谈某钢结构天线塔设计

张亮权

(中钢石家庄工程设计研究院有限公司,河北 石家庄 050021)

随着我国通信事业的蓬勃发展，铁塔星罗棋布在神州大地。铁塔是一种高耸结构，其主要目的是架设通信天线，铁塔制作、安装比较方便、快捷，投资也相对较少，很受欢迎，目前天线塔绝大数是钢结构塔。

钢结构塔主要有四边形角钢塔、多边形钢管塔、单管塔、拉线塔四种结构形式。其中四边形角钢塔、多边形钢管塔又可以叫做桁架塔，主要由角钢、钢管构件拼装而成的格构式自立塔。单管塔是由许多相同斜率锥形圆筒或多边形筒，长度5 m～10 m的节段首尾相接拼装起来的，塔身节段之间的连接有内法兰形式和插接形式两种方式。拉线塔是由杆身及斜向拉线组成，杆身是依靠斜向拉线而直立的，这些拉线在不同方向、不同高度上支撑杆身，以保证它的直立和稳定。

四边形角钢塔是国内最常用的天线塔结构形式，其优点是连接构造简单，加工安装方便，质量容易控制，外形坚实敦厚。由于角钢回转半径较小，为了控制杆件长细比，减小构件自由长度，设立再分式腹杆，增加了许多辅助杆件，因而加大了用钢量。另外角钢的体型系数较大，不受力的辅助杆件增加了塔的挡风面积，造成了较钢管塔大得多的风弯矩，用钢量和基础造价也相对较大。多边形钢管塔塔柱和横杆采用钢管，由于钢管的惯性矩比角钢大，具有各向同性等特点，整体刚度比较大，又由于钢管挡风系数较小，比角钢塔用钢量要轻一些。单管塔占地较小，制造安装简单、方便，但是用钢量大、变形大、刚度不足。拉线塔需要较大的拉线空间，占地面积大，杆身刚度较小，变形较大。

装设天线阵、全向天线、平板天线的天线塔，对结构位移要求较高，还必须满足方向性较强的工艺要求，因此天线塔的结构选型采用四边形钢管塔。

1 天线塔概况

本天线塔高17 m，根开4 m，外设四层平台，在塔顶设置测向天线阵天线，在最高处平台一上设置全向天线，在平台二、三上设置10面平板天线，见表1。

表1 天线塔配置

天线安装示意图、天线塔立面图如图1所示。

2 钢结构天线塔力学分析

结构安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，抗风能力60 m/s，铁塔的固有频率前两阶大于2.2 Hz，在15 mm积冰条件下不破坏。

2.1 计算模型及截面选用

结构计算模型采用空间模型(见图2)。天线塔结构采用的构件截面主要存在以下特征：主塔采用圆钢管截面。

主要杆件截面分布如表2所示。

表2 主要杆件截面表

2.2 荷载工况及组合

各荷载工况分别表示为：永久荷载、活荷载、风荷载、地震作用、裹冰荷载、温度作用。

各荷载组合分别表示为：标准组合、基本组合。

荷载取值及组合按GB 50009—2012建筑结构荷载规范，GB 50135—2019高耸结构设计规范[1]。

2.3 结构变形分析

以风为主的荷载标准组合作用下，顶部位移v应满足高耸结构规范对水平位移限制的要求：v≤h/50，h为塔体总高度(见图3)。

2.4 结构杆件验算

各荷载基本组合下的结构杆件应力比如图4所示。

2.5 连接节点的计算

连接节点包括底法兰连接节点及中间法兰连接节点，利用节点反力设计法兰盘的几何尺寸及连接螺栓的规格及数量。

部分节点设计如图5所示。

3 设计的难点

1)铁塔设计问题：铁塔高度17 m，根开4 m，天线面积挡风约80 m2；在裹冰厚度为15 mm，为重度裹冰区，冬季裹冰加大了铁塔挡风，铁塔风荷载及裹冰恒荷载的作用下，如何使铁塔顶部位移满足各类天线的工艺要求，且具有防腐蚀，是设计中的一个难点，铁塔重度裹冰情况见图6。

2)塔体平台与天线支架设计问题：在天线架设布置中，110 MHz～225 MHz平板天线4副，分别指向25°，85°，255°和320°方向；220 MHz～500 MHz平板天线4副，分别指向25°，85°，255°和320°方向；500 MHz～1 350 MHz平板天线2副，分别指向55°，285°方向；130 MHz～170 MHz全向天线1副；960 MHz～1 215 MHz全向天线1副；七元测向天线1副。这些天线通过过渡支架与铁塔平台相连，天线面积大，质量重，如何设计塔体平台与天线过渡支架，既要安全可靠，又要满足天线角度的要求，是一个重点也是一个难点。

3)塔体防雷的设计问题：由于塔体是高耸结构，容易遭受雷击，另外，天线设备比较贵重，价值比较高，如果遭受雷击，损失比较大，且天线网络通畅比较重要，不能中断，如何设计，是塔体及天线具备防止直击雷、感应雷的能力，是设计中的一个难点[2]。

4 设计难点解决方案

4.1 铁塔设计

本天线塔结构形式为高耸结构，高耸结构的特点是风荷载起决定作用，计算作用在塔上的荷载时，首先计算出各类天线的挡风面积，塔体重裹冰后的折算挡风面积，计算出塔体、平台、天线以及塔体冰的自重。用精确的整体空间桁架法进行计算，如有必要还可进一步考虑非线性因素计算桁架塔的强度、刚度和稳定性。本设计首先采用空间钢结构系统软件3D3S进行杆件计算，由于工作温度不高于-20 ℃，钢材材质选用Q355C，初步选定主材截面Φ194×10,Φ159×8，斜材截面Φ133×5,Φ89×5，然后，又采用有限元软件SAP2000进行各个杆件的计算和复核，根据计算出的主材各个分段的拉力，确定主材使用带法兰盘的螺栓连接，螺栓为6.8级6M36及6M30，结构设计满足国家钢结构设计规范和塔桅设计规程[3-6]，结构安全可靠。

所有构件均采用热浸镀锌防腐处理，锌层厚度不小于86 μm，全部螺栓亦应热浸镀锌。因工艺要求需在构件上焊件时，应在镀锌前进行，镀锌后的构件应对其局部变形进行校正，镀锌后，不生锈，不变形，抗老化，降低后期维护成本。

4.2 塔体平台与天线支架设计

塔顶设置安装接口板，在安装接口板的中间开一个φ500 mm的孔，并在安装接口板下方预留φ500 mm×700 mm的空位，避免塔架与七元测向天线底部测向开关盒和电缆干涉。

平板天线两侧对称布置64个直径为9 mm的孔，采用三个过渡支架分别安装的方式连接天线后，通过过渡支架再与铁塔平台护栏相连。过渡支架均采用L50×4角钢焊接而成，前面用螺栓与天线面板相连接，过渡支架的后面用螺栓与铁塔平台相连。

全向天线利用转接件竖直安装天线塔上，天线塔上预留φ11 mm孔相配合的安装接口板，板的中央开有φ80 mm孔，避免与天线线缆接口干涉。

天线过渡支架与平台连接模式：支架下部支撑在平台三外伸梁[16上，支架中部与平台二外伸梁[16铰接，支架顶部通过支撑与平台二连接。支架顶部采用Φ70×5支撑杆件与平台二相连,Φ70×5杆件中部采用Φ50×5杆件空间支撑。

4.3 塔体防雷的设计

设置专用避雷塔，避雷塔的避雷接地与电源地、工作地分开，防雷接地电阻小于4 Ω，电源和工作地的接地电阻小于1 Ω。避雷塔设置专用避雷引下线，并与避雷针和塔底接地网可靠焊接。避雷针的接地电阻小于4 Ω，地网是由镀锌扁钢将塔脚地基内金属构件焊接成环的方式。避雷塔地网与机房地网之间的焊接点均不得少于两点，并预留出测试端。接地引下线的出土部位进行保护，使用PVC管包裹。

天线塔设置地网，并设置专用避雷引下线，与接地引下线区分，并与塔顶避雷针和塔底接地网可靠焊接。天线塔上的馈线在顶端、中间、底端处进行三点接地，与铁塔接地引下线接地位置连接。

5 结语

通过对天线塔结构形式优缺点的分析，对钢结构天线塔进行了详细设计[7-9]，满足了天线抗风能力以及铁塔固有频率前两阶大于2.2 Hz的要求；并合理地设置避雷塔、避雷措施使天线塔具备防止直击雷、感应雷的能力；完成了天线塔结构安全可靠、制造快捷、安装方便、投资较少的愿望，为类似天线塔的设计进行了积极探索。