使用TIA-222-H 標(biāo)準(zhǔn)計算和分析風(fēng)荷載

以下根據(jù)TIA-222-H 標(biāo)準(zhǔn)進行的風(fēng)荷載計算和分析。

2.3.1 風(fēng)荷載計算

基于極限風(fēng)，選取基本風(fēng)速150 km/h 并根據(jù)TIA-222-H 中給出的Ⅰ類結(jié)構(gòu)風(fēng)險為例計算風(fēng)荷載。

基本風(fēng)速為150 km/h=41.7 m/s，極限風(fēng)速換算系數(shù)為1.18，極限風(fēng)速V=49.2 m/s，重要性系數(shù)I=N/A（Ⅰ級結(jié)構(gòu)風(fēng)險），地面高程系數(shù)Ke=1，屋頂風(fēng)速加速系數(shù)KS=1，速度壓力qz=1.26Kz（kN/m2）。與TIA-222-G 相似的系數(shù)有Kz=2.01（z/zg）2/a，Kzmin=0.85，Kzt=1.0，Kd=0.85，Gh=0.85，以及結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)荷載（FST）。其中各塔段的實積比ε、有效投影面積（EPA）S，爬梯和光纜等附屬物的有效投影面積（EPA）A與之前的計算相同。整體數(shù)據(jù)計算結(jié)果如表2所示[4]。

表2 TIA-222-H 計算結(jié)果 單位：kN

2.3.2 塔架分析

選取塔柱中受最大軸向力的構(gòu)件進行對比分析，因為基本原理沒有變化，可看出塔柱受力趨勢與TIA-222-G 是一致的。

3 標(biāo)準(zhǔn)比較

不同基本風(fēng)速下，Ⅰ級結(jié)構(gòu)風(fēng)險的塔柱構(gòu)件受力比較如圖3所示[5]。當(dāng)使用兩種標(biāo)準(zhǔn)分析塔架的恒荷載+風(fēng)荷載組合時，構(gòu)件軸向力并沒有太大差異。使用TIA-222-H 標(biāo)準(zhǔn)進行分析，基本風(fēng)速為150 km/h和175 km/h 時，構(gòu)件軸向力平均減了0.5%和0.25%；而基本風(fēng)速為200 km/h 時，構(gòu)件軸向力增加了0.25%。對Ⅱ級結(jié)構(gòu)風(fēng)險的塔架進行分析時，也觀察到了類似的情況。分析結(jié)果表明，按照TIA-222-H標(biāo)準(zhǔn)進行分析，基本風(fēng)速大于200 km/h 時，構(gòu)件軸向力可能會增加。需要指出的是，本研究僅限于比較恒荷載+風(fēng)荷載組合下的構(gòu)件軸向力，增加其他力可能會影響分析結(jié)果。

圖3 不同基本風(fēng)速下，Ⅰ級結(jié)構(gòu)風(fēng)險的塔柱構(gòu)件受力比較

4 結(jié)語

本文根據(jù)TIA-222-G 和TIA-221-H 標(biāo)準(zhǔn)對40 m格構(gòu)式通信塔進行了對比分析，結(jié)果表明，當(dāng)按照兩個標(biāo)準(zhǔn)對塔架進行分析時，構(gòu)件軸向力影響不大。但采用TIA-222-H 進行分析時，當(dāng)基本風(fēng)速超過200 km/h，塔架受力可能會增加。對于較高的塔架（如80 m、100 m 或以上的塔架），需要根據(jù)TIA-222-G 和TIA-222-H 標(biāo)準(zhǔn)研究恒荷載+風(fēng)荷載組合下構(gòu)件的軸向力變化，單獨進行分析。