通信單管塔加固三維空間模型的計算及分析

劉志全 鄧永娟

摘 ?要：本文利用3D3S三維計算軟件對單管塔加固進行模擬計算及分析，單管塔在原有滿荷載情況下新增平臺后強度將超出規范允許值，需做加固處理。該模擬計算模型采用新增斜撐的方法和合理的單元劃分對單管塔進行風荷載作用下的非線性計算。結果表明：在應力比小于0.85[1]的情況下，并保證單管塔在新增平臺后能繼續使用，對風荷載作用下單管塔加斜撐的位移和應力比等方面進行分析，數值模擬結果比較接近實際結果，其承載能力有較高的提升。利用3D3S三維計算模型能夠比較準確地計算出單管塔的受力。

關鍵詞：單管塔;斜撐;位移;應力比

中圖分類號：TU347 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）12-0047-03

Abstract：In this paper，3D3S software is used to simulate and analyze the reinforcement of single tube tower. The strength of single tube tower will exceed the allowable value of the code after adding a new platform under the original full load，so it needs to be strengthened. The simulation model uses the method of adding braces and reasonable element division to calculate the non-linearity of a single pipe tower under wind load. The results show that when the stress ratio is less than 0.85[1]，the single tube tower can continue to be used after the new platform is added. The displacement and stress ratio of the single tube tower with diagonal braces under wind load are analyzed. The numerical simulation results are close to the actual results，and the bearing capacity of the single tube tower is improved. The stress of single tube tower can be calculated accurately by using 3D3S three-dimensional calculation model.

Keywords：single tube tower;oblique brace;displacement;stress ratio

0 ?引 ?言

隨著近年移動通信網絡數據量業務的迅猛發展，通信運營商在原有的語音通話基礎上大力發展數據網絡設施建設，使通信基站建設得到了快速的發展。為了節省通信運營商基礎設施建設成本，同時提高市場的競爭力，由國資委牽頭，會同國家工信部，組織三大運營商（聯通、移動、電信）召開一次協調會，成立了中國鐵塔股份有限公司。中國鐵塔股份有限公司主要經營三大運營商的基站建設、基站維護、基站保障和運營。中國鐵塔股份有限公司的成立實現了“一站三用”的原則，提高了基站的利用率，降低了基站建設成本，縮短了基站建設周期，達到了國家組織成立該公司節本增效的目標。“一站三用”是建設一個基站三大運營商共用，滿足三家運營商的網絡覆蓋要求。通信基站的建設方式分為地面站和樓面站，其中地面站為單管塔和桁架塔;樓面站為樓面塔、樓面抱桿和美化塔等。隨著4G網絡的普及和5G網絡技術的開展，通信基站向低、密、大的方向發展。本文研究的是“大”，“大”是指基站的承載在增大，單管塔在4G網絡基站建設中得到廣泛應用，為節約建設成本，多家運營商共用一個基站，使單管塔基站的承載超出原設計承載要求，為此需要對單管塔進行加固處理，加固采用塔身加斜撐的方法。本研究是在風荷載作用下，對40米單管塔進行加固處理，驗算加固后單管塔的塔頂位移和塔身應力比，使單管塔滿足規范承載要求。

1 ?三維模型的建立

1.1 ?鋼材本構關系

常用的鋼材應力-應變曲線有雙線模型和三線模型，本文采用三線模型，如圖1所示。此模型能比較準確地反映鋼材在風荷載作用下的應力-應變全過程的特性，適用于延性較好的構件。本文中鋼材的屈服強度為345MPa，對應的線膨脹系數1.2×105;鋼材的極限強度552MPa，彈性模量按 ?采用2.06×105N/mm2。彈塑性階段取泊松比為0.3。應力-應變關系表達式如式（1）所示：

1.2 ?計算模型的建立

原有單管塔高度為35.5m，塔身為Q345鋼材，單管塔頂徑為287mm;單管塔塔底為694mm;塔身分為5節，單管塔現場檢測記錄表如表1所示。

現有平臺為4層，每層三副天線，共計12副天線，通信運營商提出在4平臺下新增5G設備平臺。新增平臺后塔身為5層平臺，15副天線，需重新核算塔身承載。塔腳與基礎為剛性連接，塔身模型采用膜單元，塔身15米處新增斜撐，斜撐為168*5鋼管。單管塔塔身及計算模型如圖2和圖3所示。

1.3 ?邊界及荷載設定

在塔身施加水平荷載模擬風荷載作用效應，直接作用于塔身，塔腳與基礎剛性連接，斜撐桿與斜撐基礎剛性連接，斜撐桿水平投影夾角為90度。設計使用年限為20年，結構安全等級為二級，結構抗震設防類別為丙類。

按承載力極限狀態對結構構件達到最大承載能力或不適于繼續承載的變形驗算結構的強度;正常使用極限狀態控制條件為結構構件達到變形的有關規定值。單管塔所受的主要荷載如下：

永久荷載：鐵塔塔身及附屬構件、避雷針、天線、平臺和爬梯等;

可變荷載：風荷載、地震作用、平臺活荷載、敷冰荷載和雪荷載;

風荷載為WO=0.50kN/m2;

平臺活荷載按2.0kN/m2考慮，敷冰荷載和雪荷載一般小于平臺檢修荷載，可不考慮;

塔身和天線體型系數依據鋼結構單管塔技術規程分別取0.9和1.3，單管塔每層為3個天線，計算時按折減系數K1=0.85進行折減。

2 ?計算結果分析

2.1 ?加固前后塔頂位移和應力比的計算

計算依據為《移動通信工程鋼結構塔桅結構設計標準》，考慮荷載基本組合，永久荷載+風荷載+平臺活荷載[2];荷載分項系數按規范取值[3]。塔身在風荷載作用下最大強度不應大于塔身鋼材的強度，并滿足規范要求，塔頂的水平位移不應大于塔高的1/33，并滿足正常使用變形規范要求。

2.1.1 ?加固前極限狀態的結果分析

加固前單管塔承載力極限狀態基本組合和正常使用極限狀態標準組合計算前進行荷載組合，得出該單管塔共有13種荷載組合形式，組合系數按荷載規范進行取值，計算方式為線性分析和動力特性分析。得出承載力極限狀態基本組合作用下所受的最大應力為：工況1組合2：應力=285Mpa<310Mpa（Q345強度設計值），滿足承載能力要求。

正常使用極限狀態標準組合作用下塔頂最大位移為：工況1組合2：位移=1236mm>35500/33=1075mm[4]，不滿足正常使用變形要求。

2.1.2 ?加固后極限狀態的結果分析

加固后按加固前的兩種極限狀態13種荷載組合形式計算加固后單管塔的線性分析和動力特性分析，得出承載力極限狀態基本組合各工況作用下最大應力為：工況1組合2：應力=228Mpa<310Mpa（Q345強度設計值），滿足承載能力要求;

正常使用極限狀態標準組合作用下塔頂最大位移為：工況1組合2：位移=906mm<35500/33=1075mm[4]，滿足正常使用變形要求。

3 ?結 ?論

通過對單管塔加固前后的計算分析，可以初步得到以下結論：

（1）在風荷載為WO=0.50kN/m2的情況下，單管塔加固前后塔身強度應用得到有效的提高，并滿足設計規范要求，可進行改造，新增平臺滿足運營商的網絡覆蓋要求，但單管塔加固前塔頂位移不滿足設計變形要求，不可進行改造。

（2）通過對單管塔塔身加斜撐的方法使塔身滿足正常使用的變形要求，提高了基站的利用率，降低了基站建設成本，縮短了基站建設周期，達到了節本增效的目標。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 50017-2017 鋼結構設計標準 [S].北京：中國建筑工業出版社，2017.

[2] 中國鐵塔股份有限公司.Q/ZTT1002-2017 通信鐵塔標準圖集V1.3 [S].2017.

[3] 中國工程建設標準化協會.GB 50009-2012 建筑結構荷載規范 [S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[4] 中華人民共和國信息產業部.YD/T5131-2005 移動通信工程鋼塔桅結構設計規范 [S].北京：北京郵電大學出版社，2006.

作者簡介：劉志全（1987-），男，滿族，黑龍江哈爾濱人，設計員，助理工程師，碩士研究生，研究方向：結構動力計算分析。