5G 改造建设的新型杆体加固方案探讨

2023-08-19安雪峰

广东通信技术 2023年7期

［安雪峰］

1 引言

随着5G 改造建设的深入推进，大量新增5G 设备是在存量杆塔上实现，但存量杆塔上往往已经存在4G/3G，甚至2G，而且我国已实现了通信的资源整合，同一杆塔一般为多家运营商共享，如移动、电信、联通、广电等，导致通信杆塔往往是满荷载运行，存量站点因杆体检测不通过导致无法升级改造的问题日益严重。如果无法进行原站改造，则需要在旁边重新新建杆塔以满足运营商的需求，造成重复建设，资源浪费；采用传统的杆体加固方案要么造价高，要么占地面积大，无法很好的满足改造建设需求。因此，需要研究探讨新型的杆体加固方案，以确保解决当前5G 改造建设所遇到的杆体加固问题。

2 现有问题分析

通过对需加固杆塔的杆检报告分析整理，存在问题有：（1）原存量杆塔新增设备后其塔身应力比超限；（2）原存量杆塔新增设备后其杆顶位移超限；（3）原存量杆塔新增设备后其地脚螺栓抗拉应力比超限；（4）上述问题的两种或全部存在；造成以上问题的原因进行分类，可以划分为三类：第一类分为通信设备的增加超载引起的现象；第二类分为钢材锈蚀、裂缝等损伤引起的现象；第三类分为设备超载和钢材损伤共同引起的现象。

目前传统加固方法主要有增加拉线加固和增加硬支撑加固，如图1 所示，该加固方法虽然可靠，承载力提升效果明显，却存在以下不足：占地面积大；在道路、公园等区域，妨碍人员通行，有一定的安全隐患；破坏城市景观协调性；场地受限，无法施工；行政主管部门报批难；造价高等，以上不足决定了传统加固方案在城市中基本没有普遍实施的可能性。

图1 传统加固方法

3 新型材料加固方案研究

针对这个问题，我们联系了黑龙江大学负责新材料研究的教授，一同探讨解决方案。通过实验，我们最终决定采用粘结方式，将复合材料与原钢结构连接的“组合塔”加固修复技术。如图2 所示，该技术相较于传统的加固修复钢结构的方法，具有较大的优势。这主要得益于复合材料的以下几方面的特点：

图2 新型材料加固方案

（1）复合材料具有极好的抗酸碱腐蚀能力。采用复合材料加固钢构件后，对原结构自然形成腐蚀防护，降到了后期维护所需成本；

（2）低密度（约为钢的1/4）、高抗拉性能（普通级FRP 片材在1000～5 000 MPa 之间）。采用复合材料加固钢结构等构件后，几乎不增加原结构的重量；

（3）弹性模量较高（普通级的单向碳纤维片材的杨氏模量约为230 GPa）；

（4）较好的抗疲劳性能和抗蠕变/松弛性能（碳纤维要大大优于钢材）；

（5）FRP 虽然是一种脆性材料，但具有较高的变形能力（几乎为线弹性直到破坏，碳纤维片材的应变可达到1～2%，玻璃纤维和芳纶纤维片材的应变可达到2.5～3.5%）；

纤维增强复合材料（FRP）的抗拉强度是钢的2～10倍，是一种被广泛应用的新型高性能材料，粘贴FRP 对钢结构进行加固，原结构承担的部分荷载通过粘结胶层传递给FRP，从而降低了原结构的应力水平，起到加固修复的效果（加固方法如图3、图4、图5 所示）。采用新材料FRP 进行加固杆体方案，具有不产生次生应力和缺陷、耐久性好、施工方便、维护费用低等优点。通过“组合塔”方式，既不破坏城市景观协调性，又不增加环境安全隐患，不占地、不占道，易实施。

图3 复合材料加固方式一

图4 复合材料加固方式二

图5 复合材料加固方式三

3.1 新型材料加固方案试验

为验证新型复合材料加固杆塔方案的性能，在实验中心建立6 个模型进行试验，测试各模型的承载力性能：

试验一：原铁塔承载力试验，试验参数及结果如图6所示。

图6 试验一数据

试验二：原铁塔+复合材料附加塔（竖向）承载力试验，试验参数及结果如图7 所示。

图7 试验二数据

试验三：原铁塔+复合材料附加塔（环向缠绕）承载力试验，试验参数及结果如图8 所示。

图8 试验三数据

试验四：复合材料附加塔（片材）承载力试验，试验参数及结果如图9 所示。

图9 试验四数据

试验五：原铁塔+复合材料片材+复合材料附加塔（环向缠绕）承载力试验，试验参数及结果如图10 所示。

图10 试验五数据

试验六：受损铁塔局部复合材料加固承载力试验，试验参数及结果如图11 所示。

图11 试验六数据

图12 承载力对比

图13 位移曲线

从实验结果看，承载力、位移性能，均有良好的提升。在仅使用纤维布缠绕粘贴加固时，钢材的承载力提升了15.4%，部分缠绕粘贴加固进也有7.7%的提升，当使用纤维布及复合材料板材时，钢材承载力大幅提升了184%。试验结果汇总分析如图6、图7 所示。

3.2 有限元分析(FEA)

使用有限元分析，模拟各种试验方案，可有效确保产品设计的合理性、可靠性。Abaqus 有限元模型：采用solid 单元建立4 个铁塔段和一个40 m 长的复合材料塔，网格大小划分为100 mm，单元类型为C3D8R。铁塔底端固定，限制三个方向的位移和转角，在塔顶端施加集中荷载，模拟复合材料塔加固铁塔，如图14 所示。

图14 Abaqus 精细化有限元模型

模拟方案如下:

方案1：粘贴纤维布加固，粘贴层数为2 层 (总厚度为2 mm) 。

方案2：先粘贴复合材料片材（2 mm），然后粘贴纤维布加固，粘贴层数为2 层 (总厚度为4 mm) 。

方案3：先粘贴复合材料片材（4 mm），然后粘贴纤维布加固，粘贴层数为2 层 (总厚度为6 mm) 。

方案4：先粘贴复合材料片材（6 mm），然后粘贴纤维布加固，粘贴层数为2 层 (总厚度为8 mm) 。

方案5：先粘贴复合材料片材（8 mm），然后粘贴纤维布加固，粘贴层数为2 层 (总厚度为10 mm) 。

分析结果如表1 所示，通过有限元分析，使用复合材料加固方案，可有效提高铁塔的强度和刚度，提升铁塔承载力。

表1 有限元分析(FEA)汇总表

4 新型材料加固试点

在论证了新材料在杆体加固方面的可行性之后，在惠州铁塔进行杆体加固试点的过程中，我们选取了4 个常用塔型的站点，进行了杆体加固试点，分别是49 号小区，白花英伦印象、东江新城路口、和淡水人民桥，站点情况如下：

（1）49 号小区：塔高20 m，单管塔，风压0.55 kN/m2，加固方式：碳纤维布+玻璃纤维布+抱箍。

（2）白花英伦印象：塔高30 m，单管塔，风压0.65 kN/m2，加固方式：碳纤维布+玻璃纤维布+抱箍。

（3）东江新城路口：塔高35 m，单管塔，风压0.55 kN/m2，加固方式：碳纤维布+玻璃纤维布+抱箍。

（4）淡水人民桥：塔高40 m，单管塔，风压0.65 kN/m2，加固方式：碳纤维布+玻璃纤维布+抱箍。

施工工艺流程包括表面处理、找平施工、涂刷底胶、裁剪纤维布、配制胶液、粘贴纤维布、二次涂胶和固化养护等环节。其中，表面处理是确保施工质量的关键步骤，需要将杆体表面的灰尘、油脂等杂物清除干净，以确保涂层与杆体表面的粘结强度。找平施工则是保证施工平整度的重要步骤，需要根据杆体的形状和大小，制备相应的找平材料，并在找平材料干燥后，进行下一步的施工。

总的来说，惠州铁塔的杆体加固试点取得了一定的成果，为新材料在杆体加固领域的应用提供了有益的经验和借鉴。未来，我们将进一步扩大试点范围，探索更加高效、实用的杆体加固方案。施工过程及完工整体效果，如图15 所示。

图15 杆塔加固施工图

为保证采用新材料加固工艺加固后杆塔满足安全使用要求，聘请第三方检测单位，对加固杆塔进行检测。经监测，偏移变化趋势，三轴倾角变化量均在阈值允许的范围内，塔桅结构处于安全运营状态，满足新增设备架设需求。

通过现场实施对试点站进行了杆体加固，在原有铁塔外层通过高性能树脂和高强度纤维制作新型复合材料外层塔，从而使加固后的铁塔形成钢材+复合材料两者结合的组合塔。经过近半年的实验验证，新型复合材料加固方案可提高杆体强度和刚度幅度大于30%。与目前采用的加固技术相比，可缩短施工周期大于40%,且减少投资费用大于30%。通过使用新材料进行加固，可以有效地解决杆体承载力不足问题，相对于传统的加固方法，该方案具有创新的解决方案，避免了传统加固现场实施所遇到的问题。

从4 个站点的实验检测报告看，新型复合材料的杆体加固方案，能够有效地解决原先杆体承载力不足的问题，实现了低造价、高效率，满足了运营商的需求。经过初步试验证明，具有以下优点：

（1）整站新型复合材料重量小，设备运输和人工搬运方便，增加荷载小，对基础基本没有影响。

（2）新型复合材料防腐、耐湿热、耐酸、耐碱、耐紫外线照射能力强，温湿度稳定性好，相比钢材使用寿命长，可减少后期防腐除锈维护工作。

（3）新型复合材料加固后，杆塔强度可以提高30～80%（承载力）和刚度提高20～70%（抗变形），可以满足加装天线的要求。

（4）新型复合材料加固杆塔造价低，较新建一座铁塔降低成本40～60%，较目前常用铁塔加固方法（索力塔加固、钢管组合加固）降低成本25～40%，有效减少建设成本，降低造价。

（5）新型复合材料加固施工周期为5～7 天，相比新建地面塔工期缩短35～40 天，相比目前常用铁塔加固方法（索力塔加固、钢管组合加固）工期缩短7～10 天，可快速交付，减少施工工期。