單管塔塔身優化及耐候鋼的工程應用

巨 晶,董軼赟

(華信咨詢設計研究院有限公司,浙江 杭州 310052)

外爬支架式通信單管塔迎風面小,塔身簡潔,造價較低；該塔形安裝快捷,可用于市區、農村等大多數場景,在通信塔領域得到廣泛應用。通信基站數量大,而4G和5G基站建設密度更高,通信建設降本增效的要求日益強烈。本文結合通信塔應用的實際需求,分析通信單管塔如何優化設計以降低建造成本。另外,經過工程實際檢驗,可采用耐候鋼降低建設成本,并給出耐候鋼單管塔設計建議。

1 單管塔參數優化

1.1 概況

以外爬支架式單管通信塔為例,高度按35 m。

塔體共掛設2層天線,每層板狀天線3付(天線迎風面積按0.6 m2/付計,RRU迎風面積按0.2 m2/付計),天線掛高為33.5 m和30 m。

塔體采用圓形截面,塔段間采用套接連接,爬梯采用外爬釘無護圈,設安全繩。

塔體主材采用Q345B鋼材,輔材及平臺構件采用Q235B鋼材；地腳螺栓采用45#鋼材(圖1)。

圖1 模型簡圖

1.2 設計依據

1.2.1 設計原則

移動通信工程塔桅結構的設計使用年限為50年；塔桅結構的安全等級為二級；塔桅結構的抗震設防類別為丙類；塔桅結構按8度采取抗震措施。

1.2.2 設計荷載

基本風壓wo=0.45 kN/m2,地面粗糙度為B類。

1.3 計算理論及依據

根據《鋼結構單管通信塔技術規程(CECS:236—2008)》及《移動通信工程鋼塔桅結構設計規范(YD/T 5131—2005)》,鋼塔桅結構的抗震設防烈度為8度及以下時可以不進行截面抗震驗算,僅需滿足抗震構造要求。

采用SAP2000 V15通用有限元程序進行結構分析。

塔體采用框架單元建模,截面為變截面圓形。塔體底部與地面采用固結約束連接。SAP2000軟件框架單元起始節點和終點之間截面是可以變化的。可以遵從線性、二次或三次方的變化,截面常數相應變化,可以精確模擬變截面的單管塔。

1.3.1 荷載導算

1)塔體荷載

按風荷載計算公式wk=βzμsμzw0進行計算。外爬塔身體型系數μs取0.9。塔身荷載分段按漸變線荷載輸入。荷載按管徑變化、風壓高度變化系數變化等因素精準考慮[1-2]。其中風振系數按式(1)計算。

βZ=(1+ξε1ε2)×k

(1)

式(1)中：ξ為脈動增大系數；

ε1為風壓脈動和風高度變化影響系數；

ε2為陣型、結構外形影響系數；

k為平臺修正系數。

2)天線荷載

板狀天線體型系數取1.3。3副及以上天線均勻安裝于同一高度的單管塔塔身且該處塔身直徑與天線寬度的比值不小于1.1時,天線總的擋風面積可按天線數量乘天線正面面積,并乘以折減系數K2。K2取值見表1,天線示意見圖2。本次計算根據通信天線實際情況取天線荷載折減系數為0.7。天線荷載按水平向集中荷載施加。

表1 K2參數取值表

圖2 天線B及L示意

1.3.2 內力計算

分析時設DEAD、WIND(風荷載標準值)、WIND_DISP(風荷載標準值組合)3種荷載工況。WIND_DISP設計工況為幾何非線性,考慮P-Δ效應。線性的基本組合和標準組合按現行荷載規范。

1.3.3 承載能力極限狀態設計

塔身按照壓彎構件驗算強度,并考慮管壁局部穩定[3-4]。強度驗算按式(2)～(4)。

(2)

μd=1.0D/t≤114.6

(3)

μd=0.565+66.62/(D/t)-1 926.5/(D2/t2)

114.6

(4)

式(2～4)中：N為軸心壓力；

M為計入二階效應彎矩；

W為截面模量；

μd為強度修正系數；

D為截面外徑；

t為管壁厚度。

1.3.4 正常使用極限狀態設計

橫向變形允許值按《移動通信工程鋼塔桅結構設計規范(YD/T 5131-xx)(征求意見稿)要求控制,在標準組合下單管塔的u/Hi為1/33,大于現行規范1/40[5]。1/33的位移限值與現行美標吻合[6],調查國內主要廠家天線設備,1/33位移限值完全可以滿足工藝需求。

1.3.5 構造要求

構造要求按單管塔規程及鋼結構規范,保證局部不先于整體破壞。

1.4 模型分析比較

本次分析,各模型選擇時,按極限承載力狀態和正常使用極限狀態,控制到臨界狀態,保證在確定管徑下壁厚最小或相應壁厚情況下管徑最小。比較不同管徑、厚度及塔身坡度下,參數對塔體重量的影響,得出較優塔形。

1.4.1 塔身坡度的影響

塔腳尺寸為880 mm時,比較塔頂250 mm到550 mm時,位移及應力比情況。模型幾何參數見表2,計算結果見表3。

表2 模型幾何參數

表3 研究塔身坡度影響各模型計算結果

應力比最大位置均在塔中部,若底部厚度同上面塔段,則位于底部。隨著塔頂直徑的增加(塔身坡度的變小),塔腳應力比增大,塔腳反力增大,塔身重量增大,塔頂位移變小,但是位移變化不大。

綜合分析,塔身坡度較大時,用材更加合理,符合桿體受力變化曲線；塔腳反力也較小,地腳螺栓和法蘭用鋼量也更為節省。

位移控制宜在較大塔身坡度情況下,調整塔體直徑滿足要求。

1.4.2 塔身直徑與壁厚影響

在滿足極限承載力和正常使用承載力情況下,探討管徑與壁厚的經濟性。塔身坡度取基本相同,調整壁厚使各個模型頂點位移相近,計算結果見表4。

表4 研究直徑壁厚影響各模型計算結果

相近塔體坡度下,塔身直徑增大,可以減輕壁厚,塔體重量下降明顯,但是由于迎風面的增大,塔腳彎矩明顯增大。直徑增加到一定程度,壁厚按局部穩定及構造不能再減小時,增大直徑不能降低塔重,塔腳彎矩還在增大,反而浪費。

1.5 實際工程設計對比

采用優化后的塔身坡度及壁厚,對25～45 m單管塔進行設計。實際推廣中考慮實際需求,4層平臺改為3層平臺。優化后塔形在某省得到全面推廣。優化后塔形強度位移滿足上節中要求,在實際中也未見異常,滿足工藝需求。

以原設計圖集作為依據比較,優化后塔形普遍可以降低重量20%以上。優化中各個因素對優化的權重比例見圖3。

圖3 各因素對減輕塔重的權重

0.45風壓35 m優化后塔形的質量較原標準圖節省1.4 t,塔體可減少造價1.4萬元左右。塔腳彎矩值減少25%,獨立基礎造價減少15%左右(表5)。

表5 0.45風壓35 m塔形對比

0.45風壓40 m優化后塔形的質量較原標準圖節省1.8 t,塔體可減少造價1.8萬元左右。塔腳彎矩值減少20%,獨立基礎造價減少13%左右(表6)。

表6 0.45風壓40 m塔形對比

2 塔身材料——耐候鋼的應用

2.1 工程設計與實踐

通信單管塔處于室外環境中,抗腐蝕非常重要。現在一般國內均采用熱鍍鋅工藝,造價非常高。耐候鋼耐大氣腐蝕能力強,成本較低,在通信工程中有較大應用前景。設計中應考慮裸露耐候鋼材的腐蝕。

筆者于2018年5月在河北省設計一30 m外爬支架式耐候鋼單管塔。塔身未采用防腐措施,塔身為朱紅色,見圖4。試驗階段用量較少,采購相對比較困難。后期規模化生產,采購安裝不存在問題。該塔體截至目前,各項指標檢測良好,滿足使用要求。

圖4 耐候鋼單管塔

裸露耐候鋼鐵塔初期建設成本較鍍鋅鐵塔便宜5%～8%左右。后續鍍鋅鐵塔中間需要根據實際情況對鐵塔構件進行一系列的防腐蝕措施,運檢維修成本高。耐候鋼在全設計周期內,無需防腐處理,維護成本低,全壽命周期范圍內耐候鋼鐵塔可節省15%到25%(和普通塔后期維護情況有關)。

2.2 設計建議

現有設計規范對耐候鋼規定較少,根據國內外研究進展及筆者實踐經驗,提出以下設計建議：

1)設計中應考慮裸露鋼材的腐蝕,或提高產品的厚度對侵蝕進行補償。可根據廠家提供長期侵蝕后的有效厚度設計。最大腐蝕量除有可靠依據外,暫按不宜小于0.1 mm考慮。

2)空氣若有腐蝕性或者長期處于潮濕環境或海洋性氣候,建議表面采用常規涂刷。涂刷前應去除氧化表皮。

3)規定耐候鋼應該具有較好耐大氣腐蝕性能,要求耐腐蝕性能指數應不小于6.0。根據實際使用環境宜適當提高防腐蝕性能指數要求。應事先約定。

4)耐候鋼單管塔插接段腐蝕后的插接段連接性能較好,設計可按普通鋼材設計方法。

5)鐵塔的螺栓連接節點為非緊密連接節點, 更易存在汽水交替界面,且塔腳易被植被覆蓋且容易積水,腐蝕速率較高。單管塔設計塔腳必須進行素混凝土包封；上部主體插接連接性能好,應優先選用。

6)鋼材應為鎮靜鋼,微量合金元素及化學成分含量及偏差應滿足相關規范要求,性能和工藝要求按《耐候結構鋼(GB/T 4171—2008)》,宜作沖擊試驗要求。

7)尺寸偏差應滿足《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及臺件偏差(GB/T 709—2019)》, 《冷軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及臺許偏差(GB/T 708—2019)》及其他相關規范要求,可根據國內耐候鋼材實際指標適當提高要求。

3 結 語

1)塔身坡度較大時,用材更加合理,符合桿體受力變化曲線；塔腳反力也較小,地腳螺栓和法蘭用鋼量也更為節省。位移控制宜在較大塔身坡度情況下,調整塔體直徑滿足要求。

2)相近塔體坡度下,塔身直徑增大,可以減輕壁厚,塔體重量下降明顯,較為經濟,但是由于迎風面的增大,塔腳彎矩增大。直徑增加到一定程度,壁厚按局部穩定及構造不能再減小時,增大直徑不能降低塔重,塔腳彎矩還在增大,反而浪費。

3)塔身位移放寬至1/33和天線面積折減,滿足工藝需求,不影響結構安全,對降低造價有較大作用。

4)耐候鋼與普通鋼材力學性能接近,可用于實踐。初期建設成本低5%～8%左右,全周期造價低15%到25%。設計中應考慮耐候鋼的材料特性,從概念設計到精細設計應有針對性,筆者給出現階段耐候鋼單管塔設計的建議。