基站机房承重核算及相关问题探讨

2015-04-13杨力良李小锋中讯邮电咨询设计院有限公司河南郑州450007

邮电设计技术 2015年9期

杨力良，李小锋（中讯邮电咨询设计院有限公司，河南郑州450007）

0 前言

受历史和现实条件影响，通信基站（BTS）相当一部分为租赁现有各种用途的房屋改造为通信机房，且在安装设备时经常没有土建专业查勘配合，很多通信机房本身的承载力已经不满足建筑结构可靠性的承载标准。另一方面，随着通信事业的高速发展，加之近年3G、4G以及共站共享等工程，机房内设备越来越多，所以机房承重核算及改造问题就突出表现出来。通过机房承重核算既可确切掌握现有机房是否存在超载问题和安全隐患，也可为下一步机房改造提供依据。本文就机房承重核算问题进行分析，提供机房承重核算的方法并探讨使用中须注意的问题。

1 承重核算的前提与思路

机房承重核算一般仅针对其影响范围内的梁、板、柱进行分析，要保证核算结果真实、可靠、有意义，需要把握以下几个前提条件。

a）机房所在建筑是经过有资质的正规单位设计，并且在建设和使用中未出现重大质量问题（如较大的受力裂缝、受过火灾等）。

b）要有原建筑详实的结构设计资料，诸如梁、板、柱、剪力墙的布置情况，原结构设计荷载，原结构配筋等。

c）应有详尽的机房内设备重量及布置情况（包括远期与近期）。

承重核算的根本思路是设备与结构自重产生的效应S 与结构抗力R，当S

根据建筑材料的不同，建筑及结构分为钢筋混凝土结构、砌体结构、钢结构、木结构，大量通信基站均位于钢筋混凝土结构或砌体结构房屋内，对此2种房屋，其楼面及屋面板分为现浇钢筋混凝土楼板和预制钢筋混凝土楼板。现浇钢筋混凝土楼板依据板的长宽比分为单向板和双向板，长宽比小于2的为双向板，受力模式为四边承重，大于2的为单向板，受力模式为沿短向两边承重。

2 预制板机房的承重核算

现有机房楼面有相当一部分是预制板，尤其是在城乡结合部和农村租用民房作为机房的。预制板楼面传力比较明确，板与板之间的连接比较薄弱，一般不考虑荷载扩散，承重核算比较容易。可以按照如下的步骤进行。

a）确定板的摆放方式，以及板的约束端位置。

b）找出实际受荷最大的板，并按照板的实际荷载确定计算简图。

c）分别计算设备和设计活荷载产生内力并比较得出板承重结论。

d）根据板在实际荷载下的支反力计算板端约束（梁或者墙）的内力，并和活荷载作用下的内力进行比较，得出梁或者墙的承载力结论。

e）根据梁上的支反力计算柱实际受力情况，并和柱子设计活荷载作用下的内力比较，得出柱子承载力的结论。

算例1：机房尺寸为3.6 m×5.4 m，预制板的跨度为3.6 m，板宽为600 mm。机房内蓄电池为单层双列摆放。设备摆放方式如图1（a）所示；机房内设备相关参数如表1所示。

依据预制板和设备的布置情况，可以看出放置C网设备的板荷载最大，位置也最不利。所以可以取此板进行承重核算。计算简图如图1（b）所示。其中q6表示电池在板上产生的线荷载，qx表示设备在相应板上产生的线荷载。根据图1（b），可以由结构力学知识计算得到板的最大弯矩值Mb1，板端剪力Qb1。如果Mb1和Qb1满足下式（1）和（2），则在机房实际荷载下板能够满足原设计可靠度下的承重标准。

表1 机房内设备相关参数

图1 预制板机房计算简图

式中：

qL——原楼的楼面设计活荷载标准值

l——楼板的跨度

b——预制板宽度

根据图1（b），可计算每块板的板端支反力，将其等值反号后的值就是梁上的实际作用力Fx（x=1、2～6）。由此可以计算梁的最大弯矩ML1和最大剪力QL1。当ML1和QL1分别满足下式（3）和（4）时，则在实际荷载下梁能够满足原设计可靠度下的承重。

式中：

MLL——梁的弯矩的设计承载力，根据设计均布活

3 现浇板机房的承重核算

与预制板不同，现浇板整体性好，设备作为局部荷载作用在其上时会有一定的扩散，所以应把设备产生的荷载等效为均布荷载，将均布荷载与设计活荷载比较得到板的承重结论。

《建筑结构荷载规范》（GB 2009-2012）附录C（下称规范附录C）规定的等效原则如下：

a）楼面（板、次梁及主梁）的等效均布活荷载，应在其设计控制部位上，根据需要按内力（如弯矩、剪力等）、变形及裂缝的等值要求来确定。在一般情况下，可仅按内力的等值来确定。

b）连续梁、板的等效均布活荷载，可按单跨简支计算。但计算内力时，仍应按连续考虑。

3.1 单向板等效均布荷载计算

单向板上一个局部均布荷载（包括集中荷载）的等效均布活荷载qe可按式（5）计算。

式中：

l——板的跨度

b——板上荷载的有效分布宽度，按照规范附录C.0.5确定

Mmax——简支单向板的绝对最大弯矩，按设备的最不利布置确定

计算Mmax时，设备荷载应扣去设备在该板跨内所占面积上由操作荷载引起的弯矩。

若由（5）式所算得的qe

在用规范附录C确定等效均布活荷载时应该明确以下几个问题。

a）计算局部荷载作用下的最大弯矩Mmax时，局部荷载不能简单采用集中荷载代替，否则计算结果会有较大偏差，结论偏于保守。

b）规范附录C是针对结构设计提出来的，所以在计算局部荷载作用下Mmax时，取的是设备最不利的摆放位置。在承重核算中，因为设备布置是已知的，为充分挖掘结构承载力潜能，可按实际荷载所在的位置计算最大的Mmax。

按实际局部荷载布置计算Mmax，采用公式（5）计算等效均布荷载，其物理概念并不明确。因为实际Mmax是距离支座A为X处的弯矩（见图2（a）），而公式（5）中与其等效的弯矩位置在跨中（见图2（b））。上述计算方式概念不明确，但其计算结果是可用的，因为板底部钢筋是通长的，板块各处受弯承载力均相等。也可按实际荷载计算Mmax，依据结构力学公式计算qe1，使均布荷载qe1作用下x处的弯矩M1max=Mmax。如此确定的qe1结果偏大，其产生的跨中最大弯矩M2max大于实际板中最大弯矩M1max（见图2（c））。

图2 不同荷载作用下的弯矩图

c）当有多个设备紧密排列，且各设备共享同一个有相当刚度的底座时，可按一个局布均布荷载计算。不满足上述要求时，取设备最不利布置的板块进行计算，不考虑荷载扩散。详细的分析须采用有限单元法。

3.2 双向板等效均布荷载计算

规范附录C.0.6 给出双向板的等效均布荷载的计算原则：“双向板等效均布荷载可按照与单向板相同的原则，按四边简支板的绝对最大弯矩等值来确定”。双向板在均布荷载和单个局部荷载下的弯矩依据式（6）、（7）计算。

式中：

M1——等效均布荷载作用下的板跨中弯矩

M2——局部均布荷载作用下的板跨中弯矩

qe——等效均布荷载

q——局部均布荷载

按式（8）计算的等效均布荷载会偏大，承重核算结果会偏于保守，原因是按照静力计算手册确定的M2是局部荷载作用在最不利位置产生的最大弯矩。双向板上连续布置多个设备时，可参照单项板上多个均布荷载的处理方式，将多个局部荷载等效为一个局部荷载，或采用有限单元法计算。

3.3 梁、柱、墙承重核算

3.3.1 次梁

规范附录C给出了次梁等效均布活荷载的计算方法，该方法同样是基于设计角度提出的，公式中的Mmax、Vmax是按照设备最不利布置确定的。承重核算时，为充分发挥现有结构承载力，应按照实际设备布置计算Mmax、Vmax。按设备实际布置确定次梁内力会遇到如下问题：设备布置在单向板上时，设备重量按照到两边支承梁的距离分配，但设备布置在双向板上，则设备荷载会向四边梁传递（见图3），各边梁分配的设备荷载如何确定成为问题。

图3 局部荷载分配示意图

该问题可采用有限元方法解决，也可按荷载总以最近路径传递的原则，把局部荷载按其到各梁的距离进行分配。如图3，设备自重为G，设备中心距离各梁的距离为a，b，c，d，则各梁所受集中荷载为F1=f（a）/fo（a，b，c，d），F2=f（b）/fo（a，b，c，d），F3=f（c）/fo（a，b，c，d），F4=f（d）/fo（a，b，c，d）。其中fo和f 是与a，b，c，d 相关的函数。

3.3.2 主梁、柱、墙

当荷载分布比较均匀时，主梁、柱、墙的等效均布荷载可由相应构件承担的全部设备荷载除以其全部受荷面积求得，亦可采用有限单元法计算。

3.4 有限元软件的应用

对于现浇结构，采用有限元软件可以方便、准确地核算机房板（单向板、双向板）、次梁、主梁、柱、墙等构件的承重问题。有限元软件可选用切近设计，能够自由划分网格的Midas，sap2000 等。建模时应取一个完整的结构单元，即模型中应包括板、次梁、主梁、柱（见图4），楼板网格的划分应依据设备底座尺寸确定，以保证设备荷载能按照其实际输入。将设备作用下各构件的内力S 与设计活荷载作用下各构件内力S1比较，当S