5G通信基站单管塔高强钢的应用分析

吴壬彬

5G通信基站单管塔高强钢的应用分析

吴壬彬

（福州汇智龙通信咨询有限公司，福建 福州 350000）

对Gr65高强钢单管塔和Q345普通钢单管塔进行了计算分析，发现在位移接近限值的情况下，Q345单管塔屈服强度富余量较小，钢材强度利用较充分；Gr65单管塔同样在位移接近限值的情况下，屈服强度富余量较大，钢材强度未被充分利用。优化Gr65单管塔壁厚后，内力无明显变化，塔体质量较Q345单管塔减小5个百分点。

5G基站；单管塔；高强钢；位移限值

1 引言

自中国铁塔公司成立以来，三大运营商原有的基站资产，大部分被中国铁塔公司购买，成为中国铁塔公司固有资产。运营商开始不再自建新的基站，而是把需求提交给中国铁塔公司，由中国铁塔公司负责基站配套的建设，运营商直接租用中国铁塔公司的基站。这种方式，避免了三家运营商在基站建设上各自为战，改成由中国铁塔公司负责建设基站，减少资源浪费。随着5G建设的开始，基站密集度将会更大，选址也变得越来越困难，铁塔方案需要根据业主的要求进行不断优化，特别是位于城市中心，要求杆塔直径尽量小，减少占地面积，更美观。本文以单管塔为例，通过计算，比较Gr65高强钢和Q345普通钢在相同荷载条件下的管径大小及质量变化，分析其经济性。

2 材料简介

Gr65全称为ASTM572 Gr65，是美国生产的一种高强度结构钢，在国际上运用极为常见。ASTM572是美国材料试验协会第572号标准，Gr指屈服强度，65是英制量纲屈服强度值，指屈服强度为65千磅/平方英寸，相当于国内标准 450 MPa。Gr65钢材比国内的高强度钢材Q420、Q460，镀锌性能更好。Q345是国内运用广泛的一种低合金钢材，目前国内通信行业生产的通信塔的塔身材质，主要以Q345为主。“Q”为屈服强度，345表示这种钢材屈服强度为345 MPa。

3 计算案例

3.1 设计概况

单管塔可视为竖向悬臂梁结构，与房屋建筑不同，受水平荷载（风荷载）的影响较大。本工程选用35 m外爬插接式单管塔，安装5GAAU通信设备进行设计分析。

3.2 塔身尺寸

塔高35 m，底直径1.05 m，顶直径0.45 m。塔身分四段，塔段<1>为10 m，壁厚=12；塔段<2>为9 m，壁厚=10；塔段<3>为8 m，壁厚=10；塔段<4>为8 m，壁厚=8。

3.3 单管塔示意图

35 m单管塔如图1所示。

图1 35 m单管塔示意图

3.4 设计参数

3.4.1 主要计算参数

铁塔的设计基准期为50年，设计使用年限为50年，结构安全等级二级，抗震设防类别丙类。

恒荷载：采用抱箍式平台，每付抱箍含3根支臂。平台恒荷载为2.3 kN（含AAU设备，塔脚环质量）。

平台活荷载：2.0 kN/m2。

5G天线AAU挡风面积：每副0.5 m2（新版YD/T 5131—2019《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》相关条文规定可对天线面积进行折减，本文计算暂不进行折减）。

风荷载：基本风压0.75 kPa；地面粗糙度B类，建设地点位于平地；杆塔体型系数为0.8，5G天线AAU体型系数为1.3。

地震参数：地震烈度及设计基本地震加速度7度0.10 g；场地类别二类；设计地震分组二组。

3.4.2 荷载组合

移动通信工程钢结构构件承载能力极限状态设计应采用荷载效应的基本组合，并按下列极限状态设计表达式中的最不利值确定。

由可变荷载效应控制的组合：

由永久荷载效应控制的组合：

式（1）（2）中，永久荷载分项系数G、Q在新版GB 50088—2018《建筑结构可靠度设计统一标准》中已作出调整，因此相应规范的分项系数也应该修改过来。

分项系数调整如表1所示。

3.4.3 计算过程

单管塔设计常用软件有同济大学3D3S、sap2000、ANSYS。本文数据采用同济大学3D3S（14.1）计算。节点荷载如表2所示。单元荷载如表3所示。杆件导荷载如表4所示。

表1 建筑结构的作用分项系数

作用分项系数适用情况 当作用效应对承载力不利时当作用效应对承载力有利时 γQ1.3≤1.0 γP1.3≤1.0 γG1.50

表2 节点荷载列表（力单位：kN）

序号荷载类型工况PxPyPz 1恒00.0000.000-0.90 2恒00.0000.000-6.000 3恒00.0000.000-2.300 4活20.0000.000-2.000 5风10.9140.0000.000 6风14.5470.0000.000 7风16.4400.0000.000 8风16.1570.0000.000 9风15.7670.0000.000

表3 单元荷载列表（分布力单位：kN/m）

序号荷载类型工况类型方向Q1 1884恒0集中荷载Z-0.3

表4 杆件导荷载列表（分布力单位：kN/m）

序号荷载类型工况导荷方式体型系数面荷载值（基本风压） 18风1直接杆件0.800.75

3.4.4 计算结果

在相同杆塔尺寸条件下，分别采用Q345和Gr65进行计算，计算结果如表5所示。

表5 内力位移计算结果列表

钢材型号支座反力（最不利组合）应力比塔顶位移/mm塔顶位移限值/mm塔质量/kg 轴力/kN剪力/kN弯矩/m Q345116.187.92 183.40.871 009.51 0618 113 Gr65116.187.92 183.40.671 009.51 0618 113

根据计算分析模型，进行规范检验，Q345钢材应力比最大值为0.87，Gr65钢材应力比最大值为0.67，Q345和Gr65塔顶位移为1 009.5 mm。检验结果表明，结构能够满足承载力计算和位移计算要求。

最大正位移组合如图2所示。杆件应力比分布（Q345）如图3所示。杆件应力比分布（Gr65）如图4所示。

由以上结论可知，单管塔采用Gr65高强度钢材质，减小单管塔底部直径的作用并不明显，采用高强度钢材后，单管塔的计算以位移控制为主，Gr65高强度钢的应力比只达到0.67，盈余较大，无法发挥其屈服强度大的作用。而Q345在位移接近极限的情况下，应力比达到0.87，塔身强度被充分利用。

4 经济分析

在相同杆塔尺寸下，减小Gr65单管塔塔段<2>的壁厚，由原来10厚变成8厚再进行计算，计算结果如表6所示。

图2 最大正位移组合（Q345/GR65）

图3 杆件应力比分布图（Q345）

图4 杆件应力比分布图（Gr65）

表6 内力位移计算结果列表

钢材型号支座反力（最不利组合）应力比塔顶位移/mm塔顶位移限值/mm塔质量/kg 轴力/kN剪力/kN弯矩/m Gr65调整壁厚111.788.12 191.80.731 0501 0617 678

由计算结果可知，Gr65单管塔壁厚减小情况下，内力并无明显变化，调整壁厚，应力比提升6个百分点，还有不少盈余。同样表明高强钢单管塔以位移控制为主，在位移达到限值时，屈服强度还有较大的盈余。

壁厚调整后，塔质量比原来减小5个百分点。由于高强钢提炼工艺更为复杂，出厂成本比普通钢材更高，所以，虽然35 mGr65单管塔比35 mQ345单管塔质量减小5个百分点，但是由于Gr65的出厂价更高（约高于Q345钢材10个百分点），所以，在节约成本方面高强钢也无优势。

5 结论

通过计算分析可知，单管塔使用Gr65钢材材质，并不能减小管径和节约造价，主要原因为使用高强钢后，单管塔计算参数以位移控制为主。而单管塔的位移控制又影响着通信设备发射信号的稳定，以及维修设备时攀登在塔顶维护的人员安全，需要严格控制。所以，从美化要求和成本控制方面考虑，单管塔材质使用Gr65钢材并无明显优势。

［1］同济大学，同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，中冶东方工程技术有限公司，等.GB 50135—2019高耸结构设计标准［S］.北京：中国计划出版社，2019.

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50017—2017钢结构设计标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2017.

［3］史志华，肖从真，陈凯，等.GB 50068—2018建筑结构可靠性设计统一标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2018.

［4］谢郁山，徐少伟，赖良方，等.YD/T 5131—2019移动通信工程钢塔桅结构设计规范［S］.北京：北京邮电大学出版社，2019.

［5］华信咨询设计研究院有限公司，广东省电信规划设计院有限公司，江苏省邮电规划设计院有限责任公司，等. Q/ZTT 1001—2015通信铁塔技术要求V1.1［S］.出版社不详，2015.

2095－6835（2020）06－0019－03

TU392

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.006

吴壬彬（1990—），男，大学本科，工程师，项目经理，从事铁塔基站钢结构和土建配套方面的设计、研究工作。

〔编辑：严丽琴〕