平台式通信单管塔体形系数风洞试验研究

张帆 张阳 屠海明 王欣朋 孙天兵

(1.中国铁塔股份有限公司 北京100142；2.中讯邮电咨询设计院有限公司 北京100048；3.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司 上海200092)

引言

平台式通信单管塔由于其占地面积小、挂载能力强、加工效率高等优点，是目前城市、郊区及乡镇等场景应用广泛的通信塔，仅2017～2019年两年中国铁塔股份有限公司(后简称中国铁塔)在全国建设的该类型铁塔就超过5000座。平台、天线及通信设备承担的风荷载是该类结构承受的主要荷载。因此对该区域承受的风荷载研究对提高该类型通信塔的安全性和经济性具有十分重要的意义。

《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》(YD/T 5131—2005)[1]规定:板状天线体形系数为1.3，移动通信天线的挡风面积应按实际方向角度计算，具体方向无法确定时，可假定天线为均匀对称分布。并未对平台的挡风面积及体形系数进行规定。

《钢结构单管通信塔技术规程》(CECS 236∶2008)[2]规定:单管塔的平台及栏杆体形系数为1.9，迎风面积按正面迎风面积计(条文说明:假定平台的迎风面积为轮廓面积的50%)；板状通信天线的体形系数为1.3，迎风面积按天线根数乘最大宽度乘长度(条文说明:不计塔筒对其遮挡作用，但板状通信天线的连接件不计入挡风)。

因此关于平台式单管塔体型系数及挡风面积的算法，行业标准与协会标准规定不一致，协会标准的规定更明确，但未考虑天线、设备、平台及塔身之间的遮挡，取值较为保守。体型系数及挡风面积的合理取值一直是困扰工程设计人员的主要问题之一。

通信塔的体型系数通过风洞试验可以较好地得到解决，但由于通信工艺需求多样、设计人员设计习惯差异大等原因，现有通信塔平台、支臂等设计做法多样，很难通过实验得出统一的计算方法。中国铁塔于2014年成立后开展了通信塔的标准化工作，发布企业标准《通信铁塔标准图集》，在公司内统一了平台式单管塔的平台、支臂、抱杆及连接等做法，截止目前标准化塔型在中国铁塔使用率在70%以上。这也给通过风洞试验解决平台式单管塔的体型系数问题创造了条件。

1 平台式单管塔与刚性模型

平台式单管塔是指在单管塔顶部设置外平台，用于天线的安装及维护，见图1。每层平台安装6副或者更多天线及通信设备。

图1 标准化平台式单管塔Fig.1 Standardized monopoles with platform

经综合分析以及模型试制、风洞试吹以后，最后确定比例为1∶6，正十六边形筒体采用铝合金，平台、支架、抱杆、天线及RRU采用玻璃钢。

由于平台式单管塔平台、支架、抱杆做法统一，此次试验考虑外挂不同数量天线及RRU设备时体形系数的取值。根据中国铁塔《通信铁塔标准图集》中平台式单管塔的设计方案，综合考虑主要影响参数，最后确定了5个平台单管塔节段模型，见表1。

表1 模型制作参数(比例1∶6)Tab.1 Model making parameters(scale 1∶6)

选取其中三个代表性的模型23、25和27进行说明。正十六边形筒体直径为600mm，平台直径为2500mm，天线外挑距离为565mm，天线尺寸为1968mm×295mm×126mm(高×宽×厚，现网最常用天线规格)，每副天线对应的RRU尺寸为400mm×240mm×160mm(高×宽×厚)；模型与原型比例为1∶6。外挂天线数量分别为0、6和12。平台设计见图2。

图2 外平台立面及平面示意Fig.2 Elevation and plan of the platform

2 试验概况

在同济大学TJ-2风洞试验室进行了此次平台式单管塔模型的测力风洞试验。在均匀流场下进行5个刚体节段模型在不同风速下的风荷载测试。测试风速为5m/s～40m/s，测试间隔为2m/s～3m/s，测试风向间隔依据模型天线数确定，一般为30°、20°或15°，覆盖360°所有工况，测试采样频率为300Hz，试验工况的采样时间为20s，各模型试验工况见表2。

表2 模型试验工况Tab.2 Model test conditions

3 试验结果分析

3.1 试验数据处理

平台式单管塔顶部主要包括筒体、平台与天线三个部分。假定平台式单管塔体型系数中平台部分的调整系数为K2，天线调整系数为K3，平台式单管塔顶部承担的风荷载计算公式如下:

式中:μs为筒体名义体型系数，十六边形取0.8；D为筒体模型直径(m)；H为筒体模型高度(m)；μspt为根据平台净挡风面积与轮廓面积计算得到的体形系数；Apt为平台净挡风面积(m2)；n为天线数量；Aa为单副天线面积(m2)；Wk为根据试验风速转换得到的的风压值(kN/m2)；ρ为空气密度；V为试验平均风速。

其中K2的测算(模型23)，假定筒体部分风荷载理论计算值不变，把风向对平台的影响、平台与筒体的相互遮挡的影响采用调整系数K2来反映；天线调整系数K3的测算(模型24～模型27)，假定筒体及平台部分的风荷载理论计算值不变，把风向对天线的影响、天线与平台及筒体的相互遮挡的影响采用调整系数K3来反映。实际上，应该是筒体、平台与天线三部分理论值与实测值分别对比，同时得到三个调整系数；但是这样要求分别测量各部分的风荷载，大大增加试验工况；同时，对于实际工程应用而言，最后需要的是筒体、平台与天线总的风荷载，因此本文采用平台及天线两个调整系数的表达方式是可行的。

3.2 试验结果

由于本次试验模型数量多，同时每个模型风洞试验时考虑风向、风速的组合，得到了大量的实测数据。限于篇幅，本文以模型23和模型25为例。模型23在不同风向、风速均匀流程中测得的总平均风荷载见表3，平台调整系数K2如图3所示；模型25在不同风向、风速均匀流程中测得的总平均风荷载见表4，天线调整系数K3如图4所示。

表3 模型23实测风荷载Tab.3 Measured wind load of model 23

图3 模型23的平台调整系数K2Fig.3 Adjustment coefficient K2 of model 23

表4 模型25实测风荷载Tab.4 Measured wind load of model 25

图4 模型25的天线调整系数K3Fig.4 Adjustment coefficient K3 of model 25

4.3 结果分析

(1)实测风荷载下平台调整系数介于0.50～0.70之间，天线调整系数介于0.40～0.70之间。

(2)风荷载方向对荷载有一定影响，特别是天线数量少时，差别较大。如模型25中，当存在一副天线完全处于塔身背面时(30°风向)天线风荷载明显小于所有天线均不处于塔身背面的情况。

(3)通过模型23～模型27数据对比，如图5所示，天线数量越多调整系数K3越小，调整系数值介于0.50～0.85之间。

图5 天线数量对调整系数K3的影响Fig.5 The influence of the number of antennas on the adjustment coefficient K3

(4)考虑到试验工况有限及与实际情况的差异，平台调整系数K2可取0.7(六副天线的调整系数K3取0.75)，对中国铁塔《通信铁塔标准图集》中平台式单管塔的设计方案进行重新设计，平台式单管塔用钢量普遍降低5%～11%，具体数据见表5。

表5 平台式单管塔设计对比Tab.5 Design comparison of monopoles with platform

把该成果应用于存量铁塔的改造，可提升平台式单管塔的天线挂载能力约30%，具体数据见表6(按3层外平台，每层平台挂6副天线)。

表6 平台式单管塔成果应用成效Tab.6 Application results of monopoles with platform

4 结语

通过平台式单管塔风荷载折减系数的应用，可降低新建平台式单管塔用钢量5%～11%。可以提高存量平台式单管塔天线挂载能力30%。试验成果已纳入最新版行业标准《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》(YD/T 5131—2019)[3]，广泛应用于国内4G及5G通信网络建设，产生了巨大经济效益和社会效益。