廣播電視塔新型鋼走梯的設計與分析

馬思明，崔廣龍，朱悅，邱暉

（中廣電廣播電影電視設計研究院，北京100045）

1 引言

廣播電視塔主要用于無線信號的傳輸發射。為方便塔上設備安裝、檢修，會在塔的中部設置鋼爬梯或鋼走梯。鋼走梯的強度高、整體剛度好【1】，比鋼爬梯更便于人員攀登。隨著廣播電視塔地標功能越來越突出，鋼走梯也逐漸取代鋼爬梯，成為廣播電視塔豎向交通的主要方式。

本文依托于某廣播電視塔項目，設計了一種新型鋼走梯，并從布置、構造角度進行介紹，通過有限元軟件Midas 分析了新型鋼走梯在安全性及動力特性等方面的特點，論證了新型走梯的設計是合理的。

2 結構布置及構造

2.1 結構布置

圖1 所示為整體結構布置，陰影部分為中心井架。塔身中部設置中心井架，并依附于井架設置鋼走梯。每隔一定距離，中心井架和外塔架需采用水平構件相連，以將中心井架水平荷載傳遞給外塔架。

圖1 廣播電視塔新型鋼走梯整體結構布置示意圖

傳統鋼走梯一般由沿中心井架懸挑設置走梯，梯段呈盤旋上升狀。傳統走梯的缺點如下：

1）梯段設置在中心井架外部，不利于裝飾結構布置；

2）在與外塔架相連的位置，只能滿足3 個中心井架柱與外塔架相連；

3）工作人員在井架外部行走，心理上有不安全感。

考慮到傳統鋼走梯的缺點，本項目設計了新型鋼走梯。將梯段設置在中心井架內部，保證了圍護結構連續完整，提升廣播電視塔整體外觀，人員行走時安全感更好。

2.2 結構構造

新型鋼走梯主面、剖面布置如圖2 所示。利用外圍橫桿分別設置2 根次梁，并與外圍橫桿圍成休息平臺。在不影響人行走的設置水平支撐，提高平面水平剛度。在上、下層次梁之間設置梯梁，以設置踏步。

3 方案可靠性分析

可靠性分析從以下2 個方面——安全性和使用性進行分析，前者體現結構構件在承載能力極限狀態下的強度和穩定性【2】，后者主要從結構正常使用狀態下加以分析。

3.1 結構安全性分析

采用Midas 建立整體模型進行有限元計算，施加走梯活荷載、恒荷載以及風荷載等。在荷載基本組合下，中心井架的應力比分布如圖3 所示。

從圖3 中可見，構件應力比最大值在中心井架底部柱子，4 根塔柱承擔井架全部豎向荷載，故塔柱應力比最大。從以上結果看出，中心井架和走梯相應構件應力比均小于1，滿足要求。

圖3 中心井架應力比分布云圖

3.2 使用性分析

在荷載標準組合下，平面布置中最長次梁的撓度為0.002mm，撓度跨度比為1/2 000，遠遠低于規范要求限值。可見，構件的抗彎剛度較強，使用性良好。

3.3 對比分析

為了分析新型走梯的結構特性，與傳統走梯進行對比分析，僅建立局部模型。模型高度5m，包含4 跑梯段。中心井架的構件規格和梯段相應構件規格均一致。新型走梯中心井架寬4m，傳統走梯中心井架寬2m，走梯凈寬均為800mm。

1）模態分析：新型走梯模型中次要構件較多，結構模態分析時，很容易激勵出局部振動【3】。本次分析僅考察結構的主要陣型，模態分析見表1。

表1 模態分析

表1 中新型走梯前三階陣型分別為X向平動、Y向平動、Z向扭轉（扭轉因子為0.998，大于0.5）；傳統走梯前三階陣型分別為Z向扭轉（扭轉因子為0.614，大于0.5）、X向平動、Y向平動。新型走梯前兩階振型均為平動陣型，扭轉周期比為0.72；傳統走梯的第一階陣型為扭轉陣型，第二、三陣型為平動陣型。可見，傳統走梯結構抗扭剛度較低，且不符合規范要求。另外，新型走梯的平動周期小于傳統走梯，表明新型走梯的抗側剛度優于傳統走梯。

實際上，中心井架并非獨立工作，所以，以上參數僅供對比分析使用。

2）結構剛度：在模型頂部施加單位水平力，并對比2 個結構頂部位移，位移如圖4 所示。從圖4 中可見，新型走梯側向剛度優于傳統走梯，側向剛度約為傳統走梯的2 倍。新型走梯中心井架寬度較大，所提供的結構側向剛度更大，更利于結構整體的穩定。

圖4 兩個走梯位移云圖

3.4 施工可行性分析

新型走梯的所有構件均采用工廠預制，現場螺栓拼接連接。構件長度均能控制在9m 以內，便于運輸。走梯梁和踏步可采用工廠焊接后安裝，也可以預鉆孔，現場螺栓安裝，安裝方式靈活，施工周期短。構件重量輕，易于吊裝。新型走梯具有很好的施工可行性。

4 結語

通過對鋼結構電視塔鋼走梯的設計，從結構可靠性、使用性分析了新型走梯的特點，并從結構特性方面與傳統走梯對比。分析結果表明，新型走梯的構造設計是合理的，也是安全舒適的。其特點總結如下：

1）外觀美觀，外部連續完整，便于維護結構安裝，裝飾效果好；

2）結構安全，抗扭剛度和側向剛度較傳統走梯更好，便于中心井架和外塔架的水平梁的連接，傳力效果更好；

3）構造合理，主次梁構造清晰，傳力路徑明確；

4）施工方便，無復雜節點連接，易于運輸、安裝、施工和維護。

綜上所述，新型走梯在廣播電視塔中有較高的推廣價值。