通信角钢塔和锥管塔特性比较

董大勇 穆宇亮

(中钢集团工程设计研究院有限公司石家庄设计院塔桅分院，河北石家庄 050021)

通信铁塔是指为移动通信天线提供所需的不同高度、不同安装环境和其他要求的塔架结构，高度通常在15 m～60 m之间，一般由钢结构构件建造组装而成，结构上属于钢结构高耸结构，其特点是结构高宽比大、整体刚度小、自振周期长，控制外荷载主要为横向风荷载，力学上整体属于悬臂受弯构件。通信铁塔结构形式主要分为空间桁架类的角钢塔和悬臂梁类的锥管塔两大类(近几年空间桁架类的三管塔应用也逐渐增多，本文仅以桁架类的角钢塔为例)。空间桁架塔通常采用角钢通过节点板和螺栓连接而成，国产角钢绝大部分是直角角钢，因此角钢塔大都是四边形截面，即四边角钢塔。单管通信铁塔(单管塔)是一种较新形式的通信铁塔，它是由法兰盘连接的若干段圆截面(或类似圆截面)锥形钢筒或套筒式连接的若干段多边形钢筒而成的通信铁塔结构形式。目前在实际工程中，四边形角钢塔和锥管塔占通信工程地面基站的70%以上。两种形式的铁塔因为构造形式不同，其自身特性也有相当的差异。如何在实际建设过程中依据使用要求及其自身特点优选塔形，对于节省用钢量有重要意义。

1 对比塔形情况

实际工程中，根据使用条件的不同，铁塔的具体条件也不尽相同，自立铁塔塔高一般在37 m～52 m之间，平台数量可能有若干个，基本风压一般在0.35 kN/m2～1.0 kN/m2之间。本文选取较有代表性的使用条件进行比较，按铁塔高度47 m，基本风压0.4 kN/m2，平台数量两个，两种铁塔外形见图1，具体技术条件见表1，表2。本文采用SAP2000结构有限元分析软件对角钢塔和锥管塔进行了建模分析。

表1 角钢塔的技术指标

表2 锥管塔的技术指标

图1 两种铁塔外形

2 铁塔自振周期及振型对比

铁塔的自振特性是结构本身的重要特性，在结构的振动分析中，结构的固有频率和振型是承受动力荷载结构设计中的重要参数，也是结构动力分析的基础。各阶频率所对应的振型决定了其动力参与系数的大小，也就决定了其对结构动力响应所作贡献的大小。通过对结构的振型分析，可以明确结构的刚度分布情况，从而得知结构各个部分刚度的强弱。

通过模型计算，其结果见图2和图3。

图2 角钢塔自振周期

图3 锥管塔自振周期

由图2，图3中可以看到，角钢塔的基本周期为0.459 s，而锥管塔的基本周期为1.88 s，说明锥管塔的刚度小于角钢塔，其自身刚度较小。

从其各自前9阶的振型可以看到，角钢塔的前两阶振型为整个塔身的振动，从第3阶开始不再为整体的振动而变为局部杆件的振动。锥管塔的振型较为规则，成对的向整体高阶振动过渡，因为塔身壁厚满足规范规定的最小径厚比要求，计算模型未出现局部振动。

3 铁塔变形对比

铁塔的刚度是通讯专业对铁塔的主要要求指标，塔身在使用过程中过大的摆动会影响信号的传输稳定性。移动通信铁塔对结构位移要求不高，只需要满足规范规定的高耸结构水平位移限值。如果通信塔上装设微波天线，兼作微波塔，则对结构位移的要求就要高很多，还必须满足较为严格的方向性等工艺要求。

在实际工程中，主要通过控制风荷载作用下塔顶位移来控制整个塔身的变形，GB 50135-2006高耸结构设计规范规定，高耸结构在以风为主的荷载标准组合下按线性分析的塔顶水平位移限值为塔高的1/75。由模型计算的在相应组合荷载下的位移，角钢塔塔顶位移为324 mm，为塔高的1/145;锥管塔塔顶位移为561 mm，达到塔高的1/84。由此可见，在相同条件下，角钢塔的塔顶位移仅为锥管塔的58%，其变形比锥管塔小很多。

4 铁塔重量对比

铁塔的用钢量是衡量经济性的重要指标。伴随着通信业的高速增长，包括通信塔在内的电信基础设施得到了快速的发展。移动通信网络，尤其是GSM网和3G网络的建设，极大的促进了通信铁塔的建设，这种通信塔遍布城乡，数量惊人。因此，铁塔用钢量就成为各大运营商非常重视的经济指标之一。文中两种塔形每段塔段的重量见表3和表4，表3，表4中重量仅包含塔身用钢量。

表3 角钢塔各塔段重量

表4 锥管塔各塔段重量

由表3，表4中可得，同样条件下，角钢塔塔身用钢量为12.47 t，而锥管塔用钢量仅为10.85 t，角钢塔比锥管塔多用1.62 t的钢材。

5 结语

通过对两种结构形式铁塔的分析可以看到，在同样高度、风压及平台数的情况下，角钢塔的自振周期比锥管塔短，说明其自身刚度大于锥管塔，相应其在风荷载作用下位移也较小，但锥管塔比角钢塔可以节约14.9%的钢材。由此，可以得出两种铁塔的优选条件，在塔顶位移可以满足使用要求的情况下，可优先选用锥管塔，可以达到节省用钢量的目的;而在对于塔身位移有较严格要求的情况下，可考虑选用自身刚度较大的角钢塔。

［1］王肇民.高耸结构设计手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1995.

［2］沈之容.钢结构通信塔设计与施工［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［3］王肇民，马人乐.塔式结构［M］.北京:科学出版社，2004.

［4］GB 50135-2006，高耸结构设计规范［S］.

［5］李 杰，李国强.地震工程学导论［M］.北京:地震出版社，1994.