带有长悬臂监控杆通信塔的设计探讨

惠丽洁，孔珂，杨斌

（中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司，济南 250101）

1 引言

城市市区通信基站的选址和建设难度越来越大，且各类杆路林立，影响环境美观。已建的通信基站往往也未经城市规划批准，随着城区面积扩大，存在基站搬迁、拆除等问题。通信基站和道路监控杆、路灯杆等在城市建设中都是必不可少且广泛分布的，若能将新建基站的规划建设和城市基础设施的杆件协同设计实现资源共享，则可以较好的解决基站选址难及城市立杆较多的问题，也能大大减少基站搬迁等不稳定因素。建设市政一体化基站，实现城市基础设施的共建共享，不仅加快城市向智慧城市的迈进步伐[1]，而且可一定程度上减少政府投资，节约土地资源。

目前通信基站的建设在满足运营商网络覆盖要求的同时也尽量满足建设场景的功能需求，如景观造型、路灯照明、监控等。目前利用道路监控用长悬臂监控杆来悬挂运营商天线较少应用，此类监控杆设计为T形或Г形，立杆高度不满足天线挂高要求。长悬臂监控杆因横臂较长，其上悬挂设备较多，一般需要较粗的立杆和较大的基础来满足整个结构的抗倾覆设计。本文提出将长悬臂监控杆和通信塔联合设计，在监控杆的建设位置建设通信塔，利用通信塔及其基础满足监控杆横臂的承载力和抗倾覆要求。

2 带长悬臂监控杆通信塔的结构与设计

2.1 设计思路

道路监控杆的监控臂，一般4～12 m长、6.5～7 m高，其上主要安装监控设备和道路标志等。监控臂的设计可根据监控道路宽度确定其长度，依据使用单位需安装设备的大小和重量确定其荷载，本文仅考虑监控臂上安装监控设备。通信塔的高度依据天线挂高确定，并可根据周围环境选择合适的塔型，荷载主要为天线设备和塔身的风荷载，风荷载为计算控制荷载。监控臂通过法兰连接节点将荷载传递给塔身，设计模型如图1所示。

图1 带长悬臂监控杆通信塔的设计模型

结构设计需满足相关技术要求，塔顶位移满足1/40塔高。监控臂的挠度限值需满足其上安装设备的要求。由于监控臂在重力荷载作用下，杆端有向下的初始挠度，并且横臂越长，杆端竖向位移越大，因此需从连接节点处对监控臂进行结构预起拱，预拱度可根据横臂长和监控臂安装设备的重量来确定。

通信塔和监控臂均采用变截面悬臂梁模型。由于塔身和监控臂是变截面构件，建模时将其划分为管径不同的等截面构件计算，每段划分长度不大于3 m，采用每段杆件中间的直径和壁厚来定义模型的每段构件截面，塔底采用刚性约束固定，横臂与塔身连接节点采用刚接，将天线、监控设备、避雷针等的自重及风荷载以节点集中力的形式施加于结构上。塔身及监控臂按照粗糙圆计算，体形系数取0.9[2]，其承受风荷载采用杆件导荷载作用于结构。

通信塔塔身截面采用正十二边形，监控臂截面采用正八边形。在风荷载或地震作用下，此类结构最不利受力方向有两种工况，如图2所示。两种工况的控制荷载组合均为1.2恒载+1.4风荷载。

2.2 模型计算

图2 荷载作用方向

以0.45风压20 m高带长悬臂监控杆的通信塔为例，考虑在塔顶设置一副集束天线，塔身设置2层6副天线。集束天线迎风面积为1.8 m2，每副板状天线迎风面积为0.6 m2，每副RRu迎风面积为0.2 m2。塔身距地面7 m处设置9 m长监控臂，其上每间隔1 m的节点上设置两个监控设备近似考虑荷载。每个设备迎风面积为0.1 m2，重量为0.1 kN，共计考虑6个节点的荷载。结构设计使用年限为50年，地面粗糙度为B类[3]，抗震设防烈度为8度，结构主体材料采用Q345钢。

2.3 计算结果对比分析

通信塔计算需满足塔身强度和塔顶位移两个指标，分别计算X方向风向（工况一）和Y方向风向（工况二）作用下结构塔脚反力、塔顶位移及自振周期等指标，并采用未加监控臂的单管塔模型做对比模型， 计算结果对比见表1。

表1 结构整体受力计算指标

从结构受力的两种工况计算结果可以看出，X方向风荷载作用下（工况一）通信塔上部结构承受的风荷载和监控臂的风荷载效应发生叠加，此时塔脚反力、塔顶位移及监控臂杆端位移均最大，为上部结构承载力设计和下部基础设计的最不利工况。带监控臂通信塔的塔脚反力较对比通信塔模型塔脚反力增加8.7%。由此可得，监控臂对地脚锚栓及铁塔基础的设计影响较小，并且通信塔越高，监控臂产生的荷载占比会越小，反之则越大。

3 连接节点的设计及分析

对于监控臂根部法兰设计可依据单管塔法兰设计方法，法兰螺栓连接计算可根据高强螺栓群承受剪力和弯矩的计算方法。对于节点在塔身上的连接节点是保证整个结构协同工作的关键，需保证足够的可靠度。

3.1 节点法兰构造

考虑监控臂受力特点及加工工艺，对于节点在塔身的构造采用框型结构，通过竖向连接板和横向加劲肋来保证连接的可靠性，节点构造如图3所示。通过模型计算分析，监控臂受力最不利工况不同于整体结构，最不利工况为风荷载垂直于监控臂方向（工况二）。监控臂根部最不利受力为：Vz=-3.9 kN，Vy=-2.3 kN，My=18.4 kN.m，Mx=-12.2 kN.m。

图3 塔身连接节点示意图

3.2 塔身连接焊缝计算

根据《钢结构设计规范》，焊缝连接计算公式如下[4]：

式(1)-(3)中τf为角焊缝剪应力，hf为角焊缝焊角尺寸，lf为角焊缝有效长度，σf为角焊缝正应力，βf为正面角焊缝强度设计值增大系数，取βf=1。

法兰与塔身间的焊缝群协同受力，为简化计算，将监控臂的竖向的弯矩和剪力由法兰节点的竖向焊缝承受，水平方向的弯矩和剪力由横向焊缝承受，则竖向荷载作用下焊缝强度计算如下：

因水平方向剪力较小，只算弯矩产生的应力，计算如下：

由式（7）计算过程可知，竖向连接板在塔身和法兰间的焊缝连接有足够的可靠度，横向加劲肋和连接法兰的焊缝连接也能满足焊缝强度要求。横向加劲肋和塔身间焊缝面积比与法兰连接面积大，可以认为安全。

3.3 节点受力有限元分析

对于连接节点局部受力分析，通过有限元软件进行受力模拟验证。有限元模型采用实体单元，选取4 m长塔段及1 m长监控臂。将计算出的通信塔上部结构及监控臂传递给节点的荷载分别施加于节点，节点下端按固结考虑。有限元模拟应力云图如图4所示。

图4 节点有限元模拟应力云图

模拟结果表明，增加长悬臂监控杆对塔身应力影响较小，塔身承受的最大应力水平小于塔身钢材的强度设计值。通过设置横向加劲肋和纵向连接板能够保证监控臂和塔身的可靠连接，但是竖向连接板在和塔身连接的上部末端有应力集中现象。设计时可对竖向连接板端部采取加强措施，如设置成梯形、保证焊接质量等，减少应力集中现象。设计长悬臂监控杆通信塔时，可在普通单管塔设计的基础上将最下段塔段壁适当加厚来增加塔身在连接节点处的承载力和局部稳定，并减少通信塔和横臂晃动的相互影响。

4 结束语

本文分析探讨了带长悬臂监控杆通信塔的设计方法，计算结果表明监控臂对通信塔塔身及基础的设计影响较小，框型节点设计可保证监控臂和塔身连接的可靠性。本文论证合理的结构设计可以实现通信塔和道路监控杆的共建共享，为此类个性化塔型需求提供可靠的设计依据。随着城市的发展和技术的进步，铁塔公司必将加大通信基站共建共享及多路经营的建设力度，将通信塔与道路监控杆、路灯杆、广告牌等城市基础设施协同设计，将是未来城市基站建设的发展趋势。