吕丛丛 田 静 赵吕峰

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2.中国铁塔股份有限公司西安市分公司 陕西 西安 710000

引言

自5G牌照发放后,截至目前,全球总共部署了超80万个5G基站,中国5G用户已超过1.5亿。未来两到三年,中国5G建设发展还将持续上升。5G的高速发展对通信基站塔桅的建设提出前所未有的挑战,5G基站的建站密度是4G基站的3-6倍,需要建设的5G基站数目空前巨大。通信单管塔在基站建设中应用极为广泛,所以迫切需要对单管塔的建设进行降本增效,常用的方法是建设高强钢通信塔、提高通信塔挂载能力等。对于高耸结构,水平荷载是其主要结构设计依据,其中风荷载起着主导作用。对通信单管塔而言,塔体风荷载的大小主要取决于管径大小和塔体截面形式,而塔体强度则主要却决于塔体材料和塔体截面抗弯刚度,因此单管塔塔身截面形式直接影响着单管塔的承载能力和材料利用率,塔身截面选型的研究具有重要实际意义。

1 单管塔风荷载

垂直作用于高耸结构表面单位计算面积上的风荷载标准值应按下式计算:

式中:wk——作用在高耸结构z高度处单位投影面积上的风荷载标准值(k N/m2);

w0——基本风压(k N/m2),取值不得小于0.35k N/m2;

μz——高度z处的风压高度变化系数;

μs——风荷载体型系数;

βz——高度z处的风振系数。

由公式(1.1)可以得到,作用在高耸结构z高度处的风荷载取决于基本风压w0、风压高度变化系数μz、风荷载体型系数μs和风振系数βz,对于单管塔而言,其风荷载体型系数主要取决于塔体截面形式,所以塔体截面形式直接影响着塔体风荷载。单管塔计算中,通常将单管塔作为悬臂结构来考虑,取《高耸结构设计标准》(GB 50135-2019)不同截面形式的悬臂结构的整体计算体型系数。

2 不同截面形式单管塔软件计算

常用单管塔的截面形式主要包括变截面圆形管截面和变截面正多边形管截面两种,常用的变截面正多边形管截面有正十八边形、正十六边形、正十二边形等,而微站单管塔还包括正八边形、正六边形和正方形等。

本文使用3D3S钢结构设计软件计算6种不同截面形式(正方形、正六边形、正八边形、正十二边形、正十六边形和圆形)的单管塔,塔体参数统一为:假设单管塔地脚法兰满足设计要求,塔高18米,分两段插接,第一段长8.3米,壁厚6mm,第二段长9.7米,壁厚8mm,插接长度0.7米,避雷针均为3米Φ70×4钢管;单管塔挂载情况统一为:17.5米处挂载3付AAU(重45 kg/付,迎风面0.45 m2/付),14.75米处挂载3付4G天线(重45 kg/付,迎风面0.8 m2/付)和3个RRU(重25 kg/付,迎风面0.17 m2/付)。

所选地区的地面粗糙度B类,基本风压0.35k N/m2,抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度0.05g,设计地震分组:第一组。根据《高耸结构设计标准》(GB 50135-2019)[1]规定,设防烈度为6度的高耸钢结构及其地基基础可不进行抗震验算。对于承载能力极限状态,按荷载效应基本组合计算,对于正常使用极限状态,可变荷载代表值按标准组合取值,分别计算两种风向(垂直于一边和沿对角线)下的单管塔,得到基本组合下的塔体应力比和标准组合下的塔顶位移结果。

2.1 等管径单管塔计算结果及分析 此处塔体多边形管截面的管径定义为多边形管截面外边缘内切圆的直径。以单管塔顶径240mm、底径450mm为例计算六种管截面单管塔,软件计算结果如表2.2所示,由于正多边形截面的任一形心轴均为其形心主惯性轴[2],不同风向下的塔体抗弯截面抗弯刚度是相等的,所以塔体迎风面积和体型系数的不同导致不同的塔顶位移和塔体应力比。

表2 .2 等管径单管塔计算表

比较六种管截面单管塔结果,对于正方形截面塔,塔顶最大位移(273.24mm)最小,但是对应的最大应力比(0.467)最大,并且等管径情况下的塔体重量(1421.89kg)最大,因此正方形管截面在结构性方面最差;比较正六边形和正八边形管截面,虽然前者的塔体重量比后者高4.5%,最大应力比低0.9%,但是塔顶最大位移低8.0%,因此正六边形管截面性能比正八边形优异;比较正八边形、正十二边形和正十六边形管截面三者,正十六边形管截面有最小的塔顶最大位移、最低的最大应力比和最小的塔体总重,其截面性能最好;比较正六边形和正十六边形管截面,虽然前者的塔顶最大位移低8.0%,但是塔体重量比后者高8.8%,且最大应力比高6.8%,因此,在控制材料成本时,宜选用正十六边形管截面,而在严格控制位移时,宜选用正六边形管截面;比较正六边形、正十六边形和圆形管截面,在塔体总重、塔顶最大位移和塔体最大应力比三方面,圆形截面都较小,截面性能优异。

2.2 等塔重单管塔计算结果及分析 5G基站数目巨大,建设成本的控制必不可少,而耗材是影响成本的最直接因素。对耗材方面研究,在塔重不变的情况下比较截面形式优劣。以圆形管截面为基准,控制多边形管截面的塔体重量与圆形管截面相等,六种管截面单管塔的软件计算结果如表2.3所示。在塔体总重相等的情况下,圆形管截面的截面性能远优于多边形管截面,而多边形管截面的截面性能也随着边数的增加而明显提高。

表2 .3 等塔重单管塔计算结果表

正十六边形 445.6/235.6 376.927 375.283 0.427 0.433圆形 240.0/450.0 331.862 331.862 0.369 0.369

3 结论

分析以上结果发现,塔体截面形式直接影响着塔顶位移和塔体应力比,对塔体截面选型建议如下:(1)单管塔优先选用圆形管截面,无论是在提高截面性能、降低耗材成本方面,还是塔体美观方面都具有明显优势,缺点是圆形管截面的制作工艺要求较高;(2)在管径较大的情况下,多边形管截面优先选用更多边数的管截面,其截面性能良好,耗材较少,制作工艺简单;(3)在管径较小的情况下,为降低塔体顶位移,多边形管截面优先选用正方形管截面;(4)在管径较小的情况下,为同时降低塔顶位移和耗材成本,多边形管截面可选用正六边形管截面。