美国通信塔桅结构设计规范

美国通信塔桅结构设计规范
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 Plastic Design”。

具体如下：
✧ 碳素结构钢，ASTM A36/A36M
✧ 热浸镀锌焊接钢管、无缝钢管，ASTM A53/A53M，Gr.B
✧ 高强度低合金结构钢，ASTM A242/A242M
✧ 冷轧焊接、无缝碳素结构圆钢管和矩形钢管，ASTM A500
✧ 热轧焊接、无缝碳素结构钢管，ASTM 501
✧ 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 Jo ints 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。

2．荷载（LOADING）
2.1 术语
✧ 恒载：包括结构、拉索及附属设备的自重。

✧ 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。

✧ 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。

对于不同时距风速的转换关系见附件一图表。

✧ 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： ✧ 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。

✧ 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=q z G H [C F A E +∑(C A A A )] ≤2q z G H 对应于中国规范为：
F=W 0
b z
m s
m z
A
相关参数说明如下：
✧ q z ：构件计算高度处的基本风压（考虑了高度的影响）。

q z =0.613K z V 2，相当于中国规范为 W 0m z
=0.625V 2m z
(N/m 2）
K z 的限值为 1≤K z =[z/10]2/7(0.286)≤2.58，中国规范 B 类场地风压高度系数 μz =[z/10]0.32
✧ G H ：阵风反应系数，整个塔只有一个值，如下：
角钢塔：1.0≤G H =0.65+0.6[h/10]1/7≤1.25，其中 h 为结构总高度 单管塔：G H =1.69
(注：当塔安装在其他主结构上时，按主结构的高度取，但在计算应力时需乘 1.25的放大系数)
✧ C F ：主材风载体型系数根据不同的塔型取值。

角钢塔为：
C F =4.0 e 2 -5.9e+4.0 (四角塔)； C F =3.4 e 2 -4.7e+3.4 (三角塔)。

其中 e ＝（A F ＋A R ）/A G ，为角钢塔的实积比，即国内所称作的挡风系数。

A F 为塔段一个面内角钢构件的投影面积，A R 为塔段一个面内圆形构件（钢管、圆钢等）的投影面积，A G 为塔段一个面内的轮廓面积。

对取不同挡风系数时的体型系数如下表所示：
（2－1）
（2－2）
对中国规范中有关角钢塔体型系数如下图：
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C
C F≤1.2
F取值如下表所示，
中国规范中单管塔的体型系数规定如下表所示：
截面形式体型系数
圆形0.6
十六边形及以上0.8
十二边形 1.0
六边形及八边形 1.2
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 VD P
Z
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。

✧ 塔段有效投影面积A E 为
A E=D F A F+ D R A R R R
其中D F、D R 为风向影响系数，具体取值如下表所示：
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R R=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。

✧ C A：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：
天线形状高宽比小于等于7 高宽比大于等于25 板状 1.3
棍状（圆形）0.8 1.2
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，则又对其进行了修正，较美国规范有所减小。

✧ 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。

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，
项里；离散附属设备风载则以集中力加于模型节点上。

包含在塔段风载的∑C
A A A
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：
F c=q z
G H[∑C A A C ]
q z取附属设备中心高度处的基本风压值；
G H取塔体结构的值，如前所述；
C A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）
✧ 拉线风载的计算
将风载分为沿风作按拉线中点的高度确定风载q
z并考虑弦长与风载的方向角，
用方向的力F
G H C D dL C和垂直于风载作用方向的力F L=q z G H C L dL C。

其中
D=q z
d 为拉线直径，L C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）
C D=1.2sin3θ，C L=1.2sin2θcosθ，具体参考下图：
2．3 荷载组合
取下面两种组合的大值（未考虑地震荷载）
D+W 0
D+0.75W I +I
其中 D 为恒载，W 0为风荷载，W I 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。

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）。

✧ 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/R Z 控制，当交错布置时取 L/R X 、L/R Y 、(1+2N)、L/3R Z 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）
✧ 格构式组合杆件采用换算长细比 , 此与 中国规范缀板式组合构件类同。

✧ 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
212⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛R a R KL R KL M
松至200。

✧ 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。

✧ 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。

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%。

✧ 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。

✧ 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
F B=0.6F Y：
中国规范对单管塔受压弯时考虑管壁局部稳定影响的计算内容，也是参考该规范而来，此处不再罗列。

基础和锚碇砼容许应力的规定结构总高度(包括塔体及下面建筑高度)h≤213m 时，砼强度/荷载效应=1.3, h ＞366m 时，砼强度/荷载效应=1.7，当高度在中间时按线性内插法确定。

4．下料、安装容差和标识
结构构件的安装容差要满足下列要求： (1) 垂直度不超过 0.25%；
(2) 两个平面之间的转角，每 3m 不超过 0.5 度，整个塔的转角不超过 5 度； (3) 对分段焊接或法兰连接的单管塔其总长度的差值必须在其设计长度的+1% 和 -0.5%以内。

(4) 除了一些小配件外，所有的杆件必须编号，编号的字高不小于 13mm,字迹清楚。

5．基础和锚件
标准的基础和锚碇只对应于通常的土壤条件，对于基础埋于地下水以下另行考虑。

(1) 标准的地质条件是指粘土，其容许竖向承载力为192kPa ，沿竖向每米深的水平 承载力为 63kPa 到 192kPa （岩石、非粘土、饱和土和地下水以下的土不包含在 内）。

(2) 招投标可按标准的地基条件进行设计，当建在非标准的地基上时取用的容许地基承载力应取地勘单位所提供的地基参数值除以安全系数 2 作为地基土的极限承 载力。

(3) 基础抗拔稳定验算
（W R /2.0+W C /1.25）≥U P ，且（W R +W C ）/1.5≥U P 其中：
W R ：覆土的抗力(重力)或桩的抗拔力，独立基础时取一倒置的锥形土体为上覆 土，其抗拔角取 30o ，土的重度取 16kN/m 3； W C ：基础砼的重量，砼重度取 24 kN/m 3；
（注：当有地下水时，砼和土重应取浮重度，以考虑水浮力 10 kN/m 3的影响
）
U P ：最大上拔力；
(4) 当采用桩基时，标准的桩基其桩侧阻力（每米深桩每平方米侧面积的抗压或抗拔的反力）为 31kPa —48kPa 。

(5) 自立塔的筏式或板式基础，其抗倾覆安全系数不应小于 1.5。

(6) 钻孔桩基的桩长需满足下式的要求：
L D≥0.61+S/(143d)+2[S2/41333d2)+S/96+M/(143d)]1/2
L D为钻孔桩基埋深；d 为桩基直径；S、M 为桩顶（地面）的剪力和弯矩。

6．拉索安全系数
拉索及其连接的最小安全系数的取值和结构总高度h（包括支承结构）有关如下：
h<213m取2.0, h≥366m 取2.5高度位于两者之间时按线性内插确定。

（注：当高度小于某一数值时，其容许应力增加1/3 不适用于拉索及其连接）
7．拉索的预应力和检验（校对）荷载
高度较大的拉线塔需要考虑施加预应力和检验荷载，其他情况则可不考虑。

8．拉索的初拉力
拉索初拉力可取索的公称极限抗拉强度的8%—15%，通常取10%，初拉力超过15%时要考虑风振动的影响，小于8%时则要考虑瞬时松拉的影响。

初拉力可通过测量索的下垂度、振动频率、机械拉力等方法确定，见
TIA/EIA-222-F 的附录E
9．设备正常运行条件
通过控制扭转、弯曲和位移来满足设备运行要求。

通常取用基本风速为22.4m/s的风载来确定设备运行的最低标准。

设备运行考虑无线电波10 分贝的衰退。

该规范对位移、扭转等的控制是按设备的运行要求来的，中国规范除需满足此要求外，规范另外规定了对位移的控制，如下表：
10．保护接地
接地至少应由两根相隔180 度的16mm 镀锌钢棒埋入土中 2.5m 以上，钢棒的另一头由不小于 5mm的涂锡铜导线与塔柱或基础钢筋相连。

每个拉索的锚具位置也应有接地。

基础宽超过 1.5m 的自立塔每个塔脚应设一个接地；附属设备应用二次接地与主结构相连。

11．爬梯和工作平台
攀爬工具（设备）应至少能承受 1.1kN 的活载；工作平台的支承结构计算时取平台活载为1.2kPa，且总荷载不小于2.2KN，工作平台表面（格栅等）应能承受1.1KN活载，此活载不与风载和裹冰荷载同时考；扶手的设计荷载为0.67KN。

固定爬梯的构造要求
①梯宽最小为300mm
②梯级(踏步)距离为300mm～460mm
③横档钢筋最小直径为16mm
脚钉攀爬装置的构造要求
①净宽最小为300mm
②梯级(踏步)距离为300mm～460mm
③横档钢筋最小直径为16m
12．维护和检修
所有塔在严重的大风和暴风雪后要进行检查，另外业主还应进行定期的检查和维修，以确保结构的安全，延长结构的使用寿命。

对于塔桅结构的全面检查和维修周期，拉线塔最少每隔 3 年、自立塔最小每隔 5 年需进行一次。

检查内容有构件本身、构件连接的情况、构件表面的腐蚀情况、避雷引下系统、接地系统情况、基础等项目，对于拉线塔，还有拉线锚块是否完好无损、有否移位，拉线是否松弛、断裂等项目的检查。

检查步骤参见TIA/EIA-222-F 的附录E。

13．已建铁塔结构的分析
已建铁塔进行结构分析，必须由具备专业资格的工程师根据最新的规范标准来进行。

当有如下情况发生变化时，则需对铁塔进行分析：
①天线、馈线及其他附属设备的数量、尺寸、位置或设备类型有变化
②工艺对转角、位移的要求有变化
③可能引起风载或裹冰荷载增加的情况
当发生以上变化需要对铁塔进行分析时，必须取得如下的一些数据：
①构件型号、尺寸及连接节点
②材料性质
③已有的和待增加的荷载
这些资料可以通过以下途径取得：
①先前结构和基础的应力和刚度分析
②设计图纸和施工图纸
③相关规范
④制作安装存档档案
⑤现场实地测量
参考资料：
1. TIA/EIA,Structural Standards for Steel Antenna Towers and Antenna Supporting
Structures,
1996
2. AISC, Load and Resistance Factor Design Specification, 1999
3. AISC, Allowable Stress Design and Plastic Design,1989
4. 中国国家标准：建筑结构荷载规范GB 50009-2001，中国建筑工业出版社，2001
5. 中国国家标准：高耸结构荷载规范GBJ135-90，中国建筑工业出版社，1990
6. 中国通信行业标准：移动通信工程钢塔桅结构设计规范YD/T 5131-2005，北京
邮电大学出版
社，2006
美国相关土建规范研究软课题小组
2006-12-18。