单管塔塔身优化及耐候钢的工程应用

巨 晶,董轶赟

(华信咨询设计研究院有限公司,浙江 杭州 310052)

外爬支架式通信单管塔迎风面小,塔身简洁,造价较低；该塔形安装快捷,可用于市区、农村等大多数场景,在通信塔领域得到广泛应用。通信基站数量大,而4G和5G基站建设密度更高,通信建设降本增效的要求日益强烈。本文结合通信塔应用的实际需求,分析通信单管塔如何优化设计以降低建造成本。另外,经过工程实际检验,可采用耐候钢降低建设成本,并给出耐候钢单管塔设计建议。

1 单管塔参数优化

1.1 概况

以外爬支架式单管通信塔为例,高度按35 m。

塔体共挂设2层天线,每层板状天线3付(天线迎风面积按0.6 m2/付计,RRU迎风面积按0.2 m2/付计),天线挂高为33.5 m和30 m。

塔体采用圆形截面,塔段间采用套接连接,爬梯采用外爬钉无护圈,设安全绳。

塔体主材采用Q345B钢材,辅材及平台构件采用Q235B钢材；地脚螺栓采用45#钢材(图1)。

图1 模型简图

1.2 设计依据

1.2.1 设计原则

移动通信工程塔桅结构的设计使用年限为50年；塔桅结构的安全等级为二级；塔桅结构的抗震设防类别为丙类；塔桅结构按8度采取抗震措施。

1.2.2 设计荷载

基本风压wo=0.45 kN/m2,地面粗糙度为B类。

1.3 计算理论及依据

根据《钢结构单管通信塔技术规程(CECS:236—2008)》及《移动通信工程钢塔桅结构设计规范(YD/T 5131—2005)》,钢塔桅结构的抗震设防烈度为8度及以下时可以不进行截面抗震验算,仅需满足抗震构造要求。

采用SAP2000 V15通用有限元程序进行结构分析。

塔体采用框架单元建模,截面为变截面圆形。塔体底部与地面采用固结约束连接。SAP2000软件框架单元起始节点和终点之间截面是可以变化的。可以遵从线性、二次或三次方的变化,截面常数相应变化,可以精确模拟变截面的单管塔。

1.3.1 荷载导算

1)塔体荷载

按风荷载计算公式wk=βzμsμzw0进行计算。外爬塔身体型系数μs取0.9。塔身荷载分段按渐变线荷载输入。荷载按管径变化、风压高度变化系数变化等因素精准考虑[1-2]。其中风振系数按式(1)计算。

βZ=(1+ξε1ε2)×k

(1)

式(1)中：ξ为脉动增大系数；

ε1为风压脉动和风高度变化影响系数；

ε2为阵型、结构外形影响系数；

k为平台修正系数。

2)天线荷载

板状天线体型系数取1.3。3副及以上天线均匀安装于同一高度的单管塔塔身且该处塔身直径与天线宽度的比值不小于1.1时,天线总的挡风面积可按天线数量乘天线正面面积,并乘以折减系数K2。K2取值见表1,天线示意见图2。本次计算根据通信天线实际情况取天线荷载折减系数为0.7。天线荷载按水平向集中荷载施加。

表1 K2参数取值表

图2 天线B及L示意

1.3.2 内力计算

分析时设DEAD、WIND(风荷载标准值)、WIND_DISP(风荷载标准值组合)3种荷载工况。WIND_DISP设计工况为几何非线性,考虑P-Δ效应。线性的基本组合和标准组合按现行荷载规范。

1.3.3 承载能力极限状态设计

塔身按照压弯构件验算强度,并考虑管壁局部稳定[3-4]。强度验算按式(2)～(4)。

(2)

μd=1.0D/t≤114.6

(3)

μd=0.565+66.62/(D/t)-1 926.5/(D2/t2)

114.6

(4)

式(2～4)中：N为轴心压力；

M为计入二阶效应弯矩；

W为截面模量；

μd为强度修正系数；

D为截面外径；

t为管壁厚度。

1.3.4 正常使用极限状态设计

横向变形允许值按《移动通信工程钢塔桅结构设计规范(YD/T 5131-xx)(征求意见稿)要求控制,在标准组合下单管塔的u/Hi为1/33,大于现行规范1/40[5]。1/33的位移限值与现行美标吻合[6],调查国内主要厂家天线设备,1/33位移限值完全可以满足工艺需求。

1.3.5 构造要求

构造要求按单管塔规程及钢结构规范,保证局部不先于整体破坏。

1.4 模型分析比较

本次分析,各模型选择时,按极限承载力状态和正常使用极限状态,控制到临界状态,保证在确定管径下壁厚最小或相应壁厚情况下管径最小。比较不同管径、厚度及塔身坡度下,参数对塔体重量的影响,得出较优塔形。

1.4.1 塔身坡度的影响

塔脚尺寸为880 mm时,比较塔顶250 mm到550 mm时,位移及应力比情况。模型几何参数见表2,计算结果见表3。

表2 模型几何参数

表3 研究塔身坡度影响各模型计算结果

应力比最大位置均在塔中部,若底部厚度同上面塔段,则位于底部。随着塔顶直径的增加(塔身坡度的变小),塔脚应力比增大,塔脚反力增大,塔身重量增大,塔顶位移变小,但是位移变化不大。

综合分析,塔身坡度较大时,用材更加合理,符合杆体受力变化曲线；塔脚反力也较小,地脚螺栓和法兰用钢量也更为节省。

位移控制宜在较大塔身坡度情况下,调整塔体直径满足要求。

1.4.2 塔身直径与壁厚影响

在满足极限承载力和正常使用承载力情况下,探讨管径与壁厚的经济性。塔身坡度取基本相同,调整壁厚使各个模型顶点位移相近,计算结果见表4。

表4 研究直径壁厚影响各模型计算结果

相近塔体坡度下,塔身直径增大,可以减轻壁厚,塔体重量下降明显,但是由于迎风面的增大,塔脚弯矩明显增大。直径增加到一定程度,壁厚按局部稳定及构造不能再减小时,增大直径不能降低塔重,塔脚弯矩还在增大,反而浪费。

1.5 实际工程设计对比

采用优化后的塔身坡度及壁厚,对25～45 m单管塔进行设计。实际推广中考虑实际需求,4层平台改为3层平台。优化后塔形在某省得到全面推广。优化后塔形强度位移满足上节中要求,在实际中也未见异常,满足工艺需求。

以原设计图集作为依据比较,优化后塔形普遍可以降低重量20%以上。优化中各个因素对优化的权重比例见图3。

图3 各因素对减轻塔重的权重

0.45风压35 m优化后塔形的质量较原标准图节省1.4 t,塔体可减少造价1.4万元左右。塔脚弯矩值减少25%,独立基础造价减少15%左右(表5)。

表5 0.45风压35 m塔形对比

0.45风压40 m优化后塔形的质量较原标准图节省1.8 t,塔体可减少造价1.8万元左右。塔脚弯矩值减少20%,独立基础造价减少13%左右(表6)。

表6 0.45风压40 m塔形对比

2 塔身材料——耐候钢的应用

2.1 工程设计与实践

通信单管塔处于室外环境中,抗腐蚀非常重要。现在一般国内均采用热镀锌工艺,造价非常高。耐候钢耐大气腐蚀能力强,成本较低,在通信工程中有较大应用前景。设计中应考虑裸露耐候钢材的腐蚀。

笔者于2018年5月在河北省设计一30 m外爬支架式耐候钢单管塔。塔身未采用防腐措施,塔身为朱红色,见图4。试验阶段用量较少,采购相对比较困难。后期规模化生产,采购安装不存在问题。该塔体截至目前,各项指标检测良好,满足使用要求。

图4 耐候钢单管塔

裸露耐候钢铁塔初期建设成本较镀锌铁塔便宜5%～8%左右。后续镀锌铁塔中间需要根据实际情况对铁塔构件进行一系列的防腐蚀措施,运检维修成本高。耐候钢在全设计周期内,无需防腐处理,维护成本低,全寿命周期范围内耐候钢铁塔可节省15%到25%(和普通塔后期维护情况有关)。

2.2 设计建议

现有设计规范对耐候钢规定较少,根据国内外研究进展及笔者实践经验,提出以下设计建议：

1)设计中应考虑裸露钢材的腐蚀,或提高产品的厚度对侵蚀进行补偿。可根据厂家提供长期侵蚀后的有效厚度设计。最大腐蚀量除有可靠依据外,暂按不宜小于0.1 mm考虑。

2)空气若有腐蚀性或者长期处于潮湿环境或海洋性气候,建议表面采用常规涂刷。涂刷前应去除氧化表皮。

3)规定耐候钢应该具有较好耐大气腐蚀性能,要求耐腐蚀性能指数应不小于6.0。根据实际使用环境宜适当提高防腐蚀性能指数要求。应事先约定。

4)耐候钢单管塔插接段腐蚀后的插接段连接性能较好,设计可按普通钢材设计方法。

5)铁塔的螺栓连接节点为非紧密连接节点, 更易存在汽水交替界面,且塔脚易被植被覆盖且容易积水,腐蚀速率较高。单管塔设计塔脚必须进行素混凝土包封；上部主体插接连接性能好,应优先选用。

6)钢材应为镇静钢,微量合金元素及化学成分含量及偏差应满足相关规范要求,性能和工艺要求按《耐候结构钢(GB/T 4171—2008)》,宜作冲击试验要求。

7)尺寸偏差应满足《热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及台件偏差(GB/T 709—2019)》, 《冷轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及台许偏差(GB/T 708—2019)》及其他相关规范要求,可根据国内耐候钢材实际指标适当提高要求。

3 结 语

1)塔身坡度较大时,用材更加合理,符合杆体受力变化曲线；塔脚反力也较小,地脚螺栓和法兰用钢量也更为节省。位移控制宜在较大塔身坡度情况下,调整塔体直径满足要求。

2)相近塔体坡度下,塔身直径增大,可以减轻壁厚,塔体重量下降明显,较为经济,但是由于迎风面的增大,塔脚弯矩增大。直径增加到一定程度,壁厚按局部稳定及构造不能再减小时,增大直径不能降低塔重,塔脚弯矩还在增大,反而浪费。

3)塔身位移放宽至1/33和天线面积折减,满足工艺需求,不影响结构安全,对降低造价有较大作用。

4)耐候钢与普通钢材力学性能接近,可用于实践。初期建设成本低5%～8%左右,全周期造价低15%到25%。设计中应考虑耐候钢的材料特性,从概念设计到精细设计应有针对性,笔者给出现阶段耐候钢单管塔设计的建议。