美国通信塔桅结构设 计规范的理解
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美国通信塔桅结构设计规范的理解
版已改为 3s 时距瞬时风速) 中国《建筑结构荷载规范》则是取 50 年一遇离地 10m 高度处 10 分钟的平均最大 风速为基本风速。
百度文库
对于不同时距风速的转换关系见附件一图表。
² 附属设备：包括连接于塔身的天线、馈线、光缆、避雷设备、爬梯、平台等。 附属设备可分为离散附属设备和线性附属设备两种。 2．2 荷载计算： ² 风荷载及裹冰荷载 作用于结构上的风荷载包括所有作用于塔身上、拉线上以及离散附属设备上的水 平风荷载。裹冰荷载则根据结构所在地区确定。 ² 风荷载产生的水平力 F 以均布荷载的方式作用于相应的塔段，并按塔段中心处的 高度确定风荷载。其中塔体分段（塔段高）的限值如下：拉线塔为拉线间距、自 立塔为 18m、单管塔为 9.1m。 具体计算风荷载的公式： F=qz GH[CF AE + ∑(CA AA )] ≤2qz GH 对应于中国规范为： （2－1）
可以看出，美国规范计算结果略大于中国规范，尤其在挡风系数比较小的时候， 差别更加明显。 单管塔的体型系数 CF 取值如下表所示， CF≤1.2
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中国规范中单管塔的体型系数规定如下表所示： 截面形式 圆形 十六边形及以上 十二边形 六边形及八边形 体型系数 0.6 0.8 1.0 1.2
2． 荷载（LOADING）
2.1 术语 ² 恒载：包括结构、拉索及附属设备的自重。 ² 裹冰荷载：根据各地的径向裹冰厚度确定； 其中，冰重度取 8.8kN/m3 (中国规范取 9kN/m3 ）；霜重度取 4.7kN/m3。 ² 风荷载： 取 50 年一遇离地 10m 高度处的最大英里风速为基本风速(TIA/EIA-222-G
中国通信规范中则对其规定如下： 天线形状 板状 棍状（圆形） 行了修正，较美国规范有所减小。 ² 附属设备风载的计算 塔体投影范围内的附属设备作为塔体构件考虑来计算风载和挡风系数，投影范围 以外的附属设备单独计算。
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高宽比小于等于 7 1.3 0.8
高宽比大于等于 25 1.2
F=W0bzmsmz A
相关参数说明如下： ² qz：构件计算高度处的基本风压（考虑了高度的影响）。 qz =0.613KzV2，相当于中国规范为 W0mz =0.625V2mz(N/m2）
（2－2）
Kz 的限值为 1≤Kz =[z/10]2/7(0.286)≤2.58，中国规范 B 类场地风压高度变化系数 μz =[z/10]0.32 ² GH：阵风反应系数，整个塔只有一个值，如下： 角钢塔：1.0≤GH=0.65+0.6[h/10]1/7≤1.25，其中 h 为结构总高度 单管塔：GH=1.69 (注：当塔安装在其他主结构上时，按主结构的高度取，但在计算应力时需乖 1.25 的放大系数) ² CF：主材风载体型系数根据不同的塔型取值。 角钢塔为： CF=4.0 e2 -5.9e+4.0 (四角塔)； CF=3.4 e2 -4.7e+3.4 (三角塔)。 其中 e＝（AF＋AR）/AG，为角钢塔的实积比，即国内所称作的挡风系数。 AF 为塔段一个面内角钢构件的投影面积， AR 为塔段一个面内圆形构件 （钢管、 圆钢等）的投影面积，AG 为塔段一个面内的轮廓面积。
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对取不同挡风系数时的体型系数如下表所示：
挡风系数 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 方形 3.5 3.0 2.6 2.3 2.1 三角形 3.0 2.6 2.3 2.1 1.9
对中国规范中有关角钢塔体型系数如下图：
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TIA/EIA -222-F: Structural Standards for Steel Antenna Towers and Antenna Supporting Structures 1．材料(MATERIAL)
1.1 材料标准 结构钢、铸钢、钢锻品和螺栓的规格和质量要求符合美国钢结构学会 AISC 的标准 “Specifications for Structural Steel Buildings-Allowable Stress Design and 具体如下： ² 碳素结构钢，ASTM A36/A36M ² 热浸镀锌焊接钢管、无缝钢管，ASTM A53/A53M，Gr.B ² 高强度低合金结构钢，ASTM A242/A242M ² 冷轧焊接、无缝碳素结构圆钢管和矩形钢管，ASTM A500 ² 热轧焊接、无缝碳素结构钢管，ASTM 501 ² 高强度低合金含钒结构钢，ASTM A572/A572M，等等。 轻型钢构件需符合 AISI 的标准 “Specifications for Design of Cold-Formed Steel Structural Membered” 钢管结构构件材料需符合 ANSI/NEMA TT1-1983 ， “Tapered Tubular Steel Structures” 对于使用本规范未指定的替代材料时，需提供替代材料的机械性能和化学成份参数。 其中机械性能包括屈服点、屈服强度、抗拉强度、伸长率等；化学成份包括碳、磷、硫 等元素的含量。 螺栓、螺母、拉索锚具夹具 摩擦 型螺栓和 受拉 螺栓 应 使用高强螺栓 其最小拧紧预拉力 需要 满足 标准 AISC “Specifications for Structural Joints Using ASTM A325 or A490 Bolts”。 承压型螺栓可用高强螺栓拧紧到规范 AISC 中要求的紧固条件。 高强螺栓按规范要求预拉拧紧后可不需要螺母锁设备，其他情况要使用螺母锁设备。 热浸镀锌螺栓 A490 不应使用。 Plastic Design”。
可以看出，中国规范的取值是参考了美国规范的，但对于板状天线，则又对其进
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附属设备的风载分两种计算：线性附属设备风载以分布荷载的方式加于结构上， 包含在塔段风载的∑CA AA 项里；离散附属设备风载则以集中力加于模型节点上。 离散附属设备如冰罩、平台等（不包括微波天线和反射器）的集中力按下式计算： Fc=qz GH[∑CA AC ] qz 取附属设备中心高度处的基本风压值； GH 取塔体结构的值，如前所述； CA 取值同上，当附属设备仅由圆形构件组成时取 1.8，附属设备区取为等价的平 板区时取 2.0。
（注：微波天线和反射器风载按附录 B 确定；不考虑天线罩的影响，当天线的方位角不确定 时按极对称的原则分布于塔体结构四周）
² 拉线风载的计算 按拉线中点的高度确定风载 qz 并考虑弦长与风载的方向角，将风载分为沿风作用 方向的力 FD=qz GH CD dLC 和垂直于风载作用方向的力 FL=qz GH CL dLC。 其中 d 为拉线直径，LC 为拉线弦长，θ为拉索弦长与风向的夹角（顺时针方向不 大于 180 度） CD=1.2sin3θ，CL=1.2sin2θcosθ，具体参考下图：
数按规范取值，约为 1.67，具体参考 AISC 的 Allowable Stress Design and Plastic Design，1989 规范。 对于美国规范不考虑地震荷载组合的原因，分析如下： 因塔体质量不大，而地震力不仅与当地地震烈度有关，还与结构质量有很大关 系；塔体质量小，相同条件下所受地震力也小，而对高耸结构而言，风荷载是主要 的水平荷载，在多数情况下，地震力起不到控制作用，因此美国规范没有对地震荷 载进行考虑。中国通信钢塔桅结构设计规范，对于地震荷载的考虑，也是针对地震 烈度 8 度以上才需要进行截面抗震验算，对 8 度及以下地区，无需进行截面抗震验 算，只需满足抗震构造要求即可。
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从表中可以看出，对于四角塔，需考虑 0 度和±45 度两个风向的风载；三角塔则 考虑 0 度、60 度和±90 度三个风向的风载。 对圆形构件（钢管、圆钢等），在计算有效投影面积的时候，需乘一个折减系数 RR=0.51e2+0.57≤1 从上可以看出，对不同风向的考虑、圆形构件对风载的折减，美国规范都是反映 在有效投影面积公式中，而中国规范则是反映在体型系数中，这是两者之间的不 同点。 ² CA ：线型附属设备风载体型系数，根据附属设备高宽比及其类型取值，如下表：
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2 2
，此与中国规范缀板
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③ 计算容许应力时受压构件的无支撑计算长度要考虑其连接的刚性和屈曲方向。 ④ 计算容许应力时当单个螺栓连接的杆件其计算长度系数小于 1 时，相关系数必 需通过试验和计算确定。 ⑤ 拉线结构应考虑拉线之间结构的稳定性。 ⑥ 用于 减 少 弦杆 长 细 比 的 支撑 和 辅助 杆 的 承载力不小 于 相 应 弦杆 所 受 轴 力 的 1.5%。 ² 单角钢杆件计算的规定（具体参照 AISC 和 ASCE-10 的相关规定） ① 杆件宽厚比超过规范限时容许应力要根据 AISC 的第四章规定进行折减， 对冷轧 成型的角钢其计算宽度 w 取内起弧点到肢尖的距离且不小于角钢宽度减去三倍 的厚度 t；宽厚比不应超过 25。 ② 当杆件偏心受力时应考虑偏心的影响。 ² 单管塔计算的规定 ① 考虑重力二阶效应的影响 ② 受压 弯 作 用的 单 管 塔 其 容许 压 弯 应力应按 下 表 进行折减 ， 其中 圆形 截 面 取为 FB=0.6FY：
可以看出， 美国规范比中国规范定义的更加细， 它引入了一个参数 C = K Z VD P 来区分不同 C 值情况下不同的杆身体型系数，而中国规范只跟其截面形式有关，跟 风速、管径、高度系数等无关。而且对于风速较低的情况下，美国规范较中国规范 取值要大很多，这可能是考虑了风荷载在低速时的其他影响因素。 ² 塔段有效投影面积 AE 为 AE=DFAF+ DRAR RR 其中 DF、DR 为风向影响系数，具体取值如下表所示：
2．3 荷载组合 取下面两种组合的大值（未考虑地震荷载） D+W0 D+0.75WI+I 其中 D 为恒载，W0 为风荷载，WI 为有裹冰情况下的风荷载，I 为裹冰重力荷载。 因美国规范用的是容许应力设计法，故组合中无荷载分项系数，材料应力的安全系
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3．应力（STRESSES）
结构杆件符合美国 AISC 和 AISI 的相关标准，除拉线塔外，当塔高（指总高当塔安 放于其他结构时包含塔底结构的高度）小于 213m 时，设计容许应力可以增加 1/3，当 塔高大于 366m 时则不增加，塔高介于两者之间时，则用线性内插法确定容许应力提高 系数。 当计算拉线塔的应力时，需要考虑拉线处的实际位移（变形）。 ² 长细比计算的规定 塔柱按相邻塔面斜材的布置方式不同其长细比计算也不同，当相邻塔面斜材对称 布置时， 由角钢绕最小轴的长细比 L/RZ 控制， 当交错布置时取 L/RX 、 L/RY 、 （1+2N） L/3RZ 的最大值控制(其中 NL：塔柱节间底至相邻塔面支承点的距离，且 N≥0.5)。 斜材长细比计算时根据其中间的支承情况及其端部连接方式分别采用不同的计算 公式。（单个螺栓连接时计算长度取螺栓间距，多个螺栓时取螺栓的中心距） KL KL a ² 格构式组合杆件采用换算长细比 = + R M R RI 式组合构件类同。 ² 受压构件计算长细比的限值：弦杆 150、斜杆和横杆 200、辅助杆 250，中国规范 分别为 150、 180、 250， 当斜杆和横杆内力小于杆件承载力 50％时， 可放松至 200。 ² 单个螺栓连接的杆件其计算长度系数小于 1 时，相关系数必需通过试验和计算确 定。 ² 关于应力取值的规定，具体可参照 AISC 的相关规范。 ① 单边连接的角钢构件及其连接按净面积(取螺孔直径比螺栓直径增大 1.6mm)验 算强度时其容许应力乘以折减系数 0.75。中国规范轴心受压强度计算取 0.85， 稳定计算时根据长细比计算相应折减系数。 ② 计算容许应力时宜考虑栓孔四周的变形。
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版已改为 3s 时距瞬时风速) 中国《建筑结构荷载规范》则是取 50 年一遇离地 10m 高度处 10 分钟的平均最大 风速为基本风速。
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对于不同时距风速的转换关系见附件一图表。
² 附属设备：包括连接于塔身的天线、馈线、光缆、避雷设备、爬梯、平台等。 附属设备可分为离散附属设备和线性附属设备两种。 2．2 荷载计算： ² 风荷载及裹冰荷载 作用于结构上的风荷载包括所有作用于塔身上、拉线上以及离散附属设备上的水 平风荷载。裹冰荷载则根据结构所在地区确定。 ² 风荷载产生的水平力 F 以均布荷载的方式作用于相应的塔段，并按塔段中心处的 高度确定风荷载。其中塔体分段（塔段高）的限值如下：拉线塔为拉线间距、自 立塔为 18m、单管塔为 9.1m。 具体计算风荷载的公式： F=qz GH[CF AE + ∑(CA AA )] ≤2qz GH 对应于中国规范为： （2－1）
可以看出，美国规范计算结果略大于中国规范，尤其在挡风系数比较小的时候， 差别更加明显。 单管塔的体型系数 CF 取值如下表所示， CF≤1.2
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中国规范中单管塔的体型系数规定如下表所示： 截面形式 圆形 十六边形及以上 十二边形 六边形及八边形 体型系数 0.6 0.8 1.0 1.2
2． 荷载（LOADING）
2.1 术语 ² 恒载：包括结构、拉索及附属设备的自重。 ² 裹冰荷载：根据各地的径向裹冰厚度确定； 其中，冰重度取 8.8kN/m3 (中国规范取 9kN/m3 ）；霜重度取 4.7kN/m3。 ² 风荷载： 取 50 年一遇离地 10m 高度处的最大英里风速为基本风速(TIA/EIA-222-G
中国通信规范中则对其规定如下： 天线形状 板状 棍状（圆形） 行了修正，较美国规范有所减小。 ² 附属设备风载的计算 塔体投影范围内的附属设备作为塔体构件考虑来计算风载和挡风系数，投影范围 以外的附属设备单独计算。
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高宽比小于等于 7 1.3 0.8
高宽比大于等于 25 1.2
F=W0bzmsmz A
相关参数说明如下： ² qz：构件计算高度处的基本风压（考虑了高度的影响）。 qz =0.613KzV2，相当于中国规范为 W0mz =0.625V2mz(N/m2）
（2－2）
Kz 的限值为 1≤Kz =[z/10]2/7(0.286)≤2.58，中国规范 B 类场地风压高度变化系数 μz =[z/10]0.32 ² GH：阵风反应系数，整个塔只有一个值，如下： 角钢塔：1.0≤GH=0.65+0.6[h/10]1/7≤1.25，其中 h 为结构总高度 单管塔：GH=1.69 (注：当塔安装在其他主结构上时，按主结构的高度取，但在计算应力时需乖 1.25 的放大系数) ² CF：主材风载体型系数根据不同的塔型取值。 角钢塔为： CF=4.0 e2 -5.9e+4.0 (四角塔)； CF=3.4 e2 -4.7e+3.4 (三角塔)。 其中 e＝（AF＋AR）/AG，为角钢塔的实积比，即国内所称作的挡风系数。 AF 为塔段一个面内角钢构件的投影面积， AR 为塔段一个面内圆形构件 （钢管、 圆钢等）的投影面积，AG 为塔段一个面内的轮廓面积。
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对取不同挡风系数时的体型系数如下表所示：
挡风系数 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 方形 3.5 3.0 2.6 2.3 2.1 三角形 3.0 2.6 2.3 2.1 1.9
对中国规范中有关角钢塔体型系数如下图：
美国通信塔桅结构设计规范的理解
美国通信塔桅结构设计规范的理解
TIA/EIA -222-F: Structural Standards for Steel Antenna Towers and Antenna Supporting Structures 1．材料(MATERIAL)
1.1 材料标准 结构钢、铸钢、钢锻品和螺栓的规格和质量要求符合美国钢结构学会 AISC 的标准 “Specifications for Structural Steel Buildings-Allowable Stress Design and 具体如下： ² 碳素结构钢，ASTM A36/A36M ² 热浸镀锌焊接钢管、无缝钢管，ASTM A53/A53M，Gr.B ² 高强度低合金结构钢，ASTM A242/A242M ² 冷轧焊接、无缝碳素结构圆钢管和矩形钢管，ASTM A500 ² 热轧焊接、无缝碳素结构钢管，ASTM 501 ² 高强度低合金含钒结构钢，ASTM A572/A572M，等等。 轻型钢构件需符合 AISI 的标准 “Specifications for Design of Cold-Formed Steel Structural Membered” 钢管结构构件材料需符合 ANSI/NEMA TT1-1983 ， “Tapered Tubular Steel Structures” 对于使用本规范未指定的替代材料时，需提供替代材料的机械性能和化学成份参数。 其中机械性能包括屈服点、屈服强度、抗拉强度、伸长率等；化学成份包括碳、磷、硫 等元素的含量。 螺栓、螺母、拉索锚具夹具 摩擦 型螺栓和 受拉 螺栓 应 使用高强螺栓 其最小拧紧预拉力 需要 满足 标准 AISC “Specifications for Structural Joints Using ASTM A325 or A490 Bolts”。 承压型螺栓可用高强螺栓拧紧到规范 AISC 中要求的紧固条件。 高强螺栓按规范要求预拉拧紧后可不需要螺母锁设备，其他情况要使用螺母锁设备。 热浸镀锌螺栓 A490 不应使用。 Plastic Design”。
可以看出，中国规范的取值是参考了美国规范的，但对于板状天线，则又对其进
美国通信塔桅结构设计规范的理解
附属设备的风载分两种计算：线性附属设备风载以分布荷载的方式加于结构上， 包含在塔段风载的∑CA AA 项里；离散附属设备风载则以集中力加于模型节点上。 离散附属设备如冰罩、平台等（不包括微波天线和反射器）的集中力按下式计算： Fc=qz GH[∑CA AC ] qz 取附属设备中心高度处的基本风压值； GH 取塔体结构的值，如前所述； CA 取值同上，当附属设备仅由圆形构件组成时取 1.8，附属设备区取为等价的平 板区时取 2.0。
（注：微波天线和反射器风载按附录 B 确定；不考虑天线罩的影响，当天线的方位角不确定 时按极对称的原则分布于塔体结构四周）
² 拉线风载的计算 按拉线中点的高度确定风载 qz 并考虑弦长与风载的方向角，将风载分为沿风作用 方向的力 FD=qz GH CD dLC 和垂直于风载作用方向的力 FL=qz GH CL dLC。 其中 d 为拉线直径，LC 为拉线弦长，θ为拉索弦长与风向的夹角（顺时针方向不 大于 180 度） CD=1.2sin3θ，CL=1.2sin2θcosθ，具体参考下图：
数按规范取值，约为 1.67，具体参考 AISC 的 Allowable Stress Design and Plastic Design，1989 规范。 对于美国规范不考虑地震荷载组合的原因，分析如下： 因塔体质量不大，而地震力不仅与当地地震烈度有关，还与结构质量有很大关 系；塔体质量小，相同条件下所受地震力也小，而对高耸结构而言，风荷载是主要 的水平荷载，在多数情况下，地震力起不到控制作用，因此美国规范没有对地震荷 载进行考虑。中国通信钢塔桅结构设计规范，对于地震荷载的考虑，也是针对地震 烈度 8 度以上才需要进行截面抗震验算，对 8 度及以下地区，无需进行截面抗震验 算，只需满足抗震构造要求即可。
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从表中可以看出，对于四角塔，需考虑 0 度和±45 度两个风向的风载；三角塔则 考虑 0 度、60 度和±90 度三个风向的风载。 对圆形构件（钢管、圆钢等），在计算有效投影面积的时候，需乘一个折减系数 RR=0.51e2+0.57≤1 从上可以看出，对不同风向的考虑、圆形构件对风载的折减，美国规范都是反映 在有效投影面积公式中，而中国规范则是反映在体型系数中，这是两者之间的不 同点。 ² CA ：线型附属设备风载体型系数，根据附属设备高宽比及其类型取值，如下表：
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③ 计算容许应力时受压构件的无支撑计算长度要考虑其连接的刚性和屈曲方向。 ④ 计算容许应力时当单个螺栓连接的杆件其计算长度系数小于 1 时，相关系数必 需通过试验和计算确定。 ⑤ 拉线结构应考虑拉线之间结构的稳定性。 ⑥ 用于 减 少 弦杆 长 细 比 的 支撑 和 辅助 杆 的 承载力不小 于 相 应 弦杆 所 受 轴 力 的 1.5%。 ² 单角钢杆件计算的规定（具体参照 AISC 和 ASCE-10 的相关规定） ① 杆件宽厚比超过规范限时容许应力要根据 AISC 的第四章规定进行折减， 对冷轧 成型的角钢其计算宽度 w 取内起弧点到肢尖的距离且不小于角钢宽度减去三倍 的厚度 t；宽厚比不应超过 25。 ② 当杆件偏心受力时应考虑偏心的影响。 ² 单管塔计算的规定 ① 考虑重力二阶效应的影响 ② 受压 弯 作 用的 单 管 塔 其 容许 压 弯 应力应按 下 表 进行折减 ， 其中 圆形 截 面 取为 FB=0.6FY：
可以看出， 美国规范比中国规范定义的更加细， 它引入了一个参数 C = K Z VD P 来区分不同 C 值情况下不同的杆身体型系数，而中国规范只跟其截面形式有关，跟 风速、管径、高度系数等无关。而且对于风速较低的情况下，美国规范较中国规范 取值要大很多，这可能是考虑了风荷载在低速时的其他影响因素。 ² 塔段有效投影面积 AE 为 AE=DFAF+ DRAR RR 其中 DF、DR 为风向影响系数，具体取值如下表所示：
2．3 荷载组合 取下面两种组合的大值（未考虑地震荷载） D+W0 D+0.75WI+I 其中 D 为恒载，W0 为风荷载，WI 为有裹冰情况下的风荷载，I 为裹冰重力荷载。 因美国规范用的是容许应力设计法，故组合中无荷载分项系数，材料应力的安全系
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3．应力（STRESSES）
结构杆件符合美国 AISC 和 AISI 的相关标准，除拉线塔外，当塔高（指总高当塔安 放于其他结构时包含塔底结构的高度）小于 213m 时，设计容许应力可以增加 1/3，当 塔高大于 366m 时则不增加，塔高介于两者之间时，则用线性内插法确定容许应力提高 系数。 当计算拉线塔的应力时，需要考虑拉线处的实际位移（变形）。 ² 长细比计算的规定 塔柱按相邻塔面斜材的布置方式不同其长细比计算也不同，当相邻塔面斜材对称 布置时， 由角钢绕最小轴的长细比 L/RZ 控制， 当交错布置时取 L/RX 、 L/RY 、 （1+2N） L/3RZ 的最大值控制(其中 NL：塔柱节间底至相邻塔面支承点的距离，且 N≥0.5)。 斜材长细比计算时根据其中间的支承情况及其端部连接方式分别采用不同的计算 公式。（单个螺栓连接时计算长度取螺栓间距，多个螺栓时取螺栓的中心距） KL KL a ² 格构式组合杆件采用换算长细比 = + R M R RI 式组合构件类同。 ² 受压构件计算长细比的限值：弦杆 150、斜杆和横杆 200、辅助杆 250，中国规范 分别为 150、 180、 250， 当斜杆和横杆内力小于杆件承载力 50％时， 可放松至 200。 ² 单个螺栓连接的杆件其计算长度系数小于 1 时，相关系数必需通过试验和计算确 定。 ² 关于应力取值的规定，具体可参照 AISC 的相关规范。 ① 单边连接的角钢构件及其连接按净面积(取螺孔直径比螺栓直径增大 1.6mm)验 算强度时其容许应力乘以折减系数 0.75。中国规范轴心受压强度计算取 0.85， 稳定计算时根据长细比计算相应折减系数。 ② 计算容许应力时宜考虑栓孔四周的变形。