建筑屋面通信抱杆结构设计分析

卓佐君，滕才智

（宁波华讯通信服务有限公司，浙江 宁波 315000）

1 引言

随着通信行业的不断发展，屋面抱杆作为重要组成部分，如何通过合理的设计保证屋面天线抱杆在恶劣天气情况下具有可靠性并满足使用要求成为突出问题。为了更好地指导基站屋面抱杆建设工作，本文结合自立式屋面抱杆在风荷载作用下的受力特点及设计做出分析和探讨，指出了主杆和斜撑杆件选材的特点及优化措施，为类似工程提供参考。

2 屋面抱杆的类型和受力特点

屋面抱杆按与屋面的连接方式，分成与屋面结构可靠连接和与屋面结构无固定连接两种方式。可靠连接分成自立式抱杆和附女儿墙抱杆；无固定连接主要指基础为配重式抱杆。由于高风压地区抱杆受力大，对基础要求高，故附女儿墙和配重式抱杆可靠性不如自立式抱杆。

本文着重对自力式抱杆设计进行分析。自力式抱杆由主杆和斜撑组成，主杆为外伸式压弯构件，主要计算杆件的压弯稳定；斜撑为轴向受拉压构件，既要满足承载力要求，又要满足受压杆件长细比要求。

3 以6 m 自立式抱杆计算过程分析为例

设计条件：基本风压为0.9 kN/m2，地面粗糙类别为B 类，抱杆高度为6 m，建筑物高度为50 m，抱杆主杆采用型号为89 mm×7 mm 的钢管，斜撑类型一为70 mm×5 mm 的圆钢；类型二为80 mm×5 mm 的角钢。天线参数：1 副4G 天线0.6 m2、1 副5G 天线0.5 m2，天线挂高均为5.5 m。

将抱杆主杆简化为外伸梁构件，斜撑为拉压杆，其他小构件不计。抱杆在风荷载作用下的计算简图如图1 所示。

图1 抱杆在风荷载作用下计算简图（单位：mm）

3.1 风荷载计算

根据GB 50135—2019《高耸结构设计标准》[1]和GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[2]相关规定，风荷载计算表达式为：

式中，Wk为风荷载标准值，kN/m2；βz为Z 部位的风振系数，风振系数指塔桅对风的敏感性反应，对高耸结构计算影响较大，通过实际经验和受力角度分析，本文认为本站抱杆因为相对单管塔及角钢塔比较矮小单一，是介于普通建筑物和单管塔之间的高耸结构，风振系数不宜完全按普通建筑物取值，也不宜按单管塔直接计算，故风振系数取中间值1.3；μs为风荷载体型系数，本站点根据YDT 5131—2019《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》[3]，天线体型系数取值1.3，主杆虽然为钢管，但由于钢管表面爬钉、馈线、防雷扁钢的综合影响，故本文认为在不额外计算附属构件的挡风面积时，主杆体型系数也应取1.3；μz为风压高度的变化系数，本站点风压高度为50 m，地面粗糙类别B 类，按荷载规范取值为1.67；W0为基本风压，kN/m2，本站点取值为0.9 kN/m2。

结合以上计算参数进行风荷载计算：

式中，F为天线风荷载，kN；A为两付天线的正面迎风面积，为1.1 m2。

同理得杆身上段风荷载F上=0.55 kN，杆身下段风荷载F下=0.92 kN。

3.2 重力荷载计算

本抱杆同时挂设4G 天线和5G 天线，天线自重为80 kg，即0.8 kN；馈线自重为0.1 kN/m；抱杆自重综合考虑为0.4 kN/m。

3.3 内力计算

主杆弯矩计算：由于高耸结构风荷载为主导荷载，考虑杆身受力特点，杆身弯矩为天线风荷载集中力和抱杆自身均布力的叠加，受力简图如图2 所示。

图2 受力简图（单位：mm）

经计算A点最大弯矩设计值M为7.49 kN·m；同理，A点剪力V为5.32 kN。

斜撑压力计算：由于斜撑压力是主杆弯矩和剪力引起的，故由结构力学计算得斜撑AB的轴向压力为15.48 kN。

斜撑压力计算：斜撑杆AC断开，对A点取距，由结构力学和几何知识计算得斜撑AB轴向压力为15.48 k N。

主杆AC上部轴力N上=2.0 kN；AC下部轴力N下=16.06 kN。

3.4 主杆复核

基本数据：主杆截面面积A主杆=1 803 mm2，抗弯刚度W=34.31 cm3，回转半径ix=29.09 mm；主杆为压弯构件，主杆A点上段稳定性验算如下：

由GB 50017—2017《钢结构设计标准》[4]计算杆件长细比：

式中，μ为计算长细比影响系数，取2；l为构件的计算长度，取2 200 mm；ix为构件的回转半径，mm。

这里主杆杆材如果采用Q235B 钢管，稳定系数取φx=0.334；如果杆材采用Q345B 钢管，稳定系数取φx=0.237。计算影响参数见式（4）。

式中，N′Ex为影响参数；E为钢材弹性模量，取206 kN/m2。

主杆稳定性应满足50017—2017《钢结构设计标准》8.2.1中的公式[5]：

式中，N为杆件压力，N；f为钢材强度设计值，N/m2；βmx为等效弯矩系数；Mx为杆件弯矩，kN·m；γx为截面塑性发展系数；W1x为在弯矩作用平面内受压最大纤维的毛截面模量，mm3。

当为Q235B 时，将数据代入式（5）得不等式左边数值为1.04，式（5）不成立，超出稳定性使用要求，结果主杆不安全。

当采用Q345B 时，同理代入式（5），不等式左边数值为0.74，式（5）成立，稳定性在使用范围内。

复核主杆A 点下段：

根据GB 50017——2017《钢结构设计标准》，下段复核过程与上段一致，采用Q345B 钢管时，计算得式（5）左边数值为0.86，式（5）成立，因此，稳定性在使用范围内。

对比发现对于主杆而言，当天线挂设于斜撑点上方时，主杆应力最大值位于斜撑点下方。这里虽然没有进一步展开计算，但由结构力学受力特点可推断，在斜撑点下方挂设天线面积小于1.0 m2时，主杆应力最大值位于斜撑点下方，并且钢材型号对主杆影响较大，原则上应选Q345B 钢管有利于钢材利用。

3.5 斜撑复核

当斜撑类型一为70 mm×5 mm 的Q235B 钢管时，杆件截面面积A斜撑=10.21 cm2，回转半径ix=2.304 cm；斜撑杆长细比为186.63，查表求得稳定系数φx=0.229。

由GB 50017—2017《钢结构设计标准》7.2.1 中公式可知：

求得式（6）不等式左边数值为0.31，满足使用要求。

根据YDT 5131—2019《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》5.2.2 塔架的主材、腹杆等构件的长细比λ应不超过下列规定值：塔柱、受压弦杆λ≤150；横杆、斜杆λ≤150，当内力小于杆件承载力的50%时，λ≤200。

得知长细比也满足要求。

4 结论

本文以6 m 抱杆计算为例，通过详细计算和分析，对比了不同杆件截面和不同钢材型号对抱杆实际应用的影响，得出以下结论：

1）在计算屋面抱杆风荷载时，风振系数和体型系数不宜生硬地按规范套用，应注意实际应用环境，否则计算误差较大。

2）抱杆主杆为压弯构件，除了钢材尺寸，钢材型号对主杆发挥影响较大，原则上选择高级别的钢材。

3）抱杆斜撑强度影响不大，斜撑由长细比控制，从受力角度和外形美观度来说，圆杆优于角钢。

4）除了上述3 点之外，在实际屋面抱杆设计过程中，要注意连接构件设计满足规范构造要求。

5 结语

本文对自立式屋面抱杆在风荷载作用下的实例进行分析，通过详细计算和分析，对比了不同杆件截面和不同钢材型号对抱杆实际应用效果的影响，指出了屋面抱杆计算取值的注意事项，提出了主杆和斜撑杆件选材的特点及优化，可为类似的工程提供参考。