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通信塔桅在气象和信号传输方面的应用

2021-10-05郑书成刘仁涛

工程建设与设计 2021年17期
关键词:主材塔身半圆

郑书成,刘仁涛

(华信咨询设计研究院有限公司,杭州 310052)

1 引言

随着我国经济建设的不断深入,通信领域的覆盖范围不断扩大,甚至可以说只要有人的地方就有通信覆盖,无论是人迹罕至的深山老林、荒无人烟的沙漠、戈壁无人区、挑战人类极限的珠穆朗玛,还是一望无际的大海深处。在这些比较极端的应用场景里,对于通信基站建设成本的挑战无疑是巨大的,一方面要达到良好的信号覆盖要求,另一方面又要节省投资,使投资回报趋于合理。另外,随着通信行业共建共享、服务社会理念的不断深入,创新业务的不断提出,通信塔桅的应用场景越来越广,同时也利用其自身资源丰富、基数庞大、覆盖面广等优势,为其他行业提供更多的创新支持。为此,本文将通过实际工程案例,实现对通信塔桅的改造利用。

2 通信塔桅改造为气象雷达基站的应用

2.1 技术背景

上海某区域一座42 m 四角角钢塔改造为38 m 气象雷达站。对气象部门来说,一方面节约社会资源、降低造价、缩短建设周期,实现快速建站目的;另一方面也降低了后期运营维护基站所支出的费用。对通信行业来说,此举也是一种创新,可以增加新业务收入,可以说是互利共赢。这是塔桅结构设计的一种创新应用,可为本行业设计人员提供一个解决思路。

2.2 技术方案

本座四角角钢塔主体结构高46 m,2 层平台,一平台高42 m,二平台高34 m,现拆除塔身顶部构件至二平台位置,露出4 根角钢主材,用角钢L90 mm×8 mm 的包钢板螺栓连接雷达底座和塔身主材(见图1)。

图1 塔身立面图

根据雷达的相关工艺要求,需要为雷达天线、空调设置底座并预留检修口(见图2),需要安装雷达避雷针(见图3)。考虑到高空施工便捷性,整个底座采用H 型钢预先焊接,与雷达天线在地面安装完成后整体吊装,塔身与底座、底座与雷达外罩均采用普通螺栓连接(见图4)。

图2 雷达底座详图(单位:mm)

图3 雷达避雷针详图(单位:mm)

图4 雷达底座与塔身主材连接节点(单位:mm)

2.3 基本设计参数

1)铁塔承重需要大于15 000 N(1 500 kg)(雷达质量为700 kg,天线外罩质量为300 kg,空调质量为150 kg,后期维护人员及维护设备质量等)。

2)雷达外罩高3 130 mm,上部半圆直径3 360 mm,底部直径2 620 mm。

基本风压:0.55 kN/m2,地面粗糙度类别B 类,计算高度35 m。

2.4 计算过程

雷达上部半圆:WK1=μSμZW0=1.1×1.48×0.55=0.9 kN/m2

雷达下部锥体:WK2=μSμZW0=1.1×1.48×0.55=0.9 kN/m2

式中,WK1、WK2为风荷载标准值,k N/m2;μS为风荷载体型系数;μZ为风压高度变化系数;W0为基本风压。

底座弯矩: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分别分雷达上部半圆、下部锥体的弯矩,kN/m2;A1、A2分别为雷达上部半圆、下部锥体的迎风面积,m2;d1、d2分别为雷达上部半圆、下部锥体力矩,kN·m。

弯矩作用在单肢主材上的压力:N1=12.6/2/1.03=6.1 kN。

自重作用在单肢主材上的压力:N2=1.5×10/4=3.75 kN。

弯矩和自重叠加作用在单肢主材上的合力:N=N1+N2=6.1+3.75=9.85 kN。

因此,作用在单肢主材和螺栓上的力比较小,不用考虑构件强度问题。

根据原有角钢塔设计图纸的相关数据参数,利用华信咨询设计研究院有限公司编制的专门用来计算角钢塔的Excel表格进行计算[1-3],计算结果详见表1,铁塔各个构配件的应力均符合材料设计强度要求[4]。

表1 角钢塔各塔段内力设计值

3 通信塔桅改造为微波基站的应用

3.1 技术背景

在茫茫大海上,一眼望不到边,因此,对于信号的传输也提出了较高的要求。由于在海上没有其他障碍物的遮挡,因而利用微波的形式进行传输成了一个比较经济可行的解决方案。如果利用原有的一些通信塔桅改造成符合使用条件的微波站,将极大地节省投资造价和有效降低工程建设难度,可以真正实现大范围信号覆盖需求。

3.2 技术方案

浙江近海一座孤立的小岛上有一座25 m 高的四角角钢塔,有2 个天线平台,高分别为25 m、19 m,每平台6 个天线抱杆,每个抱杆设计负荷面积不超过0.6 m2挡风面积。根据相关建设要求,现在该塔9 m 处改造对称的2 个微波天线抱杆(见图5、图6),每个天线抱杆上挂载直径为2 m 的微波设备,因设备挡风面积达到3.14 m2,对位于海上高风压区域而言,风压是主要荷载,需要对原有铁塔进行特别改造加固以适应该应用场景。

图5 微波天线抱杆立面图(单位:mm)

图6 微波天线抱杆俯视图(单位:mm)

根据现场施工条件,所有加装的构配件均根据图纸大样预制完成运至现场拼装,在原有铁塔9 m 处增加一个基座平台,用于固定增加的2 个天线抱杆,因抱杆所受的风荷载较大,特制三点五支撑的超静定结构抱杆节点图见图7,用于稳定其结构负荷抱杆节点图见图8。

图7 抱杆节点图1(单位:mm)

4 结语

此类塔桅改造能够快速实现建站目的,大大缩短工期,降低造价,全国范围内此类存量塔较多,覆盖范围广,可以满足相关部门的部分需求,是种较好的应用选择,值得推广。

图8 拖杆节点图2(单位:mm)

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