三管塔整体选型过程中塔柱斜率的确定

穆 宇 亮

(中钢石家庄工程设计研究院有限公司，河北 石家庄 050021)

三钢管式铁塔简称三管塔，属于通信铁塔的一种。塔柱是由三根钢管组成，并由角钢或钢管连接而成的格构式通信铁塔结构，具有迎风面积小、风荷载系数小等特点；另一方面，桁架式塔架由杆件组成，运输和安装便捷迅速、建设工期短。三管塔的根开小，占地面积小，节约土地资源，选址便利，具有以上优点使得三管塔在实际工程中得到很多的应用。

三管塔塔身选型的确定是整个设计过程的开始步骤，也是非常重要的设计过程。塔身外形不但与设计高度、基本风压、铁塔载荷、塔身顶部位移限值有关，而且直接影响用钢量及建造成本。采用合理的塔身选型，既可以满足铁塔在设计风压、规定荷载情况下整个塔身的承载力及变形要求，又可以达到节省用钢量、节约投资的目的。然而，三管塔塔身合理的选型又是一个涉及复杂因素的过程。铁塔选型会影响塔身风荷载的大小，加大根开会加大塔身风荷载，风荷载又反过来影响铁塔的受力，所以铁塔塔身选型应该是一个反复迭代的过程，设计人员在设计时要有迭代优化的思想。

塔身顶部主材间距离需要满足铁塔使用要求的限制和顶部位移限值的要求。塔身根部主材间距离，又称为铁塔的根开，确定该参数需要考虑的因素涉及设计高度、基本风压、铁塔载荷、塔身顶部位移等。并且塔身选型影响整个塔身杆件的受力条件，譬如加大根开会增大塔身刚度，减小塔身顶部位移，并减小主材的内力，对于强度和稳定控制的主材会减小主材型号及减少用钢量。但与此同时更大的根开代表了连接主材间的斜材、横材、辅材、横隔等非主材杆件计算长度的增大，对于刚度控制的非主材杆件，计算长度增大就意味着加大非主材杆件的用钢量。反之，根开的减小会减小铁塔整体刚度、增大铁塔顶部位移、增加由强度和稳定控制的主材杆件受力和用钢量增加，同时减少刚度控制杆件的用钢量。

所以塔身选型是一个要考虑多方面条件且影响因素复杂的过程，能够合理地进行三管塔塔身选型是铁塔设计的重要步骤，这就迫切要求通过大量细致的实际观测和计算机模拟计算进行总结，并在此基础上得出合理的设计数据以指导实际的设计工作。

1 三管塔塔身选型

由以上可以看出影响铁塔塔身选型的因素众多而复杂，变量多且变化量大。这就要通过大量的模拟计算确定合理的塔身整体外形。

除了铁塔自身的挡风，塔身平台及挂载天线的风荷载是铁塔的主要荷载。塔身平台主要作用是为安装天线提供安全支撑和操作空间，三管塔的外平台一般为圆形，由角钢、槽钢、钢筋或钢板组成，平台栏杆上安装天线抱杆。平台的重量一般在600 kg左右，天线抱杆因构造不同，重量一般在50 kg～60 kg之间，一般的板状天线的重量在40 kg左右。

本文的计算模型采用塔身高度40 m，塔身安装三层圆形外平台，分别安装在塔身标高38 m,33 m,28 m处，每层平台安装6付天线抱杆，每付抱杆安装1付0.6 m2挡风面积的天线和1付0.2 m2挡风面积的RRU设备。平台重量按600 kg，抱杆按每付50 kg，天线和RRU重量按每付40 kg，按每层平台安装6付天线支架和6付天线计算，每层平台、抱杆、天线和RRU合计重量1 140 kg。

实际工程应用中，塔体顶部的主材间距一般取1.2 m左右。考虑到安装平台等的因素，一般顶部取10 m～12 m主材没有坡度的直线段，塔柱自直线段以下开始有坡度。本文的计算模型塔身顶部主材间距1.2 m，直线段长度12 m，自塔身标高28 m处向下进行主材放坡。

塔柱斜率是影响塔身选型的重要因素。铁塔的塔柱斜率指塔柱每延米增宽的尺寸，单位为毫米/米(mm/m)。其公式表达为：

K=(Bd-Bu)/L。

其中，Bd为塔段下端主材间距;Bu为塔段上端主材间距;L为塔段的高度。

公式中各参数含义见图1。

实际工程中，通讯三管塔常见的塔柱斜率为60 mm/m, 70 mm/m,80 mm/m,90 mm/m,100 mm/m,110 mm/m等多种。

模型的建立和计算采用同济大学3D3S钢结构设计软件，两平台三管塔设计模型见图2。

对于铁塔模型的基本风压，采用较为常见的0.35 kN/m2,0.45 kN/m2,0.55 kN/m2和0.65 kN/m2。

2 计算结果及分析

通过大量的模型计算，可以得到不同塔柱斜率和不同风压下的三管通信塔计算结果。

不同塔柱斜率和风压作用下铁塔顶部水平位移值见表1，图3。

表1 不同塔柱斜率和风压条件下塔顶水平位移 mm

可以看出，随着塔柱斜率的增大，铁塔顶部水平位移值逐步减小，说明塔柱斜率的增大会提高整个塔身的刚度从而降低塔顶水平位移。另外，同样塔柱斜率的铁塔，在不同风压下塔顶水平位移相差不大，说明在采用满足塔身杆件强度及稳定的杆件型号后，塔顶水平位移值对基本风压变化并不敏感。

另一方面，从计算数据来看，三管塔本身刚度较好，在不同情况下采用的杆件满足强度和稳定要求时，塔顶位移较易满足规范限值要求。

不同塔柱斜率和风压作用下铁塔塔身主材钢材用量见表2，图4。

表2 不同塔柱斜率和风压条件下塔身主材钢材用量 t

可以看出，随着塔柱斜率的增大，主材用钢量随之减少。这说明随着铁塔主材间距的增大，塔身截面抵抗弯矩的力臂增大，相应减小了塔柱的受力，使得塔柱型号和用钢量减少。另一方面，随着基本风压的加大，同一塔柱斜率的铁塔受的外荷载加大会使主材的用钢量的增加，增加的幅度与风压提高的幅度成比例增大。

不同塔柱斜率和风压作用下塔身非主材用钢量见表3，图5。

表3 不同塔柱斜率和风压条件下塔身非主材用钢量 t

可以看出，随着塔柱斜率的增加，非主材杆件的用钢量是增加的。这说明随着铁塔主材间距的增大，受力较小而主要是由刚度控制的非主材杆件因为长度的增加，其杆件型号和用钢量是增加的。另一方面，随着基本风压加大，同一塔柱斜率的铁塔受外荷载加大使得非主材杆件用钢量有所增加。

不同塔柱斜率和风压作用下塔身总的用钢量见表4，图6。

可以看出，塔柱斜率在100 mm/m以下时，随着塔柱斜率逐渐增大，铁塔总用钢量是逐步减小的。但是在塔柱斜率增加到110 mm/m时，铁塔总用钢量比塔柱斜率100 mm/m时是增加的。

由以上对主材用钢量、非主材用钢量和总用钢量的分析，可以得到随着塔柱斜率的增大，铁塔的主材的用钢量在逐步减小而非主材用钢量在增加。当塔柱斜率小于100 mm/m时，非主材用钢量的增加量小于主材用钢量的减少量，导致总用钢量的减小。当塔柱斜率大于100 mm/m时，非主材用钢量的增加量大于主材用钢量的减少量，从而导致总用钢量的增加。

这就说明存在一个合理的塔柱斜率，在采用合理的塔柱斜率时，铁塔在满足各项使用功能的要求下，铁塔用钢量最为节省。

3 结论

通过对一种通讯三管塔的大量模型分析，得出在不同塔柱斜率和基本风压下铁塔的塔顶水平位移、铁塔主材用钢量、非主材用钢量和总用钢量的数据。通过数据分析可以看出：

1)三管塔本身刚度较好，在不同风压、不同塔柱斜率情况下采用的杆件满足强度和稳定要求时，塔顶位移较易满足规范限值要求。

2)塔柱斜率是影响塔身选型的重要因素。采用合理的塔柱斜率可以达到既满足承载能力的要求，同时能够达到降低铁塔用钢量的目的。对铁塔的选型和设计都有重要意义。

3)对于高度40 m以下的三管塔，在较为常见的0.35 kN/m2～0.65 kN/m2基本风压下，可采用文中建议的100 mm/m的塔柱斜率，达到较为理想的设计效果。