建筑屋面通信抱桿結構設計分析

卓佐君，滕才智

（寧波華訊通信服務有限公司，浙江 寧波 315000）

1 引言

隨著通信行業的不斷發展，屋面抱桿作為重要組成部分，如何通過合理的設計保證屋面天線抱桿在惡劣天氣情況下具有可靠性并滿足使用要求成為突出問題。為了更好地指導基站屋面抱桿建設工作，本文結合自立式屋面抱桿在風荷載作用下的受力特點及設計做出分析和探討，指出了主桿和斜撐桿件選材的特點及優化措施，為類似工程提供參考。

2 屋面抱桿的類型和受力特點

屋面抱桿按與屋面的連接方式，分成與屋面結構可靠連接和與屋面結構無固定連接兩種方式?？煽窟B接分成自立式抱桿和附女兒墻抱桿；無固定連接主要指基礎為配重式抱桿。由于高風壓地區抱桿受力大，對基礎要求高，故附女兒墻和配重式抱桿可靠性不如自立式抱桿。

本文著重對自力式抱桿設計進行分析。自力式抱桿由主桿和斜撐組成，主桿為外伸式壓彎構件，主要計算桿件的壓彎穩定；斜撐為軸向受拉壓構件，既要滿足承載力要求，又要滿足受壓桿件長細比要求。

3 以6 m 自立式抱桿計算過程分析為例

設計條件：基本風壓為0.9 kN/m2，地面粗糙類別為B 類，抱桿高度為6 m，建筑物高度為50 m，抱桿主桿采用型號為89 mm×7 mm 的鋼管，斜撐類型一為70 mm×5 mm 的圓鋼；類型二為80 mm×5 mm 的角鋼。天線參數：1 副4G 天線0.6 m2、1 副5G 天線0.5 m2，天線掛高均為5.5 m。

將抱桿主桿簡化為外伸梁構件，斜撐為拉壓桿，其他小構件不計。抱桿在風荷載作用下的計算簡圖如圖1 所示。

圖1 抱桿在風荷載作用下計算簡圖（單位：mm）

3.1 風荷載計算

根據GB 50135—2019《高聳結構設計標準》[1]和GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[2]相關規定，風荷載計算表達式為：

式中，Wk為風荷載標準值，kN/m2；βz為Z 部位的風振系數，風振系數指塔桅對風的敏感性反應，對高聳結構計算影響較大，通過實際經驗和受力角度分析，本文認為本站抱桿因為相對單管塔及角鋼塔比較矮小單一，是介于普通建筑物和單管塔之間的高聳結構，風振系數不宜完全按普通建筑物取值，也不宜按單管塔直接計算，故風振系數取中間值1.3；μs為風荷載體型系數，本站點根據YDT 5131—2019《移動通信工程鋼塔桅結構設計規范》[3]，天線體型系數取值1.3，主桿雖然為鋼管，但由于鋼管表面爬釘、饋線、防雷扁鋼的綜合影響，故本文認為在不額外計算附屬構件的擋風面積時，主桿體型系數也應取1.3；μz為風壓高度的變化系數，本站點風壓高度為50 m，地面粗糙類別B 類，按荷載規范取值為1.67；W0為基本風壓，kN/m2，本站點取值為0.9 kN/m2。

結合以上計算參數進行風荷載計算：

式中，F為天線風荷載，kN；A為兩付天線的正面迎風面積，為1.1 m2。

同理得桿身上段風荷載F上=0.55 kN，桿身下段風荷載F下=0.92 kN。

3.2 重力荷載計算

本抱桿同時掛設4G 天線和5G 天線，天線自重為80 kg，即0.8 kN；饋線自重為0.1 kN/m；抱桿自重綜合考慮為0.4 kN/m。

3.3 內力計算

主桿彎矩計算：由于高聳結構風荷載為主導荷載，考慮桿身受力特點，桿身彎矩為天線風荷載集中力和抱桿自身均布力的疊加，受力簡圖如圖2 所示。

圖2 受力簡圖（單位：mm）

經計算A點最大彎矩設計值M為7.49 kN·m；同理，A點剪力V為5.32 kN。

斜撐壓力計算：由于斜撐壓力是主桿彎矩和剪力引起的，故由結構力學計算得斜撐AB的軸向壓力為15.48 kN。

斜撐壓力計算：斜撐桿AC斷開，對A點取距，由結構力學和幾何知識計算得斜撐AB軸向壓力為15.48 k N。

主桿AC上部軸力N上=2.0 kN；AC下部軸力N下=16.06 kN。

3.4 主桿復核

基本數據：主桿截面面積A主桿=1 803 mm2，抗彎剛度W=34.31 cm3，回轉半徑ix=29.09 mm；主桿為壓彎構件，主桿A點上段穩定性驗算如下：

由GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[4]計算桿件長細比：

式中，μ為計算長細比影響系數，取2；l為構件的計算長度，取2 200 mm；ix為構件的回轉半徑，mm。

這里主桿桿材如果采用Q235B 鋼管，穩定系數取φx=0.334；如果桿材采用Q345B 鋼管，穩定系數取φx=0.237。計算影響參數見式（4）。

式中，N′Ex為影響參數；E為鋼材彈性模量，取206 kN/m2。

主桿穩定性應滿足50017—2017《鋼結構設計標準》8.2.1中的公式[5]：

式中，N為桿件壓力，N；f為鋼材強度設計值，N/m2；βmx為等效彎矩系數；Mx為桿件彎矩，kN·m；γx為截面塑性發展系數；W1x為在彎矩作用平面內受壓最大纖維的毛截面模量，mm3。

當為Q235B 時，將數據代入式（5）得不等式左邊數值為1.04，式（5）不成立，超出穩定性使用要求，結果主桿不安全。

當采用Q345B 時，同理代入式（5），不等式左邊數值為0.74，式（5）成立，穩定性在使用范圍內。

復核主桿A 點下段：

根據GB 50017——2017《鋼結構設計標準》，下段復核過程與上段一致，采用Q345B 鋼管時，計算得式（5）左邊數值為0.86，式（5）成立，因此，穩定性在使用范圍內。

對比發現對于主桿而言，當天線掛設于斜撐點上方時，主桿應力最大值位于斜撐點下方。這里雖然沒有進一步展開計算，但由結構力學受力特點可推斷，在斜撐點下方掛設天線面積小于1.0 m2時，主桿應力最大值位于斜撐點下方，并且鋼材型號對主桿影響較大，原則上應選Q345B 鋼管有利于鋼材利用。

3.5 斜撐復核

當斜撐類型一為70 mm×5 mm 的Q235B 鋼管時，桿件截面面積A斜撐=10.21 cm2，回轉半徑ix=2.304 cm；斜撐桿長細比為186.63，查表求得穩定系數φx=0.229。

由GB 50017—2017《鋼結構設計標準》7.2.1 中公式可知：

求得式（6）不等式左邊數值為0.31，滿足使用要求。

根據YDT 5131—2019《移動通信工程鋼塔桅結構設計規范》5.2.2 塔架的主材、腹桿等構件的長細比λ應不超過下列規定值：塔柱、受壓弦桿λ≤150；橫桿、斜桿λ≤150，當內力小于桿件承載力的50%時，λ≤200。

得知長細比也滿足要求。

4 結論

本文以6 m 抱桿計算為例，通過詳細計算和分析，對比了不同桿件截面和不同鋼材型號對抱桿實際應用的影響，得出以下結論：

1）在計算屋面抱桿風荷載時，風振系數和體型系數不宜生硬地按規范套用，應注意實際應用環境，否則計算誤差較大。

2）抱桿主桿為壓彎構件，除了鋼材尺寸，鋼材型號對主桿發揮影響較大，原則上選擇高級別的鋼材。

3）抱桿斜撐強度影響不大，斜撐由長細比控制，從受力角度和外形美觀度來說，圓桿優于角鋼。

4）除了上述3 點之外，在實際屋面抱桿設計過程中，要注意連接構件設計滿足規范構造要求。

5 結語

本文對自立式屋面抱桿在風荷載作用下的實例進行分析，通過詳細計算和分析，對比了不同桿件截面和不同鋼材型號對抱桿實際應用效果的影響，指出了屋面抱桿計算取值的注意事項，提出了主桿和斜撐桿件選材的特點及優化，可為類似的工程提供參考。