新舊TIA桿塔設計標準的風荷載比較分析

許揚歡

（廣東省電信規劃設計院有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

隨著電信行業的革命性發展，格構式塔架已在世界各地大量使用。通信塔的最佳類型是格構式塔，該類型桿塔可方便天線的布置。2005年，TIA 發布了標準TIA-222-G，此標準受到國際專家的高度贊賞，并廣泛用于風荷載和地震荷載下的通信桿塔結構分析和設計，其采用的基本風速為3 s 陣風風速。2018年，TIA 發布了最新標準TIA-222-H，該標準規定了新的結構設計和制造方法，涵蓋現有天線支撐結構、支架、結構部件、拉線組件和基礎的修改要求。TIA-222-H 根據風險類別使用極限風速，因塔架和桅桿等結構對風荷載十分敏感，因此需重新考慮風荷載對格構塔的影響。目前世界上大多數現有塔架結構都是按照TIA-222-G 標準建造的，雖然最新標準上指出“最初根據本標準先前版本設計的現有結構不受本標準規定的約束”，但截至目前，還沒有太多的研究分析當使用最新標準分析塔架結構時，構件軸向力發生了多大的變化。

本文主要研究塔身、附件和其他結構的風荷載計算，并根據TIA-222-G 和TIA-222-H 標準比較風荷載引起的構件軸向力變化。

1 數據分析

為了更好地進行比較研究，以下僅考慮恒荷載和風荷載，準備并分析了兩個塔架模型。塔架上的恒載保持不變，而風荷載根據TIA-222-G 和TIA-222-H 標準計算和施加。

1.1 塔架結構

本研究對40 m 高四腳格構塔進行分析，塔底部寬度為2.8 m，頂部寬度為1 m。塔架以10 m 為一個塔段，共分為4 個塔段，塔段斜桿采用雙斜桿交叉形式，每隔5 m 設置橫桿，塔面面積Ag從上到下每隔10 m 分別為：10 m2、13 m2、19 m2、25 m2。

1.2 分析軟件

桿塔的3D 模型建立在STAAD Pro V8i 結構分析軟件上，塔架模型在軟件中定義為空間框架，所有節點都作為鉸接點，塔腳采用鉸支座。附屬構件鋼材彈性模量[1]E=200×106kN/m2。塔架分析考慮4 種荷載組合，均按照0°和45°風分別考慮。

TIA-222-G：①1.2D+1.6W0；②0.9D+1.6W0。

TIA-222-H：①1.2D+1.0W0；②0.9D+1.0W0。

1.3 塔架上的恒載

桿塔的恒載包括塔的自重、天線、爬梯、饋線和其他設備的重量；其他水平荷載包括地震荷載和風荷載。TIA-222-G 和TIA-222-H 標準中除風荷載外的荷載計算方法均相同。

桿塔的自重包括鋼構件、螺母、螺栓和節點板的重量，塔身總重量為42.35 kN，鋼材的單位重量取自AISC360-16[2]。爬梯的重量包含主材、螺母、螺栓、節點板和饋線的重量，總共為0.28 kN/m。

2 風荷載計算和分析

塔架結構、爬梯、饋線、天線及附件上的風荷載分別按照TIA-222-G 和TIA-222-H 標準計算，結構風險等級分為Ⅰ級、Ⅱ級，采用基本風速為150 km/h、175 km/h 和200 km/h，并使用STAAD Pro V8i 對塔架結構進行分析，最后對分析結果進行討論和比較。

2.1 假定

在塔架分析中進行了以下假定。

假定1：爬梯的高度與塔架相同，塔架分為4 段。

假定2：碟形天線的體型系數取自TIA-222-G和TIA-221-H 附錄C 表C1。為采取最大體型系數，一半天線放置在塔架周圍的0°方位角，一半放置在180°方位角。

假定3：LTE 天線和RRU 天線將安裝在塔架上，同一標高處的3 副天線，兩兩呈120°布置。

假定4：天線供應商通常會根據現場實際情況調整天線的位置，這超出了當前研究的范圍，天線重量以節點荷載的形式分布在塔架各處。

2.2 使用TIA-222-G 標準計算和分析風荷載

以下根據TIA-222-G 標準進行的風荷載計算和分析。

2.2.1 風荷載計算

基于3 s 陣風（50年一遇），以150 km/h 的基本風速并根據TIA-222-G 給出的Ⅰ級結構風險為例計算風荷載。

各類因素包括：基本風速V=150 km/h=41.7 m/s（3 s 陣風）；重要性系數I=0.87（Ⅰ級結構風險）；暴露類別C 類；速度壓力系數Kzmin=0.85；地形系數Kzt=1.0（地形類別-1）；風向概率因子Kd=0.85；當h=40 m<137 m 時，陣風影響系數Gh=0.85；速度壓力qz=0.787 Kz（kN/m2）。整塔共分為4 段（每段均小于18 m），通過（Af+Ar）/Ag來計算每段的實積比ε。

其中，Af為扁平結構構件的投影面積；Ag為通過CAD 計算的一個塔面的總面積；Ar為圓形結構構件的投影面積，此處因為塔架沒有圓形構件，所以Ar=0。經計算，從上往下每隔10 m 塔段的ε 為0.24、0.23、0.19、0.17。

結構上的風荷載計算如式（1）所示。

每個塔段的有效投影面積（EPA）S按式（2）計算。

其中：Cf——結構的體型系數；Df——扁平結構構件的風向系數；Dr——圓形結構構件的風向系數；Rr——塔面中圓形構件的折減系數。

假設風荷載以0°和45°的角度施加，分別得到式（4）、式（5）。

爬梯和附屬物的有效投影面積（EPA）A按式（6）計算。

其中：Ka——附件的屏蔽系數，此處Ka=0.6；AA——附屬物的投影面積；CA——線性或離散附屬物的體型系數。光纜（頂部10 m）的計算面積為CA×AA=0.028 m2/m，其余部位電纜（30 m 以下）為CA×AA=0.317 m2/m。

基于（EPA）A和（EPA）S計算各塔段上的風荷載、爬梯（假定1）、電纜及附件的重量，其計算結果如表1所示。

表1 TIA-222-G 計算結果單位：kN

基本風速175 km/h、200 km/h 和Ⅰ級、Ⅱ級結構風險的計算方法也相同，其后將力輸入計算機模型節點上進行計算[3]。

2.2.2 塔架分析

選取塔柱中受最大軸向力的構件進行分析，其在基本風速150 km/h、175 km/h 和200 km/h，Ⅰ級結構風險的計算結果如圖1所示。從圖1可以看出，塔腳底部構件所受的軸力最大，且隨基本風速的增大而增大。而塔頂40 m 高度的構件受力，隨著風速增大其軸力變化不大。同等風速下Ⅱ級結構風險的計算結果如圖2所示，塔腳構件受力表現出與Ⅰ級結構風險相同的趨勢，但受力明顯增大，這表明結構風險等級的變化可能會影響塔的受力。

圖1 Ⅰ級結構風險的計算結果

圖2 Ⅱ級結構風險的計算結果

2.3 使用TIA-222-H 標準計算和分析風荷載

以下根據TIA-222-H 標準進行的風荷載計算和分析。

2.3.1 風荷載計算

基于極限風，選取基本風速150 km/h 并根據TIA-222-H 中給出的Ⅰ類結構風險為例計算風荷載。

基本風速為150 km/h=41.7 m/s，極限風速換算系數為1.18，極限風速V=49.2 m/s，重要性系數I=N/A（Ⅰ級結構風險），地面高程系數Ke=1，屋頂風速加速系數KS=1，速度壓力qz=1.26Kz（kN/m2）。與TIA-222-G 相似的系數有Kz=2.01（z/zg）2/a，Kzmin=0.85，Kzt=1.0，Kd=0.85，Gh=0.85，以及結構設計風荷載（FST）。其中各塔段的實積比ε、有效投影面積（EPA）S，爬梯和光纜等附屬物的有效投影面積（EPA）A與之前的計算相同。整體數據計算結果如表2所示[4]。

表2 TIA-222-H 計算結果 單位：kN

2.3.2 塔架分析

選取塔柱中受最大軸向力的構件進行對比分析，因為基本原理沒有變化，可看出塔柱受力趨勢與TIA-222-G 是一致的。

3 標準比較

不同基本風速下，Ⅰ級結構風險的塔柱構件受力比較如圖3所示[5]。當使用兩種標準分析塔架的恒荷載+風荷載組合時，構件軸向力并沒有太大差異。使用TIA-222-H 標準進行分析，基本風速為150 km/h和175 km/h 時，構件軸向力平均減了0.5%和0.25%；而基本風速為200 km/h 時，構件軸向力增加了0.25%。對Ⅱ級結構風險的塔架進行分析時，也觀察到了類似的情況。分析結果表明，按照TIA-222-H標準進行分析，基本風速大于200 km/h 時，構件軸向力可能會增加。需要指出的是，本研究僅限于比較恒荷載+風荷載組合下的構件軸向力，增加其他力可能會影響分析結果。

圖3 不同基本風速下，Ⅰ級結構風險的塔柱構件受力比較

4 結語

本文根據TIA-222-G 和TIA-221-H 標準對40 m格構式通信塔進行了對比分析，結果表明，當按照兩個標準對塔架進行分析時，構件軸向力影響不大。但采用TIA-222-H 進行分析時，當基本風速超過200 km/h，塔架受力可能會增加。對于較高的塔架（如80 m、100 m 或以上的塔架），需要根據TIA-222-G 和TIA-222-H 標準研究恒荷載+風荷載組合下構件的軸向力變化，單獨進行分析。