铝合金材料在通信塔桅中的应用

林 莉 张智凯 郝勇丽

(山西信息规划设计院有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

近年来通信网络快速发展，5G时代已经到来。5G 通信网络建设以共享为根本，需充分利用现有存量站点资源，深入挖掘已有塔桅承载能力，快速满足新增5G需求。铝合金材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀、不褪色、不氧化等特性，可以替代传统钢制构件，在已有塔桅改造中发挥优势作用。

1 材料简介

铝合金是纯铝加入一些合金元素制成的，应用最广泛的合金元素有铜、镁、锰、锌、硅、铁、锂等。铝合金相比纯铝具有更好的物理力学性能：易加工、耐久性高、适用范围广、装饰效果好、花色丰富等。

铝合金材料目前常用的共有七个系列：1000系列俗称纯铝，其特点为密度小、导电性能高、强度低，主要用于化学实验、化学工业等；2000系列是以铜为主要合金元素的铝合金，硬度高、耐热性能好，主要用于航天航空、国防工业及民用工具等；3000系列主要合金元素为锰，又称防锈铝合金，具有塑性高、焊接性能好、耐腐蚀等特点，主要应用在制造汽车、飞机油箱油管、空调、冰箱、机械部件等领域；4000系列以硅为主要合金元素，特点是低熔点、耐蚀性好、耐磨耐热，可用作建筑材料和焊接材料等；5000系列主要合金元素为镁，耐腐性能和焊接性能好、抗拉强度高、延伸率高，主要用于家电、交通运输设备、装甲、装饰件等；6000系列以镁和硅为主要合金元素，集中了4000系列和5000系列的优点，具有强度高、耐腐蚀性高、焊接性能良好、焊接区域腐蚀性能不变、成形性和工艺性能良好等特点，用于框架、建筑材料、工业铝型材、散热器、照相机零件等，是目前应用最广泛的铝合金；7000系列以锌为主，属于超硬铝合金，耐磨、硬度高、焊接性能好、加工性和耐腐蚀性良好，常用于制造飞机结构等航天航空工业、焊接构件材料。

目前在通信塔桅中用到的是6000系列的铝合金材料，以下简称6系铝合金。

2 材料性能

6系铝合金属于热处理可强化合金， 其中6061系列和6063系列具有最佳的综合性能，被广泛应用于建筑领域。

1)物理性能。

密度(20 ℃)为2.7 g/cm3，约为钢材密度的1/3。

2)力学性能。

力学性能见表1。

表1 6系铝合金力学性能

3)切削性能。

具有较好的切削性能。

4)焊接性能。

可焊性良好，可用各种焊接方法进行焊接，不过所用型材必须使用相应的焊条进行焊接(如6061-T6型材的焊接必须使用6061-T6的焊条)，惰性气体的纯度必须达到100%。

5)耐腐蚀性能。

具有较好的耐腐蚀性能。在常温下，强化后的铝与空气中的氧气反应，其表面生成一层致密的氧化铝薄膜，阻止了自然界与其他物体对其本身的腐蚀氧化，这是传统的镀锌处理无法做到的。

3 铝合金材料在通信塔桅中的应用

通信天线发射信号有挂高要求，一般为20 m～40 m，视覆盖需求而定。通信塔桅作为通信天线发射信号的载体，是信号覆盖的基本组成部分。塔桅建设一般分为塔身、铁塔基础、防雷接地等，其造价在通信建设单站造价中占有较大的比重，故塔桅方案选择是成本控制的重要环节。

通信塔桅分为地面塔桅及楼面塔桅。地面塔桅主要有：增高架、H杆、桅杆、单管塔、三管塔、角钢塔及一体化塔房等；楼面塔桅主要有：增高架、桅杆、配重抱杆、附墙抱杆等。

塔桅建设主要分为改造塔桅和新建塔桅。改造塔桅是指对已有塔桅进行改造，增加塔桅整体的强度、刚度、稳定性等，以满足在原有塔桅上继续新增天线的目的，这种方式具有速度快、成本节约等优点。目前大多数塔桅建设时间久远，塔桅天线满负荷运作，若想在已有塔桅上继续新增天线支臂，就需要对塔身及基础进行加固改造，但钢制构件重量大、施工难度大，是改造塔桅中的难点。铝合金材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点，将钢材替换为铝合金材料可以很好的解决加固改造中的难点。

目前通信领域中，铝合金材料作为新型材料应用不太广泛，仅存在于一些小型改造、新建项目，所占比例很小，在省内建设项目不是很多，目前有铝合金天线支臂及铝合金楼面增高架及铝合金地面桅杆、抱杆等简单案例。以下为已建设完成的铝合金塔桅及配套设施案例。

3.1 新增铝合金天线支臂

天线支臂是塔桅与通信天线之间的连接构件，新增天线支臂是利用存量站址直接挂载天线支臂及通信天线的一种方式，是改造塔桅的重要部分。经具有检测资质的第三方单位对现有塔桅进行塔身、基础复核，根据复核结果及建模分析出具加固方案，加固后以满足增加天线支臂的需求。但是普通钢材重量大，对塔桅影响大，故采用铝合金材料减轻天线支臂的重量，可以减小塔桅加固、基础加固的难度。目前我省吕梁等地市已经在塔桅改造中使用了铝合金天线支臂。

3.2 新建铝合金楼面塔桅

楼面塔桅利用楼面的既有高度，新建楼面增高架、桅杆、抱杆等15 m以下小型塔桅，以满足天线挂高要求。楼面塔桅建设中对屋面梁及屋面板要求较高，部分预制板屋面无法满足建设楼面塔桅需求，通过采用铝合金材料减轻塔桅重量，减小对屋面梁及屋面板的荷载，使部分钢制塔桅无法满足的屋面存在建设的可能性，且利于选址时减小业主对屋面承重的顾虑，降低选址难度。目前朔州等地市已在楼面塔桅建设中使用了铝合金增高架。

3.3 新建铝合金地面桅杆、组合抱杆

桅杆为单杆悬臂结构，常采用无缝钢管作为主杆，大部分利用地势高度进行建设，塔桅高度一般为6 m,9 m,12 m,15 m,18 m等，采用钢丝绳拉线固定位移及提升刚度和稳定性，具有使用材料少、工期短、造价低等优点，广泛应用于微站、普遍服务等站点；组合抱杆一般将多根抱杆进行组合，共用一个基础，通常高度为3 m,6 m等，地面站址一般建于山顶等较高地势场景，具有节省基础材料、易于预制等优点。大多山区道路狭窄或没有道路，钢材自重大，运输至站址位置难度大，后期安装难度大，所需费用多，而采用铝合金材料，由于重量轻，解决了山区站址上站难度大的问题。目前吕梁等地市已建成铝合金组合抱杆。

4 未来发展方向

铝合金材料与钢材对比，重量轻、强度相似、耐腐蚀、价格相差不大，具有良好的可替代性，为选址谈判、减少基础造价、减少施工成本等方面带来很大便利，在通信塔桅中具有广阔的前景。现结合现场实际情况、目前塔桅施工中遇到的问题，提出部分铝合金材料的未来发展方向。

4.1 铝合金材料在改造塔桅建设中的应用

1)塔身材料部分替换：掌握现有塔桅材料详细信息，综合计算塔桅构件长细比、应力比、挠度等，将无法满足国家相关要求的型钢构件替换为满足要求的铝合金构件。与钢材相比，铝合金材料具有重量轻、强度相似的特点，改造后的塔身较轻，对塔身塔脚力增加较小，可以提高塔桅整体抗震性能，减小基础加固改造难度。

2)塔身平台使用铝合金材料：塔身平台是为施工、维护人员提供的操作、检修、维护、安装空间，普遍存在于三管塔、单管塔、角钢塔中。存量站站址建成时间长，平台预留天线支臂基本满载，根据第三方塔身检测，如塔身无法满足新增天线设备要求，可将塔身平台整体替换为铝合金材料，减少塔身自重及顶段位移，并结合降低平台高度的方式来减少水平风荷载的影响，从而解决改造基础费用及存量站无法新增天线的问题。

3)塔身加固使用铝合金材料：存量站站址中单管塔、单管一体化塔房满负荷运作，无法新增天线支臂，可以采用斜支撑的加固方式来满足新增天线支臂的需求。但钢材重量大，运输难度大，对加固中的抗震及顶段移位影响较大，如将钢材替换为铝合金材料可以减少材料使用量及支撑基础尺寸，降低安装难度、节约建造成本。

4.2 铝合金材料在楼面塔桅建设中的应用

楼面站址的特点有：需要重量轻的塔桅、楼面相对安全不易被盗、选址相对容易不占用地面空间等。铝合金材料在楼面塔桅中有很大的应用前景。

1)附外墙天线抱杆：利用建筑物圈梁、构造柱外部使用膨胀螺栓与天线支臂相连接，天线再与天线支臂相连接，具有高度灵活可调、施工简单、成本低等优点。但普通钢材重量大，对膨胀螺栓及屋面圈梁要求高，天线支臂及天线过重可能发生掉落风险，采用铝合金材料可大幅减轻天线支臂重量，消除掉落风险。

2)楼面配重、附墙抱杆：楼面配重、附墙抱杆高度一般为3 m～6 m，基础采用钢梁和配重块方式，不破坏楼面原有结构。在部分预制板及老旧楼楼顶，由于配重抱杆重量大，附墙抱杆对女儿墙要求高，常不建议使用。采用铝合金材料可有效减轻结构重量，在预制板屋面及老旧楼楼顶也可安装使用，为无法新建传统抱杆的场地提供建站的可能性。

4.3 铝合金材料在地面塔桅建设中的应用

1)三管塔、角钢塔等桁架塔：普通型钢重量大，对抗震产生不利影响，将塔身上部结构替换为铝合金材料，或将塔身横隔、斜杆等构件替换为铝合金材料，可以达到减少整体塔身的重量，提高塔桅整体抗震性能，减小基础尺寸的目的。

2)单管塔、景观塔等管塔：单管塔挂载天线方式一般为天线支架方式及安装平台方式；景观塔是结合现有城市规划，根据周边建筑风格，将通信塔桅进行相应的美化，通常有仿生树、路灯杆、都市站等。大部分景观塔具有美化装饰外罩且重量较大，可将景观塔外层的美化装饰罩或单管塔的平台、天线支臂等替换为铝合金材料，达到减轻顶部自重荷载，提高塔桅整体抗震性能，减小塔身重量、减小基础尺寸的目的。

3)利用社会资源塔类：在城市建设中，存在各种各样塔类，如：路灯杆、广告牌、电力塔、水塔等，充分利用社会资源是降低建设成本很有效的解决措施，但该类塔桅在进行设计时未考虑新增天线及新增天线支臂重量因素，往往并不具备成为通信塔桅的可能，将支臂由钢结构替换为铝合金材料，可以减小新增的天线及支臂重量，为无法满足通信建设的社会资源塔类提供挂载天线的可能性。

4.4 铝合金材料在机房建设中的应用

机房是通信工程建设的组成部分，分为砖混机房、一体化机柜、铁甲机房、彩钢板机房、租用机房等，砖混机房一般尺寸为2 m×3 m,3 m×5 m,4 m×5 m等，一个机柜尺寸一般为0.9 m×0.9 m，分为单仓机柜、双仓机柜、三仓机柜等。

1)楼面机柜、楼面彩钢板房等：楼面建设机房、机柜时一般设置钢结构底座，放置于屋面梁上，但钢材及机房中的设备重量大，对屋面梁、板影响较大，用铝合金材料替换钢材，可防止楼板、梁等发生破坏，减少房屋业主对机房建设时重量较重的顾虑，有效降低了建设初期的选址难度。

2)租用机房：租用机房为租赁房屋业主自有房屋作为通信机房，涉及租用机房装修、租用机房电气、租用机房加固等内容，由于设备的重量较大，往往超出楼板设计荷载，需要将设备荷载传递至梁、柱等可承受较大荷载的结构中。通常采用两根工字钢架设到两端梁或墙上，避免楼板受力。但是钢梁的重量也是比较大的，对原有建筑混凝土梁的受力产生不利影响，采用铝合金材料代替钢梁，可减小建筑物混凝土梁所承受的荷载，提高房屋的稳定性，减小事故发生率。

5 注意事项

1)由于铝合金型材价格较昂贵，不建议在野外或无人看守的地方使用，以免被盗。

2)因惰性气体容易受风力影响，所以铝合金型材要求在室内进行焊接。

6 结语

随着通信技术的不断发展，对通信塔桅也提出了更高的要求，在满足安全性及适用性的前提下，使用铝合金替换传统钢材，充分利用其重量轻、强度高、耐腐蚀等优点，不论从结构设计要求考虑，还是从施工、安装、维护方面来分析，铝合金材料都有着其独特的可行性和优越性。铝合金材料的应用为通信建设中的新建和改造项目创造了新的思考方向，同时对于部分疑难站址提供了新的解决方案。