角钢通信铁塔结构自振特性分析及应用

秦柯非

(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)

角钢通信铁塔(角钢塔)是现在常用的一种通信铁塔形式。其塔身是由角钢组成并通过螺栓连接而成的格构式通信铁塔结构。

角钢塔在通信铁塔的实际应用中是一种出现比较早的铁塔形式，一般主要受力构件是由四根塔柱组成，通过角钢将塔柱连接起来，组成一种桁架式的高耸钢结构。这种形式的铁塔自身刚度大，变形小，遇罕遇风灾不易倾覆;杆件几乎都采用角钢，加工工艺简单;另一方面，角钢塔的桁架式结构由杆件组成，运输和安装便捷迅速、建设工期短;塔身截面宽度可随其承受的荷载不同而变化，线条美观，易于优化。以上的优点使得角钢塔在通信铁塔的实际应用中仍占有重要的位置。

对于角钢塔这样的自立式塔架结构，由于自重轻、结构形式规则、刚度变化均匀、钢结构承受的变形大等优点，地震作用在铁塔的设计过程中并不起控制作用。而由于需要在塔身的顶部安装天线平台等挡风设备，造成了风荷载是其控制荷载。

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。自振周期即结构系统按某一振型完成一次自由振动所需的往复时间。在结构风荷载作用计算中，结构自振周期是设计人员需要根据所设计结构确定的重要参数，其是否正确取值影响到结构设计人员对铁塔自振特性的把握。这就需要通过对实际铁塔的观测和计算机模拟计算进行分析和总结，并在此基础上总结出简便实用的基本自振周期计算公式。

1 对角钢塔的参数选择和3D3S模型计算

实际工程应用中，常用移动通讯角钢塔的高度一般在37 m～57 m之间。低于35 m的通信铁塔一般可采用单位高度用钢量更为经济的其他铁塔形式;而对于一般的移动通信基站而言，57 m的天线挂高基本可以满足工艺要求。

除了自身高度因素外，对结构基本自振周期有显著影响的另一因素是塔身的重量，由结构动力学可知，结构重量的改变会引起其自振特性的改变。引起角钢塔重量发生改变的因素主要是为安装检修天线提供操作空间的外平台数量。一般角钢塔的外平台为圆形，由角钢，槽钢和钢筋组成，外平台的栏杆上安装天线支架。平台的重量随其直径大小而变化，一般在680 kg左右;天线支架因构造不同，重量一般在50 kg～60 kg之间;一般面包天线的重量在20 kg～25 kg。在进行建模计算时，平台重量取680 kg，天线支架取每副60 kg，天线重量取每副25 kg，按通常的情况，每层平台安装6副天线支架和6副面包天线，每层平台合计重量1 190 kg。角钢塔的避雷针安装在塔身顶部，起保护天线防止雷击的作用，其构造形式相对简单，一般重量在200 kg左右。

一般每个角钢塔有一到两个外平台就可以满足一个通信运营商的使用要求了。而随着减耗增效的要求，三家移动通信运营商共建共享的铁塔也越来越多。这就要求在一个铁塔上安装更多的平台来满足不同运营商的不同需求。

在本文模型建模过程中，依据实际使用的情况，平台的标高设置为距塔顶2 m安装第一平台，其余平台按距上一平台3 m间距设置，同时为了对比未设置平台的角钢塔的自振特性，本文分别计算了无平台和设置一、二、三、四个平台时不同塔高角钢塔的基本自振周期。

对于角钢塔的基本自振周期计算，可以利用同济大学三维空间钢结构软件3D3S进行建模计算。本文对37m，42m，47m，52m，57m共5种实际工程中常用高度(不含避雷针高度)的角钢塔进行计算分析。所采用的角钢塔模型顶端横截面边长为1.5 m，塔身根开7.5 m，钢材采用Q235B，各个高度铁塔各段的边长和塔柱型号等参数如表1所示。

结构中其他杆件均采用角钢，角钢型号在0.35 kN/m2基本风压下满足GB 50017-2003钢结构设计规范的要求。

2 模型的计算结果和计算数据的拟合

通过以上大量的模型计算，得到不同高度和平台数量的角钢通信塔的自振基本周期如表2和图1所示。

因为实际工程应用情况的不同，角钢塔的高度、外形、重量等因素也是各不相同，为了便于在实际应用中便捷的估算角钢塔的自振基本周期，显然我们需要分析并总结出简单易行的结构自振基本周期估算规律以补充实际设计工作。

表1 塔身各标高对应的边长和塔柱型号

图1 3D3S模型计算的角钢塔自振基本周期

表2 不同塔高和平台数时的基本自振周期 s

通过对以上计算的结构自振基本周期数据进行多项式拟合，可以得到估算角钢塔自振基本周期的实用公式:

式中:H——塔高，m;

x——平台数。

由以上总结的公式中可以看出，对于一般形式高度在37 m～57 m之间的角钢塔，其自振基本周期同塔高呈线性增长关系，也就是说，塔的高度越高，其自身周期越长，结构刚度越小;另外，塔身自振基本周期随着平台数增多、重量的增加而增大，这与理论计算的结果是相吻合的，亦即随着平台重量的增大，塔体自振周期变长。我们还可以从公式中看到，随着增加的平台高度的逐步降低，平台数量对周期的影响权重是不断下降的。

为了更清楚的比较实用计算公式计算结果与模型计算结果，表3列出了两者之间的误差。从表3可以看出，用多项式拟合的表达式和3D3S模型计算出来的结果曲面吻合的较好，而且拟合公式形式和计算都较为简便，便于工程人员在实际工程中应用。

表3 实用公式与3D3S模型计算结果的误差

表3为实用公式计算出来的25种角钢塔自振基本周期与3D3S模型计算结果的比较。由表3中可以发现，两组数据相差的幅度在5%以内，其拟合结果是比较满意的。故本文提出的实用公式可作为实际设计中计算通信角钢塔结构自振基本周期方法的有益补充，在实际工程中具有一定的参考价值和实际意义。

3 结语

角钢通信铁塔的结构基本自振周期是其自振特性的重要特性。准确而快速的确定结构基本自振周期对于把握角钢塔的自振特性有很大的帮助。本文利用同济大学三维钢结构软件3D3S建模对不同塔高和平台数角钢塔的自振基本周期进行模拟计算，计算了高度从37 m～57 m，无平台和安装一、二、三、四个圆形外平台共25种角钢塔的自振基本周期。并且根据3D3S模型计算结果，拟合出估算不同塔高和平台数的实用公式，为更准确的估算角钢通信塔自振特性做了有益的探索。

［1］GB 50009，建筑结构荷载规范［S］．

［2］GB 50135，高耸结构设计规范［S］．

［3］GB 50017，钢结构设计规范［S］．

［4］沈之容，倪 阳，徐华刚．钢结构单管通信塔自振基本周期的研究［J］．特种结构，2008(2):27-28．