通信塔桅在气象和信号传输方面的应用

2021-10-05郑书成刘仁涛

工程建设与设计 2021年17期

郑书成，刘仁涛

（华信咨询设计研究院有限公司，杭州 310052)

1 引言

随着我国经济建设的不断深入，通信领域的覆盖范围不断扩大，甚至可以说只要有人的地方就有通信覆盖，无论是人迹罕至的深山老林、荒无人烟的沙漠、戈壁无人区、挑战人类极限的珠穆朗玛，还是一望无际的大海深处。在这些比较极端的应用场景里，对于通信基站建设成本的挑战无疑是巨大的，一方面要达到良好的信号覆盖要求，另一方面又要节省投资，使投资回报趋于合理。另外，随着通信行业共建共享、服务社会理念的不断深入，创新业务的不断提出，通信塔桅的应用场景越来越广，同时也利用其自身资源丰富、基数庞大、覆盖面广等优势，为其他行业提供更多的创新支持。为此，本文将通过实际工程案例，实现对通信塔桅的改造利用。

2 通信塔桅改造为气象雷达基站的应用

2.1 技术背景

上海某区域一座42 m 四角角钢塔改造为38 m 气象雷达站。对气象部门来说，一方面节约社会资源、降低造价、缩短建设周期，实现快速建站目的；另一方面也降低了后期运营维护基站所支出的费用。对通信行业来说，此举也是一种创新，可以增加新业务收入，可以说是互利共赢。这是塔桅结构设计的一种创新应用，可为本行业设计人员提供一个解决思路。

2.2 技术方案

本座四角角钢塔主体结构高46 m，2 层平台，一平台高42 m，二平台高34 m，现拆除塔身顶部构件至二平台位置，露出4 根角钢主材，用角钢L90 mm×8 mm 的包钢板螺栓连接雷达底座和塔身主材（见图1）。

图1 塔身立面图

根据雷达的相关工艺要求，需要为雷达天线、空调设置底座并预留检修口（见图2），需要安装雷达避雷针（见图3）。考虑到高空施工便捷性，整个底座采用H 型钢预先焊接，与雷达天线在地面安装完成后整体吊装，塔身与底座、底座与雷达外罩均采用普通螺栓连接（见图4）。

图2 雷达底座详图（单位：mm）

图3 雷达避雷针详图（单位：mm）

图4 雷达底座与塔身主材连接节点（单位：mm）

2.3 基本设计参数

1）铁塔承重需要大于15 000 N（1 500 kg）（雷达质量为700 kg，天线外罩质量为300 kg，空调质量为150 kg，后期维护人员及维护设备质量等）。

2）雷达外罩高3 130 mm，上部半圆直径3 360 mm，底部直径2 620 mm。

基本风压：0.55 kN/m2，地面粗糙度类别B 类，计算高度35 m。

2.4 计算过程

雷达上部半圆：WK1=μSμZW0=1.1×1.48×0.55=0.9 kN/m2

雷达下部锥体：WK2=μSμZW0=1.1×1.48×0.55=0.9 kN/m2

式中，WK1、WK2为风荷载标准值，k N/m2；μS为风荷载体型系数；μZ为风压高度变化系数；W0为基本风压。

底座弯矩：M=1.4×（M1+M2）=1.4×（WK1A1d1+WK2A2d2）=1.4×（0.9×3.68×2.17+0.4×4.54×1）=12.6 kN·m

式中，M1、M2分别分雷达上部半圆、下部锥体的弯矩，kN/m2；A1、A2分别为雷达上部半圆、下部锥体的迎风面积，m2；d1、d2分别为雷达上部半圆、下部锥体力矩，kN·m。

弯矩作用在单肢主材上的压力：N1=12.6/2/1.03=6.1 kN。

自重作用在单肢主材上的压力：N2=1.5×10/4=3.75 kN。

弯矩和自重叠加作用在单肢主材上的合力：N=N1+N2=6.1+3.75=9.85 kN。

因此，作用在单肢主材和螺栓上的力比较小，不用考虑构件强度问题。

根据原有角钢塔设计图纸的相关数据参数，利用华信咨询设计研究院有限公司编制的专门用来计算角钢塔的Excel表格进行计算[1-3]，计算结果详见表1，铁塔各个构配件的应力均符合材料设计强度要求[4]。

表1 角钢塔各塔段内力设计值

3 通信塔桅改造为微波基站的应用

3.1 技术背景

在茫茫大海上，一眼望不到边，因此，对于信号的传输也提出了较高的要求。由于在海上没有其他障碍物的遮挡，因而利用微波的形式进行传输成了一个比较经济可行的解决方案。如果利用原有的一些通信塔桅改造成符合使用条件的微波站，将极大地节省投资造价和有效降低工程建设难度，可以真正实现大范围信号覆盖需求。

3.2 技术方案

浙江近海一座孤立的小岛上有一座25 m 高的四角角钢塔，有2 个天线平台，高分别为25 m、19 m，每平台6 个天线抱杆，每个抱杆设计负荷面积不超过0.6 m2挡风面积。根据相关建设要求，现在该塔9 m 处改造对称的2 个微波天线抱杆（见图5、图6），每个天线抱杆上挂载直径为2 m 的微波设备，因设备挡风面积达到3.14 m2，对位于海上高风压区域而言，风压是主要荷载，需要对原有铁塔进行特别改造加固以适应该应用场景。