钢结构电视塔改造方案研究

马思明 付举宏 潘晓宇

(中广电广播电影电视设计研究院 北京 100045)

引言

20世纪80年代，广播电视行业发展迎来高峰，全国各地开始兴建钢结构广播电视塔。广播电视塔属于高耸结构，结构整体为大悬臂构件，塔身以弯曲变形为主，常采用格构式体系[1]。到目前为止，上一批钢结构电视塔基本到达设计使用年限，同时有部分钢塔由于使用维护不当或不合理改造，导致杆件锈蚀严重或部分杆件发生较大变形等情况，严重影响广播电视安全播出，急需改造[2]。

本文基于某钢结构广播电视铁塔的改造工程，通过有限元软件Midas 对比分析了两种改造方案，主要从结构可靠性角度，并兼顾方案经济性、施工可行性等进行综合比较，最终确定了最具适用性的方案。

1 工程概况

1.1 铁塔基本信息

该钢结构电视塔建成于20世纪80年代，结构形式为空间格构式，塔体柱、腹杆等构件均采用角钢截面。原塔高84.0m，沿一侧塔面设置工作爬梯，标高 33.5m 至 84.0m 设置 6 个工作平台。后为满足广播电视天线发射高度要求，经天线安装厂家改造，在84.0m 处插接一根约25m长钢管，钢管用于挂设调频及电视天线，顶部设置横担及拉线用于支撑钢管。铁塔实景如图1所示。

1.2 铁塔现场检查与结构核算结果

本工程于2017年6月进行了结构构件的检查，内容包括构件规格、节点连接、钢材材质、构件防腐情况、结构整体变形等。对于钢材材质的检测，采用里氏硬度仪现场测算，并钻取部分样本进行实验室化学成分分析。现场检查结果显示，铁塔主要构件完好无缺，腐蚀情况尚可。在无风、微风情况下，铁塔标高 75.0m以上结构有明显水平变形，顶部钢管变形明显，最大位移达到了 200mm，超出了无风情况下结构允许限值H/1500(H为塔高)，不利于结构安全。

图1 铁塔实景Fig.1 Steel tower

利用现场检查所还原的铁塔构件规格、连接和主要控制尺寸，建立 Midas 有限元模型，依据国家现行相关标准及规范进行校核。结构布置总图如图2所示。在上次改造中，新增的顶部钢管及拉线的模型见图3。从图3中可见，上一次改造中增加的拉线仅为单方向双根拉线，并未形成四方有效拉结，两方向刚度相差极大，这也是结构顶部发生较大位移的根源。核算结果显示，顶部钢管、拉线及内部支撑构件应力比均超限，且顶部位移在标准组合下为3269mm，超限较多。

根据结构安全性核算以及现场检查的结果得出：结构标高75.0m 以上构件变形较大，杆件存在严重安全隐患，该结构已不满足现行规范以及广播电视发射的要求。为不影响无线覆盖和电视节目传输，保障结构的安全，拟对该塔进行再次加固改造。

2 改造方案

原天线厂家的增高方案中采用了拉绳拉结的方式，该种方式虽能有效支撑顶部钢管，但是拉绳本身只能在铁塔上部生根，且高空安装拉绳施工难度大，很难保证各方向刚度一致，且后续的维护工作难度也很大。因此，本次改造排除了采用拉绳拉结钢管的方案。

图2 结构布置总图Fig.2 General layout of the structure

图3 顶部结构布置Fig.3 Layout of the top

该塔现高度106.0m，改造后需保持塔高不变，以保证广播电视信号覆盖范围不减少。现场检查结果显示，标高 70.615m 以上构件变形较大，且构件有一定塑性变形，故此标高以上部分塔体需拆除，在该高度以上增设新塔架。根据本结构的特点，以及所挂设天线对结构尺寸的要求，拟采用以下两种结构方案。

2.1 两种结构方案

1.方案一：延长顶部塔段，增加桅杆段

该方案在原塔架基础上，按照原塔架边宽尺寸延伸，改造方案简图见图4。为满足UHF 天线发射要求，最上部6.0m 采用角钢和钢板格构式组合结构，边宽750mm，横杆中间布置单斜横隔。

2.方案二：插接钢管加内支撑

将塔架延伸至90.0m，上部采用插接钢管，插入塔架7.0m，并于塔架内部设置两道支撑，塔架平面内设置水平支撑与钢管相连。改造方案简图见图5。

图4 方案一结构布置Fig.4 Layout of scheme one

图5 方案二结构布置Fig.5 Layout of scheme one

2.2 方案可靠性分析

可靠性分析拟从安全性和使用性进行分析，前者体现结构构件的强度和稳定性，后者主要从顶部位移加以分析。

1.结构安全性

通过有限元软件Midas 对两个改造方案进行建模分析。模型均采用杆系梁单元，斜杆两端释放端部约束。由于顶部挂有天线，模型考虑了二阶效应。两个方案的模型如图6所示。

对于广播电视塔这种一阶周期较长的高耸结构，控制荷载组合一般为风荷载，本次对比选用的荷载组合为1.2D±1.4W+0.98L(D代表恒荷载，W代表风荷载，L代表活荷载)。对于受压构件，应力比结果由稳定验算控制。表1罗列了两个方案结构构件的应力比计算结果。

图6 两个方案Midas有限元模型Fig.6 Finite element model of the two schemes

从表1中结果可见，方案一中主柱L 200 ×14最大应力比达到了1.094，L 160 × 14 最大应力比达到了 1.27，超出规范限值1.0，已经影响结构安全，方案二构件应力比满足规范要求。

两种结构方案具体分析如下：

方案一：塔架延伸长度为29.385m，上部设置6m 高四边形桅杆段(四肢格构柱，缀件为缀板)。由于天线安装对结构边宽的限值，桅杆段边宽为750mm，其下部形成变坡。变坡处塔柱为空间斜交构件，承受较大的水平荷载，同时还承受上部的重力荷载，杆件的内力较大，应力比达到了0.989。

表1 方案安全性计算结果Tab.1 Results of two schemes

另外方案一新增构件较多，进而增加了结构挡风面积。从表2两个方案风荷载效应对比可见，基底剪力方面，方案一比方案二高了5.6%，倾覆弯矩方面，方案一比方案二高了36%。由于方案一结构上部风荷载增加较多，从而引起的倾覆弯矩差值较大。较高的风荷载，导致结构原构件主柱的应力比均比方案二高，尤其是主柱L 200 ×14和L 160×14 已经超出规范要求，影响结构安全。

表2 风荷载效应对比Tab.2 Comparison of wind load effect

方案二：塔架延伸长度19.385m，上部设置16m 插接钢管，插入塔架内7m。钢管进入塔架部分，在上部和下部分别设置支撑，两个支撑可有效分担水平力，同时可承担插接钢管及上部天线等重力荷载，改善了外塔架主柱、腹杆以及承托横杆的受力状况。另外，设置两层支撑避免了受力集中，增加了结构的冗余度，进一步提高了结构安全性。

整体上，方案二增加构件较少，风荷载效应也相对较小，塔体原构件应力比均较小，结构安全性较高。

2.结构使用性

广播电视塔除满足安全性外，为保证发射功能，根据《高耸结构设计规范》(GB 50135—2006)[3]对位移的要求，需满足位移不超过结构高度的1/75。该塔高度106.0m，顶部位移限值为1.41m，荷载组合采用标准组合1.0D±1.0W+0.7L。通过Midas计算，两个方案顶部位移计算结果分别为：方案一，1.015m；方案二，1.122m。可见，两个方案的顶部位移均满足规范要求。方案一的顶部桅杆段边宽更宽，提供了更大的刚度，因此方案一的位移略小于方案二。

2.3 方案经济性及施工可行性分析

方案一新增钢结构构件重量约9.0t，方案二重量约8.77t，从材料造价方面，两个方案差别较小，方案二略优。从施工难易程度角度分析，对于高耸钢结构构件的安装，需要利用扒杆装置完成构件吊装，吊装构件重量越轻，相对来说施工越容易。方案一顶部桅杆段属于工厂整体加工，需要整体吊装，其重量约1.5t；方案二插接钢管可以以6m一段分开吊装，塔上靠法兰连接，这样减轻了构件吊装重量，每根钢管重量约0.75t。

因此综合来看，方案二的经济性和施工可行性更突出。

3 结语

通过对一个钢结构电视塔的改造方案研究，从结构可靠性、经济性以及施工可行性方面，对比了两种改造方案，最终选择方案二—插接钢管加支撑作为本结构的改造方案。现对该方案总结如下：

(1)采用插接钢管加支撑的方案，由支撑构件主要承担上部结构风荷载产生的水平力和弯矩，减轻柱子负担，该方案传力路径明确，构造合理，结构顶部位移满足规范要求。

(2)相比于其他截面类型，钢管的挡风面积小，产生的风荷载小，故该方案对原结构安全性的影响小。

(3)该方案由角钢、钢管等构件拼接而成，用钢量较少，且不需要整体吊装，便于高空安装，有较强的施工可行性。

综上所述，插接钢管加支撑的方案结构可靠、构造简单、经济合理、施工可行性强，在钢结构电视塔改造项目中，具有较高的推广应用价值。