通信单管塔快速设计复核软件的设计与实现

韩也轩，李 刚，汤伟方，吕 庭，章画画，付建斐

(中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210000)

0 引言

单管塔是通信工程中常用的信号塔，在市区信号覆盖方面是不可替代的。随着5G时代的正式到来，单管塔设计、复核工作量在快速增加，如何高效精准地完成单管塔设计和承载力复核，已经是所有一线设计人员需要重视的问题。相较于其他塔形，通信单管塔形式简单，数字化建模与分析计算难度较低，完全可以通过自主研发一款单管塔快速设计复核软件以有效地解决这个问题。

单管塔快速设计复核软件旨在新建单管塔的设计以及微站铁塔承载力复核的过程中，利用自编译软件的优势，规范设计流程，提高设计精度，提高一线人员工作效率，同时通过封装exe软件的特性，使用一定的技术手段或者管控措施，可以防止软件的外泄和未授权使用。

1 软件编制思路

本软件的编制目的主要在于简化单管塔建模过程，规避使用SAP2000等第三方有限元软件[1]，极大提高工程师在铁塔设计与复核中的工作效率，规避无意义的重复劳动时间。微软公司的Visual Basic语言为编写软件提供了良好的开发平台，可以实现通信单管塔的快速建模和分析。该软件在三管塔建模分析中将整个流程按软件功能分为三个区块：1)数据输入模块；2)模型计算模块；3)细部计算模块。流程图见图1。

使用者仅需要在模块1中输入塔身的信息，后续流程将由软件自动完成。相较于以往逐根构件输入，用Excel等软件计算风荷载再手动导入模型，本程序大大缩短了建模时间，单座单管塔的设计复核时间由传统方法的半天可缩短至1 h。

2 信息输入模块

通信单管塔中，塔段作为构成铁塔的子结构，是构成铁塔的基本子单位。因为其横断面为圆环或正多边形，口径自下而上逐渐减少，且斜率恒定。在其建模过程中，往往结构工程师需要根据每一小节塔段的上下端高度，计算出口径后建立两个圆环截面，再组合为一根同心异径管。该过程步骤冗杂烦琐，工作量大，不利于项目工程的开展。同时，常用的SAP2000软件中对变截面构件的截面惯性矩过渡仅能选取线性、二次方和三次方这三种模式，而实际圆环是四次方的关系，所以建模中无可避免的会有一定的误差[2]。

经过研究不难得出结论，单管塔各塔段中构件呈现出相当的规律性。其中，在知道各塔段上下端宽度及高度和分段数的情况下，可以快速计算出各高度上截面的尺寸数据。

本软件信息输入模块基于上述思路，主要功能是为使用者提供输入单管塔建模分析所需的几类信息的友好交互界面，主要搜集以下四类数据：

1)塔身的模型数据，包括塔高、塔脚高、塔身材料、顶径、底径、风压、地面粗糙程度等级、塔身截面形状。

2)平台等附属物数据，主要简化为：挂高、挡风面积、体形系数和质量这四个参数。

3)塔身竖直方向上塔段分布，包括：段长、壁厚。

4)塔脚的模型数据，包括：法兰板内径、法兰板中径、法兰板外径、法兰板厚度、加劲板高、加劲板宽、加劲板厚度、加劲板切角、加劲板材质、水平焊缝高、竖直焊缝高、地脚螺栓数、地脚螺栓规格、地脚螺栓材质。

塔段单元图见图2。

3 建模分析模块

建模分析模块主要功能为：承接信息输入模块数据，依据有限元法对塔身进行分段，并建立数值模型(见图3)。第二步根据结构动力学的振动理论建立振动方程求解后进行模态求解。第三步进而计算出风荷载，最后分析风载控制下的工况组合的内力情况。

3.1 塔身模型构建

塔身应满足以下几点假设：

1)假定单管塔与基础固结，不考虑基础变形。

2)多边形管身截面近似等效为圆截面，且直径收窄斜率恒定。

3)忽略单管塔插接段内的增强效应。

4)不考虑剪切与轴向变形。

满足上述假定下，将单管塔看作是一根底端固接的悬臂杆，其口径由下自上逐渐减小。利用计算机软件将其等分为100段，每段近似取为直径D，壁厚b，高ΔH的圆环。进而可以得到每段的质量，结合附属物质量后得到质量矩阵[M],塔段模型见图3。

3.2 荷载的计算与添加

风荷载计算方法主要根据GB 50009—2012建筑结构荷载规范中第八章风荷载计算公式，式8.1.1-1：

wk=βzμsμzw0。

上式由4个参数连乘得到，除了w0由建筑所在地区查表得到，其余每个参数都是由荷载规范第八章若干个公式计算得到，其中所需的各类参数分为两种：

1)可由软件计算得到的参数，该类参数包括每节塔段的迎风面积、风压高度变化系数、一阶周期、振型等。这些参数可以运用程序内置的运算逻辑进行计算、插值、模态分析导出等方法得到，并运用到风荷载计算中。其中塔身自振周期和振型为计算难点，可以根据肖鹏、孙亚提出的单管塔自振周期的数值解法[3]求得。

2)需要人为指定的参数，该类参数包括基本风压、山高、地面粗糙类别、附属物的迎风面积和体形系数等。这些参数与每个工程实际所属环境和塔身做法相关，已由使用者在参数输入模块根据实际情况手动输入。

上述参数收集完毕后，软件将自动生成风荷载。具体计算方法这里不再一一赘述，计算完毕后程序将塔身风荷载、附属物风荷载以水平节点荷载的形式加载至塔身模型见图4，形成荷载向量{F}。

4 分析结果输出模块

当塔身及附属物的模型和风荷载都设置完毕后即可按照GB 50009—2012建筑结构荷载规范中第三章规定的风荷载控制下的主材受拉和受压工况分别进行标准和基本组合。工况组合完毕后，进行结构分析得到结构在风荷载下的应力、位移等数据，塔段分析结果见图4。

软件的后处理部分由底部法兰地埋件计算和文件读写部分组成。前者获取塔身各工况下的位移、内力等数据后，进行底部法兰、地埋件的计算，后者可以将已有的数据进行保存至Excel表格或读取Excel表格，方便数据的拷贝、传输与保存。

5 计算实例

为了验证软件的计算准确性，取铁塔公司《通信铁塔标准图集》V1.3中4座单管塔进行复核：

塔(1)：DGT(C)-30-0.35-3PT3；

塔(2)：DGT(C)-35-0.45-3PT3；

塔(3)：DGT(C)-40-0.55-3PT3；

塔(4)：DGT(C)-45-0.65-3PT3。

5.1 自振周期计算结果对比

以SAP2000建模后模态分析得到的自振周期分别和软件数值解及0.013H经验公式进行偏差分析[4]，具体的数值及偏差分析结果见表1。

表1 周期结果对比

由表1可以看出，规范推荐的自振周期经验公式0.013H得出的自振周期数值较小，其结果与SAP2000模态分析结果误差相当的大，均大于50%。相比之下，软件的数值解精度较高，与SAP2000的建模结果误差均在2%以内，可以认为结果是可靠的[5]。

5.2 内力计算结果对比

软件分析得到的单管塔内力数据与V1.3图集提供的数据对比如表2所示。

表2 内力结果对比

由表2可以看出：

1)轴力误差较大，主要原因在于程序解仅考虑了塔身中的主材质量和手工输入的附属物的质量。地脚螺栓、底部法兰、爬钉、安全装置等其他构件均无法考虑，实例中4塔的轴力误差在10%～20%之间，后期可以进行更多的塔身计算后，综合考虑取15%左右的增大系数以降低软件解的误差。

2)剪力、弯矩误差除塔1、塔4误差均在1%左右，总体符合程度较好，满足预期。塔2、塔3误差在6%～10%之间，有一定误差，误差原因在于：a.V1.3图集由各家设计院分别计算，荷载取值、计算方式可能略有差异；b.V1.3通用图集留有一定余量，造成其内力值偏大。

6 结语

本文介绍了一种基于VB的通信单管塔快速设计复核软件的设计与实现[6]。本软件通过标准化数据输入和自动建模分析，大大降低了实际工程中通信单管塔的建模分析难度，提高了一线设计师的工作效率。目前该软件已经正式开发完成，并申请了软件著作权，同时，本程序已经被中通服咨询设计研究院有限公司用于实际工程实践当中，在多个铁塔设计项目中发挥了不可忽视的作用，取得了显著的经济效益。今后的开发里可以逐步细化软件的细部功能，并提高软件兼容性，以进一步推广软件的使用[7-9]。