既有通信铁塔增挂广告牌结构特性分析

秦 阔 范秋雁

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；2.广西大学资源环境与材料学院，广西 南宁 530004； 3.华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

1 概述

我国城镇化步伐的加快，促进了广告传媒行业的快速发展，各大商业品牌的广告需求日益增长。本着建设节约型社会的理念，利用已有房屋建筑、社会杆塔等现有社会资源发展广告业务是一种经济、快速且易于实现的方案。其中的社会通信杆塔数量多，分布广，在全国范围现已建成并在使用中的通信用铁塔约有190万座，包含单管塔、三管塔、角钢塔、支撑杆等多种类型。其中高度较高的高耸铁塔即可作为广告牌的载体，结合原有挂载通信天线的功能，实现通信铁塔的多价值利用。

利用既有铁塔改造增挂广告牌势必会对原有铁塔的使用状态产生一定的影响，相同广告牌在同种塔型上的不同挂载方式和不同挂载高度对整塔的应力、位移等特性的影响也会不同。赵一盛等[1]通过对某种大型高耸格构柱广告牌的结构设计方案进行比选研究，得出不同荷载工况下的最优结构设计方案，韩志惠等[2]研究并提出了一种综合考虑风速风向影响的广告牌风灾风险评估方法，李瑞鸽等[3]研究了风荷载和抗侧刚度对高耸广告牌格构式立柱的影响，吴桐等[4]分析了单管塔加挂LED广告牌前后对单管塔自振周期和应力位移等特性的影响等。已有文献多集中于对新建广告牌方案设计的研究，对既有结构增加广告牌后的影响研究较少，本文通过使用有限元分析软件，对两种典型既有通信铁塔进行增挂广告牌模拟计算，并对增挂广告牌后铁塔的特性变化进行分析研究，确定最适宜的增挂方案，可作为类似工程的参考。

2 既有通信铁塔分类

可用于改造增挂广告牌的高耸通信铁塔按结构类型主要分为单管式和格构式两种，单管式通信塔与钢管电力塔相似，属于高耸悬臂类结构；格构式通信塔包含角钢塔、增高架、三管塔及其他形式的多管塔等，构件多，刚度较大，既有通信铁塔改造增挂广告牌效果如图1所示。

既有通信铁塔在满足正常使用条件下，对允许新增的广告牌等额外荷载控制较为严格，通过有限元软件分析既有单管式塔和三管格构式塔在增挂广告牌后对自身应力、变形等特性的影响，以寻求两种类型铁塔改造增加广告牌最适宜的方案。

3 单管式铁塔增挂广告牌计算

使用中国铁塔《通信铁塔标准图集V1.3》中DGT(C)-35-0.45-3PT3塔型作为计算示例，塔高35 m，分4段塔身插接，Q345钢材，顶部塔径450 mm，底部塔径1 120 mm。采用有限元分析软件SAP2000进行铁塔结构计算，取50年重现期的基本风压0.45 kN/m2，地面粗糙度B类，铁塔结构简图及建模计算如图2所示。

为了显示增挂广告牌后铁塔本身特性的变化，选取13组尺寸、透风率、中心挂载高度、挂载方式各有不同的广告牌进行计算对比。其中对于长边较长的广告牌，可分为长边与塔身轴线平行或长边与塔身轴线垂直两种挂置方式，广告牌风荷载简化为多个集中力等距施加到塔身，计算结果如表1所示。

表1 单管塔挂载不同广告牌计算结果

中国铁塔联合同济大学通过风洞试验对塔桅风荷载进行了相关研究，对格构式铁塔风荷载计算中的阻尼比、单管式塔的侧移指标都有了调整。参考中国铁塔技术标准《通信铁塔技术要求(试行)(V1.2)》[5]中的规定，以风荷载为主的标准组合下，单管式塔顶部的水平位移不应大于塔高的1/33，即1 060 mm，地脚螺栓拉力比可按不超过0.95控制。

表1所记录的数据中塔身应力最大值为267 MPa，塔身材料强度为Q345B，应力比满足；最大位移为1 042 mm，位移满足；地脚螺栓最大拉力比为1.02，已超出设计承载力极限，不满足要求。通过数据对比可知：1)原塔地脚螺栓强度冗余量不多，增挂广告牌之后整体强度由地脚螺栓拉力比控制；2)广告牌中心挂载高度不变时，变换横竖的安装方式对铁塔各项指标计算结果没有影响；3)广告牌透风率达到30%时，与降低3 m挂高时的计算结果相近。

由计算及对比的结果，综合经济效益和广告效果需求，此35 m单管式铁塔最适宜的改造增挂方案为在12 m高处增挂面积约27 m2或在15 m高处增挂透风率30%、面积约27 m2的广告牌。

4 格构式铁塔增挂广告牌计算

同样使用中国铁塔《通信铁塔标准图集V1.3》中的格构式塔型3GT-35-0.45-3PT3作为计算示例，塔高35 m，三角形横截面，主材为钢管，辅材为角钢，Q345钢材，从上至下共分为7个塔段，主材截面依次增大，顶部根开1 300 mm，底部根开2 875 mm。采用同济大学有限元分析软件3D3S进行铁塔结构计算，基本风压值、地面粗糙度类型与单管塔相同，铁塔结构简图及建模计算如图3所示。

格构式铁塔与单管式铁塔因结构形式上的不同，所适用的广告牌做法也不同，格构式塔横截面较宽，挂载大型字体比较方便，相同高度的塔，组合截面的稳定性更好，同尺寸的广告牌能够挂载的高度也比单管塔更高。格构式铁塔一般建设于公路铁路延边等野外场景，广告视觉效果要求尺寸大，高度高，故广告牌增挂高度取为10 m以上。同样选13组做法、尺寸、透风率、挂载高度范围各有不同的广告牌进行计算，按照经验，三管塔三角形横截面中的一条边正面受风荷载作用时为最不利工况，故只在最不利工况下进行广告牌的加载计算。单块牌和多个字体的广告做法风荷载均简化为等效集中力，施加到铁塔的主杆或斜杆上，计算结果如表2所示。

表2 三管塔挂载不同广告牌计算结果

根据行业标准《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》[6]相关规定，以风荷载为主的荷载标准组合作用下，自立式塔架结构任意点的水平位移不应超过该点高度的1/75，此三管塔水平位移最大的位置在结构顶部，位移限值为466 mm，构件稳定性应力及地脚螺栓拉力比均按不超过0.95控制。

表2中铁塔顶部位移、地脚螺栓拉力比均能满足控制指标要求，而铁塔构件最大稳定性应力比为0.98，已接近1，属危险截面。通过数据对比得出：

1)原塔地脚螺栓强度冗余量较多，增挂广告牌后整塔强度由塔底段的主杆稳定性应力比控制；

2)总面积相同时，使用字体和单块牌的形式，计算结果相同；

3)与单管塔计算结果类似，广告牌透风率达到30%时，与降低3 m挂高时的计算结果相近。

由对比的结论可知，此35 m三管塔最适宜的改造增挂方案为：

1)在10 m～25 m高度范围增挂总面积约30 m2，且透风率达到30%的字体或单块牌；

2)在15 m～20 m高度范围增挂面积约30 m2，长边横向放置的单块牌。

5 基础及地基计算

表3 基础及地基影响计算结果

对于既有铁塔，原铁塔基础按未增挂广告牌的塔脚反力数据进行设计，增挂广告牌后，塔脚轴力、剪力、弯矩均有增加，从而对基础的倾覆、受冲切、基底压力等产生影响，用前文所述35 m单管塔和35 m三管塔的计算结果对基础及地基进行分析。计算条件假定：单管塔基础形式为独立基础，底板尺寸5.4 m×5.4 m×0.6 m；三管塔基础形式为筏板基础，底板尺寸5.8 m×5.8 m×0.7 m；基础埋深3 m，埋深范围内为均质黏土层，fak=220 kPa，无地下水，经深宽修正后的地基承载力特征值fa=266 kPa，均采用两种塔型最适宜的增挂方案进行计算，分析如表3所示。

由表3数据可知，按最优方案增挂广告牌后，基础的倾覆弯矩、塔柱对底板的冲切力和基底压力均在强度允许范围内。此外，两种塔型基础底板用于计算配筋的弯矩设计值均增大了47%，原设计所配的基础底板钢筋可能会不足，须对原基础进行重新核算，必要时可对基础采取加固措施以满足使用要求。

6 结语

通过对两种塔型增挂广告牌后的计算和对比，得出结论如下：

1)既有通信铁塔塔身结构均有一定的强度余量满足于增挂广告牌，增挂后单管塔整体强度由地脚螺栓拉力比控制，三管塔则由塔底段主杆稳定性应力比控制。

2)广告牌透风率达到30%时与不透风广告牌降低3 m挂高产生的风荷载效应相近，本文计算示例可作参考，具体的广告牌增挂方案需根据实际塔型的设计参数进行计算复核确定。

3)增挂广告牌后铁塔基础和地基验算中，基础底板弯矩增加较多，底板的配筋需要进一步复核。

4)本文的分析结果对其他类型的铁塔改造设计具有一定的参考意义。