通信單管塔快速設計復核軟件的設計與實現

韓也軒，李 剛，湯偉方，呂 庭，章畫畫，付建斐

(中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

單管塔是通信工程中常用的信號塔，在市區信號覆蓋方面是不可替代的。隨著5G時代的正式到來，單管塔設計、復核工作量在快速增加，如何高效精準地完成單管塔設計和承載力復核，已經是所有一線設計人員需要重視的問題。相較于其他塔形，通信單管塔形式簡單，數字化建模與分析計算難度較低，完全可以通過自主研發一款單管塔快速設計復核軟件以有效地解決這個問題。

單管塔快速設計復核軟件旨在新建單管塔的設計以及微站鐵塔承載力復核的過程中，利用自編譯軟件的優勢，規范設計流程，提高設計精度，提高一線人員工作效率，同時通過封裝exe軟件的特性，使用一定的技術手段或者管控措施，可以防止軟件的外泄和未授權使用。

1 軟件編制思路

本軟件的編制目的主要在于簡化單管塔建模過程，規避使用SAP2000等第三方有限元軟件[1]，極大提高工程師在鐵塔設計與復核中的工作效率，規避無意義的重復勞動時間。微軟公司的Visual Basic語言為編寫軟件提供了良好的開發平臺，可以實現通信單管塔的快速建模和分析。該軟件在三管塔建模分析中將整個流程按軟件功能分為三個區塊：1)數據輸入模塊；2)模型計算模塊；3)細部計算模塊。流程圖見圖1。

使用者僅需要在模塊1中輸入塔身的信息，后續流程將由軟件自動完成。相較于以往逐根構件輸入，用Excel等軟件計算風荷載再手動導入模型，本程序大大縮短了建模時間，單座單管塔的設計復核時間由傳統方法的半天可縮短至1 h。

2 信息輸入模塊

通信單管塔中，塔段作為構成鐵塔的子結構，是構成鐵塔的基本子單位。因為其橫斷面為圓環或正多邊形，口徑自下而上逐漸減少，且斜率恒定。在其建模過程中，往往結構工程師需要根據每一小節塔段的上下端高度，計算出口徑后建立兩個圓環截面，再組合為一根同心異徑管。該過程步驟冗雜煩瑣，工作量大，不利于項目工程的開展。同時，常用的SAP2000軟件中對變截面構件的截面慣性矩過渡僅能選取線性、二次方和三次方這三種模式，而實際圓環是四次方的關系，所以建模中無可避免的會有一定的誤差[2]。

經過研究不難得出結論，單管塔各塔段中構件呈現出相當的規律性。其中，在知道各塔段上下端寬度及高度和分段數的情況下，可以快速計算出各高度上截面的尺寸數據。

本軟件信息輸入模塊基于上述思路，主要功能是為使用者提供輸入單管塔建模分析所需的幾類信息的友好交互界面，主要搜集以下四類數據：

1)塔身的模型數據，包括塔高、塔腳高、塔身材料、頂徑、底徑、風壓、地面粗糙程度等級、塔身截面形狀。

2)平臺等附屬物數據，主要簡化為：掛高、擋風面積、體形系數和質量這四個參數。

3)塔身豎直方向上塔段分布，包括：段長、壁厚。

4)塔腳的模型數據，包括：法蘭板內徑、法蘭板中徑、法蘭板外徑、法蘭板厚度、加勁板高、加勁板寬、加勁板厚度、加勁板切角、加勁板材質、水平焊縫高、豎直焊縫高、地腳螺栓數、地腳螺栓規格、地腳螺栓材質。

塔段單元圖見圖2。

3 建模分析模塊

建模分析模塊主要功能為：承接信息輸入模塊數據，依據有限元法對塔身進行分段，并建立數值模型(見圖3)。第二步根據結構動力學的振動理論建立振動方程求解后進行模態求解。第三步進而計算出風荷載，最后分析風載控制下的工況組合的內力情況。

3.1 塔身模型構建

塔身應滿足以下幾點假設：

1)假定單管塔與基礎固結，不考慮基礎變形。

2)多邊形管身截面近似等效為圓截面，且直徑收窄斜率恒定。

3)忽略單管塔插接段內的增強效應。

4)不考慮剪切與軸向變形。

滿足上述假定下，將單管塔看作是一根底端固接的懸臂桿，其口徑由下自上逐漸減小。利用計算機軟件將其等分為100段，每段近似取為直徑D，壁厚b，高ΔH的圓環。進而可以得到每段的質量，結合附屬物質量后得到質量矩陣[M],塔段模型見圖3。

3.2 荷載的計算與添加

風荷載計算方法主要根據GB 50009—2012建筑結構荷載規范中第八章風荷載計算公式，式8.1.1-1：

wk=βzμsμzw0。

上式由4個參數連乘得到，除了w0由建筑所在地區查表得到，其余每個參數都是由荷載規范第八章若干個公式計算得到，其中所需的各類參數分為兩種：

1)可由軟件計算得到的參數，該類參數包括每節塔段的迎風面積、風壓高度變化系數、一階周期、振型等。這些參數可以運用程序內置的運算邏輯進行計算、插值、模態分析導出等方法得到，并運用到風荷載計算中。其中塔身自振周期和振型為計算難點，可以根據肖鵬、孫亞提出的單管塔自振周期的數值解法[3]求得。

2)需要人為指定的參數，該類參數包括基本風壓、山高、地面粗糙類別、附屬物的迎風面積和體形系數等。這些參數與每個工程實際所屬環境和塔身做法相關，已由使用者在參數輸入模塊根據實際情況手動輸入。

上述參數收集完畢后，軟件將自動生成風荷載。具體計算方法這里不再一一贅述，計算完畢后程序將塔身風荷載、附屬物風荷載以水平節點荷載的形式加載至塔身模型見圖4，形成荷載向量{F}。

4 分析結果輸出模塊

當塔身及附屬物的模型和風荷載都設置完畢后即可按照GB 50009—2012建筑結構荷載規范中第三章規定的風荷載控制下的主材受拉和受壓工況分別進行標準和基本組合。工況組合完畢后，進行結構分析得到結構在風荷載下的應力、位移等數據，塔段分析結果見圖4。

軟件的后處理部分由底部法蘭地埋件計算和文件讀寫部分組成。前者獲取塔身各工況下的位移、內力等數據后，進行底部法蘭、地埋件的計算，后者可以將已有的數據進行保存至Excel表格或讀取Excel表格，方便數據的拷貝、傳輸與保存。

5 計算實例

為了驗證軟件的計算準確性，取鐵塔公司《通信鐵塔標準圖集》V1.3中4座單管塔進行復核：

塔(1)：DGT(C)-30-0.35-3PT3；

塔(2)：DGT(C)-35-0.45-3PT3；

塔(3)：DGT(C)-40-0.55-3PT3；

塔(4)：DGT(C)-45-0.65-3PT3。

5.1 自振周期計算結果對比

以SAP2000建模后模態分析得到的自振周期分別和軟件數值解及0.013H經驗公式進行偏差分析[4]，具體的數值及偏差分析結果見表1。

表1 周期結果對比

由表1可以看出，規范推薦的自振周期經驗公式0.013H得出的自振周期數值較小，其結果與SAP2000模態分析結果誤差相當的大，均大于50%。相比之下，軟件的數值解精度較高，與SAP2000的建模結果誤差均在2%以內，可以認為結果是可靠的[5]。

5.2 內力計算結果對比

軟件分析得到的單管塔內力數據與V1.3圖集提供的數據對比如表2所示。

表2 內力結果對比

由表2可以看出：

1)軸力誤差較大，主要原因在于程序解僅考慮了塔身中的主材質量和手工輸入的附屬物的質量。地腳螺栓、底部法蘭、爬釘、安全裝置等其他構件均無法考慮，實例中4塔的軸力誤差在10%～20%之間，后期可以進行更多的塔身計算后，綜合考慮取15%左右的增大系數以降低軟件解的誤差。

2)剪力、彎矩誤差除塔1、塔4誤差均在1%左右，總體符合程度較好，滿足預期。塔2、塔3誤差在6%～10%之間，有一定誤差，誤差原因在于：a.V1.3圖集由各家設計院分別計算，荷載取值、計算方式可能略有差異；b.V1.3通用圖集留有一定余量，造成其內力值偏大。

6 結語

本文介紹了一種基于VB的通信單管塔快速設計復核軟件的設計與實現[6]。本軟件通過標準化數據輸入和自動建模分析，大大降低了實際工程中通信單管塔的建模分析難度，提高了一線設計師的工作效率。目前該軟件已經正式開發完成，并申請了軟件著作權，同時，本程序已經被中通服咨詢設計研究院有限公司用于實際工程實踐當中，在多個鐵塔設計項目中發揮了不可忽視的作用，取得了顯著的經濟效益。今后的開發里可以逐步細化軟件的細部功能，并提高軟件兼容性，以進一步推廣軟件的使用[7-9]。