基于超設計掛載的通信鐵塔共享改造分析

汪正流 湯愛強

中通服咨詢設計研究院有限公司

0 引言

中國鐵塔股份有限公司整合了三家基礎電信運營商的鐵塔資源，統籌通信鐵塔共建共享，促進了全行業降本增效，有力支撐了我國移動通信網絡的快速規模部署。然而，隨著通信技術的快速發展，4G、5G 站點大規模建設，單座通信鐵塔天線掛載越來越多，多數鐵塔掛載已遠超原設計掛載。如何有效解決通信鐵塔超設計掛載情況下的共享改造，成為當務之急。對常見的通信角鋼塔，若發生倒塔引起的后果嚴重，亟需對此類角鋼塔超設計掛載情況下的共享改造進行分析研究。

理論情況下，在鐵塔超設計掛載時可對鐵塔進行局部加固，使其滿足共享改造的安全設計要求。常規格構式塔的加固思路，有研究提出：對于輕型塔，塔面格構形式簡單，適合采用增加雙拼角鋼方法加固構件；對于中型塔，主材適合采用“十字形”雙拼角鋼加固，斜材適合增加輔助材加固。有研究提出了增設角鋼以加固主材的鐵塔結構加固方案。還有研究以單根主材為研究對象，應用十字形夾具式主材加固方法，研究夾具數量、夾具間距、副主材長度、螺栓預緊力和摩擦系數等參數對主材極限承載力的影響規律。

這些研究為通信角鋼塔的加固設計提供了一定的指導思路，但通常缺乏實操可行性。一般情況下，角鋼塔采用變坡形式、整體設計，塔身各主要構件應力比大致相當，超設計掛載情況下，塔身多處構件設計超限，需同時對多處構件進行加固，使得加固成本過大，且塔身構件開孔、安裝構件等操作難度大，此類加固實際應用效果差。此外，增加加固構件的加固方案增大了塔身迎風面積，加重了鐵塔基礎負擔，塔身加固后尚需考慮對鐵塔基礎進行加固。

在通信角鋼塔超設計掛載情況下，基于鐵塔塔身及鐵塔基礎整體設計的前提，擬研究采用降低塔身荷載的方式，如拆除天線平臺、拆除塔身構件以降低塔高，以期增加鐵塔天線掛載能力，在滿足結構安全的前提下，以最小的建設成本實現建設需求。

1 某40 米角鋼塔計算分析

結合工作經歷，本研究特選取設計風壓為0.55 kPa 的某40 米角鋼塔進行分析。其單線圖及塔身主要參數如圖1 所示。

圖1 某40 米角鋼塔單線圖及塔身主要參數

該塔設計風壓為0.55 kPa，場地設計類別為B 類，設計使用場地為一般平地面。鐵塔設計掛載按每層平臺掛載3 副通信天線，每副通信天線（含RRU）擋風面積取0.8m2。在現行規范下，采用3D3S 軟件對角鋼塔建模及計算分析，計算荷載考慮恒荷載、活荷載、風荷載，不考慮地震荷載、裹冰荷載的影響。計算得：鐵塔最大自振周期為0.6208 s；塔頂最大位移229.2 mm；塔身構件應力比云圖如圖2 所示，在原設計掛載情況下，塔身構件最大應力比達到0.986，幾乎無掛載余量；鐵塔整體傾覆彎矩標準值為3081 kN·m。

圖2 原設計掛載下角鋼塔塔身構件應力比云圖

實際工程中，多數存量角鋼塔通信天線掛載過多，達8-10套天線系統。基于實際情況，本40 米角鋼塔設定超掛載方案按每層平臺掛載9 副天線，每副天線（含RRU）擋風面積取0.8 m2。在設定超掛載情況下，40 米角鋼塔主要計算結果如表1 所示。塔身構件應力比云圖如圖3 所示。

表1 設定超掛載下40 米角鋼塔主要計算結果

基于此，對計算結果進一步分析闡述：

（1）塔頂最大位移

對角鋼塔而言，塔頂最大位移不是其控制因素，設定超掛載情況下，塔頂最大位移為292.3 mm，遠小于533.3 mm 的鐵塔塔頂位移限值，后續計算分析中將不再討論超掛載對鐵塔位移的影響。

（2）最大自振周期

相較原鐵塔設計，因設定超掛載增加了天線抱桿及通信天線重量，鐵塔自振周期由0.6208 s 增大至0.7169 s，鐵塔最大自振周期的變化直接影響了風振系數，進而影響計算風荷載值，對塔身構件應力及鐵塔整體傾覆彎矩均存在一定影響。基于此，原設計掛載計算時，將鐵塔最大自振周期由0.6208s直接調整為0.7169s（通過調整通信天線重量進行調節），其余參數保持不變，計算得：鐵塔整體傾覆彎矩標準值為3122kN·m，較3081kN·m 增大了1.35%；塔身構件最大應力比由0.986 增大到1.008，增幅為2.23%，二者增幅極其有限。基于以上數據，計算時忽略因增加通信天線掛載的重量引起的鐵塔自振周期的增大對鐵塔塔身及基礎安全的影響。

（3）最大應力比及傾覆彎矩

設定超掛載情況下，最直觀的影響是塔身構件最大應力比及鐵塔整體傾覆彎矩。根據本文研究者多年工作經驗，多數存量塔原始設計資料缺失，在鐵塔共享改造時，多數設計人員往往僅通過建設單位提供的鐵塔檢測報告對鐵塔安全性進行評估，因無法獲取鐵塔基礎設計資料而忽視了鐵塔基礎的安全性。40 米角鋼塔在設定超掛載情況下，塔身構件最大應力比由0.986 增大到了1.297，通過圖3 可知塔身多處構件應力比超限，即使不計成本地通過加固塔身構件保證鐵塔塔體的安全性，但由于超掛載情況下鐵塔整體傾覆彎矩較原設計提高了21.4%（此處尚未計入因加固導致的塔身增加的荷載），鐵塔基礎設計安全難以保證。

圖3 設定超掛載下角鋼塔塔身構件應力比云圖

通過上述分析可知，在原設計資料缺失的情況下，鐵塔共享改造時，不能忽視鐵塔基礎的安全性，建議首選等荷載替換的方式。下述將對鐵塔平臺、掛載通信天線、塔身（含爬梯饋線）這幾種荷載作用分開闡述，分別計算這幾種荷載作用對鐵塔整體傾覆彎矩的貢獻度，以便在等荷載替換時可快速有效選擇方案。

2 改造方案及計算結果分析

根據計算分析，40 米角鋼塔設計掛載、設定超掛載時，塔身、鐵塔平臺、通信天線引起的傾覆彎矩值、總傾覆彎矩值如表2 所示。

表2 應急倒閘時間對比數據表

表2 兩種掛載情況下各分項引起的彎矩值（kN·m）

注：依據《移動通信工程鋼塔桅結構設計規范》YDT 5131-2019，單層鐵塔平臺安裝3 副天線時，天線擋風面積折減系數取0.85；單層鐵塔平臺安裝6 副天線時，天線擋風面積折減系數取0.75；單層鐵塔平臺安裝9 副天線時，天線擋風面積折減系數取0.7。

原設計掛載時，塔身引起的傾覆彎矩占總傾覆彎矩的75.9%，塔身起主要控制作用；3 層鐵塔平臺引起的傾覆彎矩僅占總傾覆彎矩的10.7%；3 層共計9 副通信天線引起的傾覆彎矩占13.4%，略高于鐵塔平臺引起的傾覆彎矩。

天線超掛較少時，可采用拆除鐵塔平臺的方案：拆除單層平臺，單層3 副通信天線增設至6 副，天線擋風面積折減系數由0.85 調整至0.75，設計由單層3 副通信天線共2.4m2調整至單層6 副共4.5m2，不影響鐵塔塔身及基礎的安全性。

若通信天線超掛過多，按上述設定的單層9 副通信天線的超掛載計算時，3 層鐵塔平臺均拆除后，鐵塔總傾覆彎矩仍達到3406kN·m，比原設計掛載時的鐵塔傾覆彎矩大10.5%，表明僅通過拆除鐵塔平臺已無法滿足天線掛載要求。此時，需綜合考慮解決方案，如降低塔高、降低天線掛載高度。綜合考量實際情況，拆除塔頂段5米高度，將鐵塔總高降低至35米，拆除第一、第二層鐵塔平臺（仍保留第三層平臺，便于施工維護），仍按3 層通信天線（每層掛載9 副通信天線）考慮，第1、2 層通信天線掛高分別為34 米、31 米，第三層通信天線仍掛于第三層平臺上。此時，各分項引起的彎矩值如表3 所示，塔身構件應力比云圖如圖4 所示。

圖4 拆平臺將塔高超掛載下塔身構件應力比云圖

表3 拆平臺、降塔高后各分項引起的彎矩值（kN·m）

將塔高降低至35 米后，仍保留了一層鐵塔平臺便于后期維護操作，第1、2 層的通信天線掛載高度略有降低，一般情況下仍可滿足覆蓋要求。在設定超掛載情況下，塔身構件最大應力比為0.875、鐵塔總傾覆彎矩僅為原設計傾覆彎矩的94.7%，說明鐵塔掛載尚存一定安全余量。在基本不影響通信天線掛載使用的前提下，保證了鐵塔塔身及基礎的安全，且后續仍可繼續共享改造。

3 結束語

根據有限元計算結果，通過塔身、鐵塔平臺、通信天線引起的傾覆彎矩計算值對比分析，得出相關結論：（1）鐵塔上加設通信天線等設備時，會導致鐵塔最大自振周期增大，但鐵塔總傾覆彎矩及塔身構件應力的增大極其有限，可以忽略因鐵塔自振周期增大對鐵塔安全性的影響；（2）鐵塔平臺引起的傾覆彎矩相對較小，在鐵塔超過原設計掛載較少時，可以拆除鐵塔平臺，直接在塔身加掛通信天線，拆除一層鐵塔平臺后可在對應位置加掛3 副常規通信天線；（3）鐵塔超過原設計掛載過多時，僅通過拆除鐵塔平臺無法保證鐵塔的安全性，通過有效措施降低塔高，在基本不影響通信天線掛載使用的情況下，仍可保證鐵塔安全。