中美欧通讯杆塔标准中风荷载设计的对比研究

武海鹏 孙云龙 刘鑫燚 张云峰 谢铁秦

摘 要 5G建设对通讯杆塔的承载提出更高要求，风载荷是通讯杆塔承载力的重要设计组成，对不同标准下风荷载参数的研究分析有着重要的工程意义。本文通过对中、美、欧不同标准中风载荷的参数如地形地貌、荷载动态参数、风压高度变化系数等进行对比，为相关涉外通讯工程的风荷载计算提供参考。同时，探讨了复合材料在通讯杆塔领域中应用的优势。

关键词 5G；风载荷；通讯杆塔；标准；复合材料

Comparative Analysis of Wind Load Specifications for

Communication Towers in Chinese， American，

and European Standards

WU Haipeng， SUN Yunlong， LIU Xinyi， ZHANG Yunfeng， XIE Tieqin

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.，Harbin 150028）

ABSTRACT The construction of 5G has higher requirements for the bearing capacity of communication towers， and wind load is an important design component of the bearing capacity of communication towers. The research and analysis of wind load parameters under different specifications has important engineering significance. This article compares the wind load parameters of different specifications in China， American and Europe， such as terrain and topography， load dynamic parameters， and wind pressure height variation coefficient， to provide reference for wind load calculation in related foreign communication engineering. At the same time，the advantages of composite materials in the field of communication towers were explored.

KEYWORDS 5G;wind loads; communication tower; standard; composite materials

基金项目：非金属材料创新中心研发类项目（2022TDA4-1）

通讯作者：武海鹏，硕士研究生，正高级工程师。研究方向为复合材料结构设计及仿真分析。E-mail：wu_effort@163.com

1 引言

随着5G时代的到来，5G建设和新基建领域让杆塔建设迎来“新春”。5G通讯塔相比3G、4G的网络平台建设，对通讯塔的高度、天线数量和迎风面积都有了较大的增加，使用地点也要求在旷野、山脉、沼泽、沿海等恶劣地区，这给通讯杆塔整体架构的承载力提出更高的要求［1］。复合材料以比刚度、比强度高、耐腐蚀、便于安装、电绝缘等优点，可以在通讯杆塔领域取代传统的金属材料推广应用。目前，我国通讯塔的高度在20～42 m甚至更高，对于这类高耸结构，风荷载是重要的设计荷载之一，同时风荷载标准也是各国建筑工程设计的重要依据，深入掌握并正确运用不同地区的标准，尤其是对欧美境外通讯杆塔设计时，工程设计人员应重点关注。

本文从中标《建筑结构荷载规范（GB50009－2012）》［2］、欧标《Eurocode 1：Actions on structures-Part 1-4：General actions-Wind actions（EN 1991-1-4-2005）》［3］、美标《Structural Standard for Antenna Supporting Structures， Antennas and Small Wind Turbine Support Structures （TIA-222-H-2018）》［4］出发（以下简称中标、美标、欧标），针对不同标准中关于通讯杆塔风荷载的设计参数进行对比分析。将复合材料应用于通讯杆塔设计，可以根据不同风速下、不同高度杆塔的承载能力，调整铺层角度、铺层数量、铺层顺序等，更好的体现了复合材料杆塔的可设计性。

2 風压计算原理

风压是指垂直于杆塔结构表面上的风荷载标准值。在利用不同标准进行风荷载设计时， 通常需要注意对基本风压进行两个方面的换算，时距和重现期。中标标准基本风压对应的基本风速为B类地貌离地10 m处的10 min时距，欧标同样采用的10 min时距，美标则采用C类地貌离地10 m处的3s时距。不同时距风速与3s时距风速对比如表1所示。

中、美、欧标中重现期均为50年［5-6］，这样保证率基本相同，不会影响到最大风速的统计数值。对于年最大风速概率分布类型，中、美、欧标中均采用极值Ⅰ型概率分布函数分析天气的极端天气现象［7-8］。

3 风荷载计算公式

风荷载值是作为一个独立且重要设计指标，直接参与结构设计中，是一个多参数的表达式，其内部参数相互关联［9-11］。中标标准风荷载值计算公式如公式（1）所示。

Wk=βZ×μs×μz×W0（1）

式（1）中，Wk、W0分别为风荷载标准值和基本风压值，KPa；βZ为高度z处的风振系数；μs、μz分别为风荷载体型系数和风压高度变化系数。

美标标准基本风压计算公式如公式（2）所示。

qZ=0.613×KZ×KZt×Kd×V2×I（2）

式（2）中，Kz为风压变化系数；Kzt为地形系数；Kd为风向系数；V：基本风速；I：结构等级重要性系数。

欧标风速压力计算公式如公式（3）所示。

qp=＼[1+7×IV （z）＼]×0.5×ρ×V2m

（3）

式（3）中，Iv（Z）为湍流强度；ρ为空气密度；V2m为参考高度处的平均速度。

中、美、欧标的风荷载计算公式中，主要涉及到的参数有体型系数、地形地貌、载荷动态参数、风压高度变化系数以及荷载组合系数等。其中对通讯杆塔的体型系数差异有限，以下对其他参数进行分析。

3.1 地形地貌参数

地形的粗糙程度、平整程度直接影响着风速，随着地貌越复杂，越粗糙，平均风速一般会较小，而对于开阔平坦的地形，平均风速相对较大。中标中将地貌分为四类（A/B/C/D），A类主要指海岸、近海面、沙漠无人地带、湖泊及海岛地区，B类主要指房屋相对稀疏的乡村镇、田野、丘陵及丛林等，C类主要指拥有一定密集建筑群的市区，D类主要指房屋很高以及拥有密集建筑群的一些城市区域。粗糙度分别为0.12，0.15，0.22，0.30。美标中同样将地貌分为四类，不过A/B/C/D与中标中的D/C/B/A对应；欧标将地面粗糙度分为0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ五类，其中0和Ⅰ类与中标A类对应，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类则对应B、C、D。

3.2 荷载动态参数

自然风的脉动性对结构是一种典型的动力作用，由平均作用和脉动成分组成。同时通讯杆塔的振型、高度、阻尼特性都会影响此动态作用，且幅值随体表位置变化。所以在不同标准中均需考虑风荷载动力的综合响应。荷载动态参数是考虑在风动力作用下响应的等效静态放大综合系数，中、美、欧中的放大系数［12-13］分别为风振系数βZ、阵风影响系数Gf、结构系数CsCd。中标标准中的风振系数βZ，考虑脉动风振的影响，根据随机振动理论计算如公式（4）～公式（7）所示。

βZ=1+2gI10BZ1+R2（4）

BZ=kHα1 ρx ρzφ（z）μZ （5）

R=π6ξx21（1+x21）43（6）

x1=30f1kw W0，x1>5 （7）

式中，Bz是脉动风荷载的背景分量因子，I10是10 m高度名义揣流强度，ζ1是结构阻尼比，ρx、ρz是脉动风荷载水平、竖直方向相关系数。

美标标准中的阵风影响系数Gf，针对通讯杆塔類柔性或动力敏感结构计算规定如公式（8）～公式（11）所示。

Gf=0.925（1+1.7gQ Izg2Q Q2+g2R R2 ）（1+1.7gv Iz ）（8）

Q=1（1+0.63（B+hLz ）0.63）（9）

Iz=C（33Z）16（10）

gR=＼[2ln（3600n1）]0.5+0.577＼[2 ln（3600n1 ）＼]0.5 （11）

式中， gQ、gR为背景响应影响系数，R为共振相应参数。

欧标标准中动力影响采用结构系数CsCd如公式（11）和（12）所示。

Cs Cd=1+2×KP×Iv×（Ze ）×B2+R21+7×Iv×（Ze）  （12）

R2=π22×δ SL （Ze，n1，x）×Ks （n1，x）（13）

式中， Iv是紊流度，KP是峰值系数，B2是背景系数，R2共振相应系数。

荷载动态参数与风速时距相关，时距越短，阵风特性在风荷载响应影响越大。中标和欧标的时距是10 min，美标的时距是3 s，相应考虑调整系数。对于高度较低的通讯杆塔，相同的地形地貌下，荷载动态参数对比是风振系数（中标）>结构系数（欧标）>阵风系数（美标）。

3.3 风压高度变化系数

风压高度变化系数，反映了作用在杆塔结构上的风压在不同地形地貌高度的变化规律，中美标准采用指数，欧标采用对数描述风速和高度的变化关系如公式（15）～公式（17）所示。

中标 μBZ=1.000（Z10）0.30，10m≤z≤350m（15）

美标KCz=2.01（zzg）2α，4.57m≤z≤zg（16）

欧标Cr （z）=Kr×ln（zZ0），zmin≤z≤ zmax（17）

同样地貌下，50 m杆塔的不同标准下的风压高度变化系数比较如图1所示。

图1 不同标准风压高度变化系数与高度的关系

从图1可以看出，相同地形地貌环境下，中标的风压高度变化系数最大，而欧标最小，这主要是不同标准中关于地貌粗糙度参数差异而造成的。

3.4 不同标准荷载组合值

本文主要分析通讯杆塔的承载力极限状态，下表为中、美、欧标准中起控制的自重静荷载和风荷载的组合进行比较，如表2所示。

从表2可以看出，通讯杆塔承载中控制作用的风荷载，美标最大1.6，中标最小1.4，载荷中的风载荷系数不同标准中差异较大，对最终风荷载产生较大影响。这是由于各国标准建立的体系不同，各个系数的参考的依据不同造成的。

从中、美、欧标中风荷载计算公式参数对比可以看出，对于高度较低的通讯杆塔，地形地貌参数在不同标准中规定大致相同，对杆塔承载力影响较小；荷载动态参数中标最大，美标最小；风压高度变化系数则中标最大，欧标最小；但荷载组合系数中，美标风荷载的分项系数最大，中标最小。综合考虑，不同标准对通讯杆塔承载力的影响需具体计算分析。

4 计算对比

为对比不同标准对通讯杆塔变形的影响，分别采用中、美、欧标准对50 m单管塔进行风荷载计算。单管塔基本参数，H=50 m，D=1000 mm，阻尼比1%。按照中标B类粗糙度的开阔地形地貌，基本风速25 m/s，重现期为50年，不同标准下单管塔的风荷载计算值如表3所示。

根据表3的计算结果，对于高度小于50 m的通讯杆塔，欧标风荷载计算值最大，中标计算值最小，美标居中。尤其是在高度较低时，欧标计算值近似是中标的3倍，随着高度的增加，二者的比值逐渐降低。这主要原因是中标的风振系数沿高度变化趋势要高于美、欧标准。所以对高度小于50 m的杆塔，不同标准风荷载的差异不容忽视。

通过对中美欧通讯杆塔标准中风载荷设计公式的风压、地形地貌参数、载荷动态参数、高度变化系数和载荷组合值相对比得出，不同标准中参数值差异较大，工程设计人员不能忽略，同时设计人员可以充分发挥复合材料杆塔的可设计性，以便满足不同标准下的杆塔需求。

5 结语

中、美、欧标准中均采用多参数的形式表征风荷载，主要参数的规定和使用原则基本一致，通过算例结果分析，研究可得以下结论：

（1）中标采用基本风压，美、欧标采用基本风速；

（2）中、美、欧标中风作用的动力影响参数分别是风振系数、阵风影响系数、结构系数，该参数受到结构分类、模态振型等影响，动力参数中标>欧标>美标；

（3）荷载组合值，风荷载分项系数美标>欧标>中标，美中标准比值1.14；

（4）相同地形地貌下，对于高度较低的通讯杆塔，风荷载计算值欧标>美标>中标，但随着高度的增加比值逐渐减少；

结构风荷载标准值作为多参数表达式，单个参数的差异并不能真实反映荷载标准值的差异。综上所述，对于高低较低通讯杆塔，中、美、欧不同标准下计算风荷载差异较大，不可忽略。

参 考 文 献

［1］曲方明.5G建设过程中通信铁塔的承载能力分析［J］.电子技术与软件工程，2021（07）：3-4.

［2］GB50009-2012，《建筑结构荷载规范》［S］. 2012.

［3］EN 1991-1-4-2005，《Eurocode 1：Actions on structures-Part 1-4：General actions-Wind actions》 ［S］.2005.

［4］TIA-222-H-2018，《Structural Standard for Antenna Supporting Structures， Antennas and Small Wind Turbine Support Structures》［S］.2018.

［5］劉敏，孙义刚，陈娟辉. 基于高层建筑主体结构的中美风荷载计算分析对比［J］ .邵阳学院学报（自然科学版），2016，13（03）：88-92.

［6］王敏，何文俊.欧标风荷载计算及参数取值［J］.山西建筑， 2019， 45（06）： 31-32.DOI：10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2019.06.016.

［7］吴元元，任光勇，颜潇潇. 欧洲与中国规范风荷载计算方法比较［J］.低温建筑技术，2010（06）：63-65.

［8］吴纯华，浅议中美规范风荷载计算对比［J］.低温建筑技术，2010，32（06）：63-65.

［9］申跃奎，方圆，高宝中. 中美英三国风荷载规范重要参数的比较［J］ ］.钢结构，2014，29（01）：40-43+7.DOI：10.13206/j.gjg201401011.

［10］杨坤. 中标、欧标、阿标、南标风荷载规范对比研究［J］.建筑结构，2021（21）：124-125.

［11］黄韬颖，杨庆山. 中美澳风荷载规范重要参数的比较［J］ .城市建设理论研究（电子版），，2017（21）：124-125.DOI：10.19569/j.cnki.cn119313/tu.201721115.

［12］周瑞. 中美房屋建筑风荷载计算对比分析［C］//浙江省建筑设计研究院，东南大学，《建筑结构》杂志社.第八届工程结构抗震技术交流会论文集.第八届工程结构抗震技术交流会论文集，2023：297-301.DOI：10. 26914/c. cnkihy.2023.036732.

［13］张军锋，葛耀君，柯世堂. 中美日三国规范高层结构风荷载标准值对比［J］.湖南大学学报（自然科学版），2011，38（10）：18-25.