通信单管塔加固三维空间模型的计算及分析

刘志全 邓永娟

摘  要：本文利用3D3S三维计算软件对单管塔加固进行模拟计算及分析，单管塔在原有满荷载情况下新增平台后强度将超出规范允许值，需做加固处理。该模拟计算模型采用新增斜撑的方法和合理的单元划分对单管塔进行风荷载作用下的非线性计算。结果表明：在应力比小于0.85[1]的情况下，并保证单管塔在新增平台后能继续使用，对风荷载作用下单管塔加斜撑的位移和应力比等方面进行分析，数值模拟结果比较接近实际结果，其承载能力有较高的提升。利用3D3S三维计算模型能够比较准确地计算出单管塔的受力。

关键词：单管塔;斜撑;位移;应力比

中图分类号：TU347      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）12-0047-03

Abstract：In this paper，3D3S software is used to simulate and analyze the reinforcement of single tube tower. The strength of single tube tower will exceed the allowable value of the code after adding a new platform under the original full load，so it needs to be strengthened. The simulation model uses the method of adding braces and reasonable element division to calculate the non-linearity of a single pipe tower under wind load. The results show that when the stress ratio is less than 0.85[1]，the single tube tower can continue to be used after the new platform is added. The displacement and stress ratio of the single tube tower with diagonal braces under wind load are analyzed. The numerical simulation results are close to the actual results，and the bearing capacity of the single tube tower is improved. The stress of single tube tower can be calculated accurately by using 3D3S three-dimensional calculation model.

Keywords：single tube tower;oblique brace;displacement;stress ratio

0  引  言

隨着近年移动通信网络数据量业务的迅猛发展，通信运营商在原有的语音通话基础上大力发展数据网络设施建设，使通信基站建设得到了快速的发展。为了节省通信运营商基础设施建设成本，同时提高市场的竞争力，由国资委牵头，会同国家工信部，组织三大运营商（联通、移动、电信）召开一次协调会，成立了中国铁塔股份有限公司。中国铁塔股份有限公司主要经营三大运营商的基站建设、基站维护、基站保障和运营。中国铁塔股份有限公司的成立实现了“一站三用”的原则，提高了基站的利用率，降低了基站建设成本，缩短了基站建设周期，达到了国家组织成立该公司节本增效的目标。“一站三用”是建设一个基站三大运营商共用，满足三家运营商的网络覆盖要求。通信基站的建设方式分为地面站和楼面站，其中地面站为单管塔和桁架塔;楼面站为楼面塔、楼面抱杆和美化塔等。随着4G网络的普及和5G网络技术的开展，通信基站向低、密、大的方向发展。本文研究的是“大”，“大”是指基站的承载在增大，单管塔在4G网络基站建设中得到广泛应用，为节约建设成本，多家运营商共用一个基站，使单管塔基站的承载超出原设计承载要求，为此需要对单管塔进行加固处理，加固采用塔身加斜撑的方法。本研究是在风荷载作用下，对40米单管塔进行加固处理，验算加固后单管塔的塔顶位移和塔身应力比，使单管塔满足规范承载要求。

1  三维模型的建立

1.1  钢材本构关系

常用的钢材应力-应变曲线有双线模型和三线模型，本文采用三线模型，如图1所示。此模型能比较准确地反映钢材在风荷载作用下的应力-应变全过程的特性，适用于延性较好的构件。本文中钢材的屈服强度为345MPa，对应的线膨胀系数1.2×105;钢材的极限强度552MPa，弹性模量按  采用2.06×105N/mm2。弹塑性阶段取泊松比为0.3。应力-应变关系表达式如式（1）所示：

1.2  计算模型的建立

原有单管塔高度为35.5m，塔身为Q345钢材，单管塔顶径为287mm;单管塔塔底为694mm;塔身分为5节，单管塔现场检测记录表如表1所示。

现有平台为4层，每层三副天线，共计12副天线，通信运营商提出在4平台下新增5G设备平台。新增平台后塔身为5层平台，15副天线，需重新核算塔身承载。塔脚与基础为刚性连接，塔身模型采用膜单元，塔身15米处新增斜撑，斜撑为168*5钢管。单管塔塔身及计算模型如图2和图3所示。

1.3  边界及荷载设定

在塔身施加水平荷载模拟风荷载作用效应，直接作用于塔身，塔脚与基础刚性连接，斜撑杆与斜撑基础刚性连接，斜撑杆水平投影夹角为90度。设计使用年限为20年，结构安全等级为二级，结构抗震设防类别为丙类。

按承载力极限状态对结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形验算结构的强度;正常使用极限状态控制条件为结构构件达到变形的有关规定值。单管塔所受的主要荷载如下：

永久荷载：铁塔塔身及附属构件、避雷针、天线、平台和爬梯等;

可变荷载：风荷载、地震作用、平台活荷载、敷冰荷载和雪荷载;

风荷载为WO=0.50kN/m2;

平台活荷载按2.0kN/m2考虑，敷冰荷载和雪荷载一般小于平台检修荷载，可不考虑;

塔身和天线体型系数依据钢结构单管塔技术规程分别取0.9和1.3，单管塔每层为3个天线，计算时按折减系数K1=0.85进行折减。

2  计算结果分析

2.1  加固前后塔顶位移和应力比的计算

计算依据为《移动通信工程钢结构塔桅结构设计标准》，考虑荷载基本组合，永久荷载+风荷载+平台活荷载[2];荷载分项系数按规范取值[3]。塔身在风荷载作用下最大强度不应大于塔身钢材的强度，并满足规范要求，塔顶的水平位移不应大于塔高的1/33，并满足正常使用变形规范要求。

2.1.1  加固前极限状態的结果分析

加固前单管塔承载力极限状态基本组合和正常使用极限状态标准组合计算前进行荷载组合，得出该单管塔共有13种荷载组合形式，组合系数按荷载规范进行取值，计算方式为线性分析和动力特性分析。得出承载力极限状态基本组合作用下所受的最大应力为：工况1组合2：应力=285Mpa<310Mpa（Q345强度设计值），满足承载能力要求。

正常使用极限状态标准组合作用下塔顶最大位移为：工况1组合2：位移=1236mm>35500/33=1075mm[4]，不满足正常使用变形要求。

2.1.2  加固后极限状态的结果分析

加固后按加固前的两种极限状态13种荷载组合形式计算加固后单管塔的线性分析和动力特性分析，得出承载力极限状态基本组合各工况作用下最大应力为：工况1组合2：应力=228Mpa<310Mpa（Q345强度设计值），满足承载能力要求;

正常使用极限状态标准组合作用下塔顶最大位移为：工况1组合2：位移=906mm<35500/33=1075mm[4]，满足正常使用变形要求。

3  结  论

通过对单管塔加固前后的计算分析，可以初步得到以下结论：

（1）在风荷载为WO=0.50kN/m2的情况下，单管塔加固前后塔身强度应用得到有效的提高，并满足设计规范要求，可进行改造，新增平台满足运营商的网络覆盖要求，但单管塔加固前塔顶位移不满足设计变形要求，不可进行改造。

（2）通过对单管塔塔身加斜撑的方法使塔身满足正常使用的变形要求，提高了基站的利用率，降低了基站建设成本，缩短了基站建设周期，达到了节本增效的目标。

参考文献：

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50017-2017 钢结构设计标准 [S].北京：中国建筑工业出版社，2017.

[2] 中国铁塔股份有限公司.Q/ZTT1002-2017 通信铁塔标准图集V1.3 [S].2017.

[3] 中国工程建设标准化协会.GB 50009-2012 建筑结构荷载规范 [S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[4] 中华人民共和国信息产业部.YD/T5131-2005 移动通信工程钢塔桅结构设计规范 [S].北京：北京邮电大学出版社，2006.

作者简介：刘志全（1987-），男，满族，黑龙江哈尔滨人，设计员，助理工程师，硕士研究生，研究方向：结构动力计算分析。