四边形钢管角钢组合结构通信塔的设计

四边形钢管角钢组合结构通信塔的设计戚百军
（中国联合通信有限公司山西分公司，山西太
文章编号：1005-6033（2005）10-0257-02收稿日期：2005-03-28
摘要：介绍了一种新型通信塔的设计过程，并通过大量实际计算，对塔架外形及斜杆倾斜角度与塔架用钢量、塔架底部荷载和塔架变形的关系进行了探讨。

关键词：通信塔；塔架设计；铁塔外形；组合结构
中图分类号：TN820.8文献标识码：Ａ
近几年，我国的移动通信事业发展十分迅速，技术也更加先进，以前组成移动通信网的基站间靠微波传输，而目前多改为光缆传输，基站铁塔也就由原来的微波塔改为现在只作为移动通信天线支持物的通信塔，其设计的合理性直接影响着通信设施的安全性、工程造价、施工速度及使用功能。

但由于该行业发展时间较短，现行国家设计规范亦未包含广义的通信塔，通信塔虽然已经架设了很多，大多仍按原有微波塔塔形进行设计，完全针对通信塔特点的设计并不多见。

为此也就带来一些问题，如以前微波塔多为四边形角钢结构，为满足微波天线对塔架转角的严格要求（微波挂点处塔架转角小于０．５°），根开通常为塔高的１/８～１/６，占地面积较大，以５５ｍ高的角钢通信塔为例，根开约为８ｍ，基础施工时所需场地约为１４ｍ×１４ｍ，在选择基站站址时，就经常会遇到场地大小不足的情况。

而当仅加挂移动通信天线时，对塔架并没有严格的转角和变形要求，为此在保证塔架结构安全性的前提下，减小塔架的根开是很有实际意义的。

根开的减小，会导致铁塔的变形增加和塔柱内力的增加，以受力性能更好的钢管作为塔柱，充分发挥其承载能力，以达到减小根开及用钢量的目的，斜杆仍采用角钢，以便于制作和安装。

这是针对仅加挂移动通信天线的通信塔塔型设计的基本思路。

１工艺要求
该塔按光缆传输的移动通信基站综合塔进行设计，铁塔结构需满足悬挂数字移动通信ＧＳＭ网（或ＣＤＭＡ网）及将来其他通信系统的收发信天馈线的要求。

为此铁塔设３层平台，每层平台均按加挂６副ＧＳＭ（或ＣＤＭＡ）定向天线设计。

考虑到天线间距（同扇区天线间距大于４ｍ，相邻扇区天线间距大于１ｍ）的要求及天线安装调试方便，平台直径不小于３．５ｍ。

平台离地高度根据用户数及覆盖范围的需要确定，一般铁塔上层平台离地高度在４５ｍ～５０ｍ之间（城区４５ｍ左右，郊区５０ｍ左右），本铁塔３层平台高度按４０ｍ，４５ｍ和５０ｍ设计。

塔顶略高出上平台，塔顶设避雷针，避雷针顶至上平台距离不小于８ｍ。

在塔架一侧设外爬梯。

设计风压按５０年一遇取值，地震烈度按８度考虑。

２铁塔外形的确定
铁塔的外形主要是指由塔柱组成的塔架侧面轮廓，其对于塔架的用钢量、抗变形能力、适用性及美观等指标影响很大，因此合理地选择塔架的外形是铁塔设计首先需要解决的问题。

根据上述工艺要求，塔高暂定为５２ｍ，避雷针长６ｍ，满足在５０ｍ处设平台的避雷要求。

根据以往工程经验，塔架上边宽通常为１．２ｍ～２ｍ，当塔架上挂微波天线，对塔架转角有严格要求时，上边宽应取大值。

本塔不设计加挂微波天线，上边宽可取小值，但综合考虑平台尺寸及天线间距要求，将上边宽定为１．５ｍ。

根据上述条件，对于不同根开的铁塔进行计算比较，以确定最佳根开尺寸。

为了便于计算和比较，塔架均按直线考虑，不设变坡，腹杆均采用正交刚性交叉腹杆体系，具体计算结果如表１所示。

从表１可以看出，随着根开的加大，塔架底部荷载略有增加，但变化不大，这表明，塔架轮廓面积的加大对塔架整体风荷载的影响不大；铁塔刚度随着根开的增加有较明显的增加，以上根开情况的塔顶位移均可满足小于铁塔高度１/１００的侧向变形要求，但同时也可看出，当根开小于６．５ｍ时，塔顶转角大于０．５°，不能满足挂微波天线对转角的要求。

塔架的用钢量在根开等于４．５ｍ时最小，这说明，随着塔架根开的减小，腹杆的计算长度随之减小，规格可以降低，虽然塔柱内力有所增加，但整体用钢量呈下降趋势，也就是说当根开在一定范围内减小时，腹杆用钢量的减小比塔柱用钢量的增加，效果更为明显。

当然，当根开减小到一定程度时，由于塔架刚度的减小，风振系
数的加大，塔架整体用钢量又会出现增大趋势，且根开过小，塔架的变形会超过规范要求的１/１００。

为此，本塔根开取为４．５ｍ，此时高宽比约为１１．５。

３腹杆形式的确定
塔架中的腹杆主要包括斜杆、横杆和横膈，斜杆的作用是抵抗水平力和与塔柱共同承担竖向力；横杆受力较小，主要作用是对塔柱和斜杆起平面内侧向支持作用，以减小其计算长度；横膈主要作用是保证斜杆、横杆的平面外稳定性。

腹杆在塔架中所占比重很大，通常可达到塔架总重量的４５％，合理选择腹杆形式对塔架用钢量影响很大。

目前在电视塔、微波塔和通信塔中常采用的是刚性交叉腹杆体系，横杆连续，斜杆与之相连，交点位于横杆中心，塔架内横杆高度处设横膈。

这种腹杆体系可有效地减小塔柱和斜杆的计算长度，受力性能好，施工也很方便。

另外，从外观看，虚实结合，也很美观。

本塔采用此腹杆形式，由于塔柱无变坡，故考虑将斜杆与水平方向的夹角统一，这样便于铁塔生产制作。

为确定斜杆角度与用钢量的关系，现就４．５ｍ和５ｍ两种根开的铁塔在不同斜杆角度的情况下进行计算，其计算结果比较如下：
通过表２、表３可以看出，两种不同根开的铁塔所得结论基本相同，具体如下：
（１）塔架底部荷载随斜杆倾斜角度的增大而减小，这说明当斜杆倾斜角度较小时，斜杆的内力虽可以减小，但整个塔架的斜杆层数及数量增多，进而使塔架整体挡风面积加大；反之，斜杆的内力增加，斜杆的层数及数量减少，塔架整体挡风面积亦减些
（２）斜杆倾斜角度的变化对塔架的抗变形能力影响不大。

（３）当斜杆与水平线的夹角为４５°，即斜杆正交时，斜杆内力与斜杆层数达到一个最佳结合点，从而用钢量最些
（４）当斜杆倾斜角度大于４５°时，塔架用钢量的增加较斜杆小于４５°时更为明显。

４铁塔的设计
根据上述计算结果，塔架根开取４．５ｍ，塔高取５２ｍ，通高不变坡，腹杆采用刚性正交交叉腹杆体系。

确定铁塔外形和腹杆形式后，可进行铁塔的实际结构设计，这不仅要求主要结构的合理性，还需注意如何更好地满足工艺要求及如何使生产施工更为方便。

为此对原方案进行了一些改进。

按原方案进行实际设计后，发现该塔顶部１０ｍ～１５ｍ范围内的构件应力水平偏低，构件强度未充分利用。

造成这种情况的原因主要有两方面，一是该部分为塔架顶部，弯矩及水平剪力的荷载累计本身就较小；二是由于考虑构造（如塔柱与平台的连接）及构件防腐蚀能力的要求，构件规格不能按其内力水平尽量取些为解决这个问题，将塔架顶部１５ｍ范围改为边宽１．５ｍ的直线段，即在距塔顶１５ｍ处设一变坡。

这样一方面可使材料尽可能地得到充分利用，减少用钢量；另一方面使该部分成为一个良好的工艺区段，十分便于平台的设计、安装及天线的挂设。

另外，为使铁塔生产方便，设计时有意将塔架所有斜杆、横杆的构件规格统一，塔架下部内力较大，斜杆就采用双角钢，这样用钢量虽可能略有增加，但可以使该塔所有节点板大小一致，极大地减少了放样的工作量。

对按上述两方面改进后的铁塔进行计算，并与原方案比较，总体用钢量有所减少，抗变形能力相差不大。

５与角钢塔的比较
该种塔型（暂简称为四管塔）设计后与相同高度及荷载条件下的按微波塔塔形设计的铁塔（暂简称为角钢塔）进行比较，其结果见表４。

通过比较可以看出，四管塔的优势是很明显的。

（责任编辑：薛培荣）
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第一作者简介：戚百军，男，１９６８年１０月生，１９９０年毕业于太原工业大学，工程师，中国联合通信有限公司山西分公司，山西省太原市，０３００１２．。