角鋼通信鐵塔結(jié)構(gòu)自振特性分析及應(yīng)用

秦柯非

(中鋼集團(tuán)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司石家莊設(shè)計(jì)院塔桅分院，河北石家莊 050021)

角鋼通信鐵塔(角鋼塔)是現(xiàn)在常用的一種通信鐵塔形式。其塔身是由角鋼組成并通過螺栓連接而成的格構(gòu)式通信鐵塔結(jié)構(gòu)。

角鋼塔在通信鐵塔的實(shí)際應(yīng)用中是一種出現(xiàn)比較早的鐵塔形式，一般主要受力構(gòu)件是由四根塔柱組成，通過角鋼將塔柱連接起來，組成一種桁架式的高聳鋼結(jié)構(gòu)。這種形式的鐵塔自身剛度大，變形小，遇罕遇風(fēng)災(zāi)不易傾覆;桿件幾乎都采用角鋼，加工工藝簡單;另一方面，角鋼塔的桁架式結(jié)構(gòu)由桿件組成，運(yùn)輸和安裝便捷迅速、建設(shè)工期短;塔身截面寬度可隨其承受的荷載不同而變化，線條美觀，易于優(yōu)化。以上的優(yōu)點(diǎn)使得角鋼塔在通信鐵塔的實(shí)際應(yīng)用中仍占有重要的位置。

對于角鋼塔這樣的自立式塔架結(jié)構(gòu)，由于自重輕、結(jié)構(gòu)形式規(guī)則、剛度變化均勻、鋼結(jié)構(gòu)承受的變形大等優(yōu)點(diǎn)，地震作用在鐵塔的設(shè)計(jì)過程中并不起控制作用。而由于需要在塔身的頂部安裝天線平臺等擋風(fēng)設(shè)備，造成了風(fēng)荷載是其控制荷載。

在結(jié)構(gòu)的振動分析中，結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型是承受動力荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，也是結(jié)構(gòu)動力分析的基礎(chǔ)。自振周期即結(jié)構(gòu)系統(tǒng)按某一振型完成一次自由振動所需的往復(fù)時間。在結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載作用計(jì)算中，結(jié)構(gòu)自振周期是設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)確定的重要參數(shù)，其是否正確取值影響到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對鐵塔自振特性的把握。這就需要通過對實(shí)際鐵塔的觀測和計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算進(jìn)行分析和總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)出簡便實(shí)用的基本自振周期計(jì)算公式。

1 對角鋼塔的參數(shù)選擇和3D3S模型計(jì)算

實(shí)際工程應(yīng)用中，常用移動通訊角鋼塔的高度一般在37 m～57 m之間。低于35 m的通信鐵塔一般可采用單位高度用鋼量更為經(jīng)濟(jì)的其他鐵塔形式;而對于一般的移動通信基站而言，57 m的天線掛高基本可以滿足工藝要求。

除了自身高度因素外，對結(jié)構(gòu)基本自振周期有顯著影響的另一因素是塔身的重量，由結(jié)構(gòu)動力學(xué)可知，結(jié)構(gòu)重量的改變會引起其自振特性的改變。引起角鋼塔重量發(fā)生改變的因素主要是為安裝檢修天線提供操作空間的外平臺數(shù)量。一般角鋼塔的外平臺為圓形，由角鋼，槽鋼和鋼筋組成，外平臺的欄桿上安裝天線支架。平臺的重量隨其直徑大小而變化，一般在680 kg左右;天線支架因構(gòu)造不同，重量一般在50 kg～60 kg之間;一般面包天線的重量在20 kg～25 kg。在進(jìn)行建模計(jì)算時，平臺重量取680 kg，天線支架取每副60 kg，天線重量取每副25 kg，按通常的情況，每層平臺安裝6副天線支架和6副面包天線，每層平臺合計(jì)重量1 190 kg。角鋼塔的避雷針安裝在塔身頂部，起保護(hù)天線防止雷擊的作用，其構(gòu)造形式相對簡單，一般重量在200 kg左右。

一般每個角鋼塔有一到兩個外平臺就可以滿足一個通信運(yùn)營商的使用要求了。而隨著減耗增效的要求，三家移動通信運(yùn)營商共建共享的鐵塔也越來越多。這就要求在一個鐵塔上安裝更多的平臺來滿足不同運(yùn)營商的不同需求。

在本文模型建模過程中，依據(jù)實(shí)際使用的情況，平臺的標(biāo)高設(shè)置為距塔頂2 m安裝第一平臺，其余平臺按距上一平臺3 m間距設(shè)置，同時為了對比未設(shè)置平臺的角鋼塔的自振特性，本文分別計(jì)算了無平臺和設(shè)置一、二、三、四個平臺時不同塔高角鋼塔的基本自振周期。

對于角鋼塔的基本自振周期計(jì)算，可以利用同濟(jì)大學(xué)三維空間鋼結(jié)構(gòu)軟件3D3S進(jìn)行建模計(jì)算。本文對37m，42m，47m，52m，57m共5種實(shí)際工程中常用高度(不含避雷針高度)的角鋼塔進(jìn)行計(jì)算分析。所采用的角鋼塔模型頂端橫截面邊長為1.5 m，塔身根開7.5 m，鋼材采用Q235B，各個高度鐵塔各段的邊長和塔柱型號等參數(shù)如表1所示。

結(jié)構(gòu)中其他桿件均采用角鋼，角鋼型號在0.35 kN/m2基本風(fēng)壓下滿足GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

2 模型的計(jì)算結(jié)果和計(jì)算數(shù)據(jù)的擬合

通過以上大量的模型計(jì)算，得到不同高度和平臺數(shù)量的角鋼通信塔的自振基本周期如表2和圖1所示。

因?yàn)閷?shí)際工程應(yīng)用情況的不同，角鋼塔的高度、外形、重量等因素也是各不相同，為了便于在實(shí)際應(yīng)用中便捷的估算角鋼塔的自振基本周期，顯然我們需要分析并總結(jié)出簡單易行的結(jié)構(gòu)自振基本周期估算規(guī)律以補(bǔ)充實(shí)際設(shè)計(jì)工作。

表1 塔身各標(biāo)高對應(yīng)的邊長和塔柱型號

圖1 3D3S模型計(jì)算的角鋼塔自振基本周期

表2 不同塔高和平臺數(shù)時的基本自振周期 s

通過對以上計(jì)算的結(jié)構(gòu)自振基本周期數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，可以得到估算角鋼塔自振基本周期的實(shí)用公式:

式中:H——塔高，m;

x——平臺數(shù)。

由以上總結(jié)的公式中可以看出，對于一般形式高度在37 m～57 m之間的角鋼塔，其自振基本周期同塔高呈線性增長關(guān)系，也就是說，塔的高度越高，其自身周期越長，結(jié)構(gòu)剛度越小;另外，塔身自振基本周期隨著平臺數(shù)增多、重量的增加而增大，這與理論計(jì)算的結(jié)果是相吻合的，亦即隨著平臺重量的增大，塔體自振周期變長。我們還可以從公式中看到，隨著增加的平臺高度的逐步降低，平臺數(shù)量對周期的影響權(quán)重是不斷下降的。

為了更清楚的比較實(shí)用計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果，表3列出了兩者之間的誤差。從表3可以看出，用多項(xiàng)式擬合的表達(dá)式和3D3S模型計(jì)算出來的結(jié)果曲面吻合的較好，而且擬合公式形式和計(jì)算都較為簡便，便于工程人員在實(shí)際工程中應(yīng)用。

表3 實(shí)用公式與3D3S模型計(jì)算結(jié)果的誤差

表3為實(shí)用公式計(jì)算出來的25種角鋼塔自振基本周期與3D3S模型計(jì)算結(jié)果的比較。由表3中可以發(fā)現(xiàn)，兩組數(shù)據(jù)相差的幅度在5%以內(nèi)，其擬合結(jié)果是比較滿意的。故本文提出的實(shí)用公式可作為實(shí)際設(shè)計(jì)中計(jì)算通信角鋼塔結(jié)構(gòu)自振基本周期方法的有益補(bǔ)充，在實(shí)際工程中具有一定的參考價值和實(shí)際意義。

3 結(jié)語

角鋼通信鐵塔的結(jié)構(gòu)基本自振周期是其自振特性的重要特性。準(zhǔn)確而快速的確定結(jié)構(gòu)基本自振周期對于把握角鋼塔的自振特性有很大的幫助。本文利用同濟(jì)大學(xué)三維鋼結(jié)構(gòu)軟件3D3S建模對不同塔高和平臺數(shù)角鋼塔的自振基本周期進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算了高度從37 m～57 m，無平臺和安裝一、二、三、四個圓形外平臺共25種角鋼塔的自振基本周期。并且根據(jù)3D3S模型計(jì)算結(jié)果，擬合出估算不同塔高和平臺數(shù)的實(shí)用公式，為更準(zhǔn)確的估算角鋼通信塔自振特性做了有益的探索。

［1］GB 50009，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］．

［2］GB 50135，高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［3］GB 50017，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［4］沈之容，倪 陽，徐華剛．鋼結(jié)構(gòu)單管通信塔自振基本周期的研究［J］．特種結(jié)構(gòu)，2008(2):27-28．