美化围栏单管通信铁塔结构基本自振周期分析

崔力学

(中钢集团工程设计研究院有限公司石家庄设计院，河北石家庄 050021)

随着社会的发展和人们对生活环境要求的提高，移动通信铁塔作为公共环境的一部分，必然要向外形多样美观、同周围环境协调方向发展，研究和设计与环境协调的基站设计方案，美化已经成为一个方向，如楼顶装饰塔、美化灯杆、美化灯盘、加装彩带彩环，都越来越多的应用到实际工程中，也让塔架成为城市的一道靓丽风景。

正是在这种要求下，普通的单管塔逐渐去掉笨重的平台，并将天线隐藏在美化围栏中，无论从美观方面，还是实用方面，美化围栏单管塔正逐渐替代传统的单管塔而成为一种通信铁塔的重要形式，其典型外观见图1。

美化围栏单管塔是一种外形新颖的通信铁塔。它是由多段锥形钢筒连接而成，而上部的传统的平台则代以各式各样的轻质美化围栏罩，在起到美化效果的同时，也充当施工时的围护构件。与传统的单管塔相比较，美化围栏单管塔具有附属构件重量轻，外观造型美观多变等优点。

而对于美化围栏单管塔，由于其构造、质量分布等的变化，现阶段对于这种新型的通信铁塔形式的研究还存在许多空白。在进行铁塔自身动力特性分析时，通常采用广泛应用的振型分解反应谱法计算地震作用，而结构自身的固有频率和振型是抗震及风荷载计算过程中的重要参数，同时是结构动力学分析的重要部分。自振频率和振型是结构自身的重要特性，由它可以反映结构质量和刚度的匹配情况。

图1 美化围栏单管通信铁塔

与传统单管塔相比较，美化围栏单管塔的围栏多为轻质的玻璃钢条;直径更小、没有平台护栏，上部重量减轻。与此同时，因为围栏的挡风面积较传统的平台大，导致塔身用钢量相对增大，塔身重量增大。这样的变化就改变了铁塔的自振特性。也同时改变了在进行荷载计算时的参数计算，若此时仍采用传统单管塔计算参数，计算结果难免出现偏差。基于这种情况，就需要先以有限元软件模拟计算各种该类结构的动力特性，并在有条件时进行一定数量的实际观测对比和总结，这对于正确计算此类铁塔的地震响应和自振特性有着重要的意义。

1 对美化围栏单管塔模型的计算参数选择和计算

一般地，常用美化围栏单管塔的天线挂高在35 m～70 m之间，通常第一层天线安装在距塔顶2 m处，所以铁塔高度一般在37 m～72 m之间。出于经济性和运输方面的考虑，较低高度的塔架一般采用其他简易塔架形式，以达到节省成本及方便运输的目的;对于高度大于70 m的通信铁塔，因为要控制塔顶的位移，采用该类单管塔的用钢量将大大增多，成本急剧增加，所以一般采用角钢塔等其他形式的塔架结构。

对美化围栏单管塔自振特性有显著影响的另一因素是天线组数和避雷针的重量。美化围栏单管塔的避雷针安装在塔身顶部，保护天线及塔身防止雷击破坏传输设备，一般重量在220 kg左右，其构造形式相对简单。而天线组数的重量随其数量而变化，一般一组天线包含3付板状天线，重量包括抱杆、天线、RRU等，天线支架因构造不同，重量一般在180 kg～240 kg之间;一般的板状天线的重量在25 kg左右。在进行有限元模拟计算时，天线支架按每付210 kg，天线重量按每付25 kg，按一组天线包含3付板状天线计算，每层天支可包含两组天线，每层天线合计重量360 kg。

传统的单管塔一般由一个移动运营商使用，每座铁塔一般有天线两层。但随着共建共享基站的日益增多，多家运营商共享一座铁塔的情况越来越多，多层数天线的美化围栏单管塔数量增加很快，因为增加的天线层数加重了铁塔的重量，而且天线都尽量安装在高处以利传播信号，所以天线和围栏一般都安装在铁塔的上部，这样的使用特点使得其重量的变化对美化围栏单管塔自振基本周期的影响不容忽视。

在有限元模型建模过程中，假设距塔顶2 m设置第一组天线，其余天线组按距上一天线组3 m间距依次向低处设置，同时，为了比对未设置天线组的铁塔的自振特性，建模时分别计算了无天线组和设置一至四个天线组时相对于不同塔高铁塔的基本自振周期。

在建模过程中，先结合各有限元软件的特点，针对美化围栏单管塔的基本自振周期计算特性，选定有限元分析软件ANSYS来进行模拟计算。通过对以上铁塔参数的分析，本文对无天线组、一组、二组、三组、四组共五种天线组数和72 m，67 m，62 m，57 m，52 m，47 m，42 m，37 m共八种高度的美化围栏铁塔进行了逐一计算。计算时，所采用模型顶部直径为520 mm，底端直径随高度不同而呈线性变化，材质采用Q235B，塔身直径由上而下沿高度的增量按15 mm/m增加，各个高度铁塔各段的钢筒直径和厚度等参数如表1所示。

表1 塔身各标高对应的直径和径厚比

该钢结构除考虑整体稳定以外，还考虑了铁塔塔身的局部稳定。局部稳定是为了防止因钢筒壁厚过薄而发生塔身局部失稳现象。在考虑局部稳定时，通过限制塔身钢筒的直径厚度比值来满足，厚度由高向低逐渐增厚，从6 mm增加到底部的14 mm，塔身各段钢筒的直径和径厚比见表1，径厚比控制在100～115之间，满足《高耸结构设计规范》规定的可不折减强度的最大直径厚度比值要求。

2 有限元模型计算结果和分析

通过以上近40种类型铁塔的计算，得到了常用高度和天线组数美化围栏单管塔的自振基本周期，详细结果如表2所示。

表2 不同塔高和天线组数时的基本自振周期 s

从结果中可以看出，塔身高度在37 m～72 m之间的美化围栏单管塔，其自振基本周期与塔高和自身重量的变化之间存在着一定的规律。第一，随着天线组数增多，基本自振周期是逐步加长的;第二，虽然随天线组数增加时延长了基本自振周期，但是天线组安装高度是不断下降的，天线组数对美化围栏单管塔周期的影响权重是不断下降的;第三，铁塔高度越高，自振基本周期是呈线性增长关系加长的。这样的结果是基本符合结构动力学规律的。

3 结语

在日常的设计工作中进行铁塔自身动力特征分析和风荷载计算时，对于美化围栏单管塔来说，风荷载是该类结构的控制荷载，准确的确定结构基本自振周期对于正确确定风荷载是至关重要的，本文通过对典型结构的分析，利用有限元计算软件ANSYS对该类结构进行模拟分析，对于常用塔高和天线组数的美化围栏单管塔的自振基本周期，并从中总结出一定规律。为美化围栏单管塔更准确的动力特征分析、更快捷地估算自振基本周期做了有益的探讨。同时，本文的结论也可作为实际工程设计中准确地计算风荷载的有益参考。

［1］GB 50009-2012，建筑结构荷载规范［S］.

［2］GB 50135-2006，高耸结构设计规范［S］.

［3］GB 50017-2012，钢结构设计规范［S］.

［4］沈之荣，倪 阳，徐华刚.钢结构单管通信塔自振基本周期的研究［J］.特种结构，2008，25(2):27-28.

［5］朱彦鹏，穆宇亮.辐射式张弦桁架结构的自振特性分析［J］.四川建筑科学研究，2009，35(1):55-58.