談某鋼結構天線塔設計

張亮權

(中鋼石家莊工程設計研究院有限公司,河北 石家莊 050021)

隨著我國通信事業的蓬勃發展，鐵塔星羅棋布在神州大地。鐵塔是一種高聳結構，其主要目的是架設通信天線，鐵塔制作、安裝比較方便、快捷，投資也相對較少，很受歡迎，目前天線塔絕大數是鋼結構塔。

鋼結構塔主要有四邊形角鋼塔、多邊形鋼管塔、單管塔、拉線塔四種結構形式。其中四邊形角鋼塔、多邊形鋼管塔又可以叫做桁架塔，主要由角鋼、鋼管構件拼裝而成的格構式自立塔。單管塔是由許多相同斜率錐形圓筒或多邊形筒，長度5 m～10 m的節段首尾相接拼裝起來的，塔身節段之間的連接有內法蘭形式和插接形式兩種方式。拉線塔是由桿身及斜向拉線組成，桿身是依靠斜向拉線而直立的，這些拉線在不同方向、不同高度上支撐桿身，以保證它的直立和穩定。

四邊形角鋼塔是國內最常用的天線塔結構形式，其優點是連接構造簡單，加工安裝方便，質量容易控制，外形堅實敦厚。由于角鋼回轉半徑較小，為了控制桿件長細比，減小構件自由長度，設立再分式腹桿，增加了許多輔助桿件，因而加大了用鋼量。另外角鋼的體型系數較大，不受力的輔助桿件增加了塔的擋風面積，造成了較鋼管塔大得多的風彎矩，用鋼量和基礎造價也相對較大。多邊形鋼管塔塔柱和橫桿采用鋼管，由于鋼管的慣性矩比角鋼大，具有各向同性等特點，整體剛度比較大，又由于鋼管擋風系數較小，比角鋼塔用鋼量要輕一些。單管塔占地較小，制造安裝簡單、方便，但是用鋼量大、變形大、剛度不足。拉線塔需要較大的拉線空間，占地面積大，桿身剛度較小，變形較大。

裝設天線陣、全向天線、平板天線的天線塔，對結構位移要求較高，還必須滿足方向性較強的工藝要求，因此天線塔的結構選型采用四邊形鋼管塔。

1 天線塔概況

本天線塔高17 m，根開4 m，外設四層平臺，在塔頂設置測向天線陣天線，在最高處平臺一上設置全向天線，在平臺二、三上設置10面平板天線，見表1。

表1 天線塔配置

天線安裝示意圖、天線塔立面圖如圖1所示。

2 鋼結構天線塔力學分析

結構安全等級為二級，抗震設防類別為丙類，抗風能力60 m/s，鐵塔的固有頻率前兩階大于2.2 Hz，在15 mm積冰條件下不破壞。

2.1 計算模型及截面選用

結構計算模型采用空間模型(見圖2)。天線塔結構采用的構件截面主要存在以下特征：主塔采用圓鋼管截面。

主要桿件截面分布如表2所示。

表2 主要桿件截面表

2.2 荷載工況及組合

各荷載工況分別表示為：永久荷載、活荷載、風荷載、地震作用、裹冰荷載、溫度作用。

各荷載組合分別表示為：標準組合、基本組合。

荷載取值及組合按GB 50009—2012建筑結構荷載規范，GB 50135—2019高聳結構設計規范[1]。

2.3 結構變形分析

以風為主的荷載標準組合作用下，頂部位移v應滿足高聳結構規范對水平位移限制的要求：v≤h/50，h為塔體總高度(見圖3)。

2.4 結構桿件驗算

各荷載基本組合下的結構桿件應力比如圖4所示。

2.5 連接節點的計算

連接節點包括底法蘭連接節點及中間法蘭連接節點，利用節點反力設計法蘭盤的幾何尺寸及連接螺栓的規格及數量。

部分節點設計如圖5所示。

3 設計的難點

1)鐵塔設計問題：鐵塔高度17 m，根開4 m，天線面積擋風約80 m2；在裹冰厚度為15 mm，為重度裹冰區，冬季裹冰加大了鐵塔擋風，鐵塔風荷載及裹冰恒荷載的作用下，如何使鐵塔頂部位移滿足各類天線的工藝要求，且具有防腐蝕，是設計中的一個難點，鐵塔重度裹冰情況見圖6。

2)塔體平臺與天線支架設計問題：在天線架設布置中，110 MHz～225 MHz平板天線4副，分別指向25°，85°，255°和320°方向；220 MHz～500 MHz平板天線4副，分別指向25°，85°，255°和320°方向；500 MHz～1 350 MHz平板天線2副，分別指向55°，285°方向；130 MHz～170 MHz全向天線1副；960 MHz～1 215 MHz全向天線1副；七元測向天線1副。這些天線通過過渡支架與鐵塔平臺相連，天線面積大，質量重，如何設計塔體平臺與天線過渡支架，既要安全可靠，又要滿足天線角度的要求，是一個重點也是一個難點。

3)塔體防雷的設計問題：由于塔體是高聳結構，容易遭受雷擊，另外，天線設備比較貴重，價值比較高，如果遭受雷擊，損失比較大，且天線網絡通暢比較重要，不能中斷，如何設計，是塔體及天線具備防止直擊雷、感應雷的能力，是設計中的一個難點[2]。

4 設計難點解決方案

4.1 鐵塔設計

本天線塔結構形式為高聳結構，高聳結構的特點是風荷載起決定作用，計算作用在塔上的荷載時，首先計算出各類天線的擋風面積，塔體重裹冰后的折算擋風面積，計算出塔體、平臺、天線以及塔體冰的自重。用精確的整體空間桁架法進行計算，如有必要還可進一步考慮非線性因素計算桁架塔的強度、剛度和穩定性。本設計首先采用空間鋼結構系統軟件3D3S進行桿件計算，由于工作溫度不高于-20 ℃，鋼材材質選用Q355C，初步選定主材截面Φ194×10,Φ159×8，斜材截面Φ133×5,Φ89×5，然后，又采用有限元軟件SAP2000進行各個桿件的計算和復核，根據計算出的主材各個分段的拉力，確定主材使用帶法蘭盤的螺栓連接，螺栓為6.8級6M36及6M30，結構設計滿足國家鋼結構設計規范和塔桅設計規程[3-6]，結構安全可靠。

所有構件均采用熱浸鍍鋅防腐處理，鋅層厚度不小于86 μm，全部螺栓亦應熱浸鍍鋅。因工藝要求需在構件上焊件時，應在鍍鋅前進行，鍍鋅后的構件應對其局部變形進行校正，鍍鋅后，不生銹，不變形，抗老化，降低后期維護成本。

4.2 塔體平臺與天線支架設計

塔頂設置安裝接口板，在安裝接口板的中間開一個φ500 mm的孔，并在安裝接口板下方預留φ500 mm×700 mm的空位，避免塔架與七元測向天線底部測向開關盒和電纜干涉。

平板天線兩側對稱布置64個直徑為9 mm的孔，采用三個過渡支架分別安裝的方式連接天線后，通過過渡支架再與鐵塔平臺護欄相連。過渡支架均采用L50×4角鋼焊接而成，前面用螺栓與天線面板相連接，過渡支架的后面用螺栓與鐵塔平臺相連。

全向天線利用轉接件豎直安裝天線塔上，天線塔上預留φ11 mm孔相配合的安裝接口板，板的中央開有φ80 mm孔，避免與天線線纜接口干涉。

天線過渡支架與平臺連接模式：支架下部支撐在平臺三外伸梁[16上，支架中部與平臺二外伸梁[16鉸接，支架頂部通過支撐與平臺二連接。支架頂部采用Φ70×5支撐桿件與平臺二相連,Φ70×5桿件中部采用Φ50×5桿件空間支撐。

4.3 塔體防雷的設計

設置專用避雷塔，避雷塔的避雷接地與電源地、工作地分開，防雷接地電阻小于4 Ω，電源和工作地的接地電阻小于1 Ω。避雷塔設置專用避雷引下線，并與避雷針和塔底接地網可靠焊接。避雷針的接地電阻小于4 Ω，地網是由鍍鋅扁鋼將塔腳地基內金屬構件焊接成環的方式。避雷塔地網與機房地網之間的焊接點均不得少于兩點，并預留出測試端。接地引下線的出土部位進行保護，使用PVC管包裹。

天線塔設置地網，并設置專用避雷引下線，與接地引下線區分，并與塔頂避雷針和塔底接地網可靠焊接。天線塔上的饋線在頂端、中間、底端處進行三點接地，與鐵塔接地引下線接地位置連接。

5 結語

通過對天線塔結構形式優缺點的分析，對鋼結構天線塔進行了詳細設計[7-9]，滿足了天線抗風能力以及鐵塔固有頻率前兩階大于2.2 Hz的要求；并合理地設置避雷塔、避雷措施使天線塔具備防止直擊雷、感應雷的能力；完成了天線塔結構安全可靠、制造快捷、安裝方便、投資較少的愿望，為類似天線塔的設計進行了積極探索。