美化圍欄單管通信鐵塔結構基本自振周期分析

崔力學

(中鋼集團工程設計研究院有限公司石家莊設計院，河北石家莊 050021)

隨著社會的發(fā)展和人們對生活環(huán)境要求的提高，移動通信鐵塔作為公共環(huán)境的一部分，必然要向外形多樣美觀、同周圍環(huán)境協(xié)調(diào)方向發(fā)展，研究和設計與環(huán)境協(xié)調(diào)的基站設計方案，美化已經(jīng)成為一個方向，如樓頂裝飾塔、美化燈桿、美化燈盤、加裝彩帶彩環(huán)，都越來越多的應用到實際工程中，也讓塔架成為城市的一道靚麗風景。

正是在這種要求下，普通的單管塔逐漸去掉笨重的平臺，并將天線隱藏在美化圍欄中，無論從美觀方面，還是實用方面，美化圍欄單管塔正逐漸替代傳統(tǒng)的單管塔而成為一種通信鐵塔的重要形式，其典型外觀見圖1。

美化圍欄單管塔是一種外形新穎的通信鐵塔。它是由多段錐形鋼筒連接而成，而上部的傳統(tǒng)的平臺則代以各式各樣的輕質(zhì)美化圍欄罩，在起到美化效果的同時，也充當施工時的圍護構件。與傳統(tǒng)的單管塔相比較，美化圍欄單管塔具有附屬構件重量輕，外觀造型美觀多變等優(yōu)點。

而對于美化圍欄單管塔，由于其構造、質(zhì)量分布等的變化，現(xiàn)階段對于這種新型的通信鐵塔形式的研究還存在許多空白。在進行鐵塔自身動力特性分析時，通常采用廣泛應用的振型分解反應譜法計算地震作用，而結構自身的固有頻率和振型是抗震及風荷載計算過程中的重要參數(shù)，同時是結構動力學分析的重要部分。自振頻率和振型是結構自身的重要特性，由它可以反映結構質(zhì)量和剛度的匹配情況。

圖1 美化圍欄單管通信鐵塔

與傳統(tǒng)單管塔相比較，美化圍欄單管塔的圍欄多為輕質(zhì)的玻璃鋼條;直徑更小、沒有平臺護欄，上部重量減輕。與此同時，因為圍欄的擋風面積較傳統(tǒng)的平臺大，導致塔身用鋼量相對增大，塔身重量增大。這樣的變化就改變了鐵塔的自振特性。也同時改變了在進行荷載計算時的參數(shù)計算，若此時仍采用傳統(tǒng)單管塔計算參數(shù)，計算結果難免出現(xiàn)偏差。基于這種情況，就需要先以有限元軟件模擬計算各種該類結構的動力特性，并在有條件時進行一定數(shù)量的實際觀測對比和總結，這對于正確計算此類鐵塔的地震響應和自振特性有著重要的意義。

1 對美化圍欄單管塔模型的計算參數(shù)選擇和計算

一般地，常用美化圍欄單管塔的天線掛高在35 m～70 m之間，通常第一層天線安裝在距塔頂2 m處，所以鐵塔高度一般在37 m～72 m之間。出于經(jīng)濟性和運輸方面的考慮，較低高度的塔架一般采用其他簡易塔架形式，以達到節(jié)省成本及方便運輸?shù)哪康?對于高度大于70 m的通信鐵塔，因為要控制塔頂?shù)奈灰疲捎迷擃悊喂芩挠娩摿繉⒋蟠笤龆?，成本急劇增加，所以一般采用角鋼塔等其他形式的塔架結構。

對美化圍欄單管塔自振特性有顯著影響的另一因素是天線組數(shù)和避雷針的重量。美化圍欄單管塔的避雷針安裝在塔身頂部，保護天線及塔身防止雷擊破壞傳輸設備，一般重量在220 kg左右，其構造形式相對簡單。而天線組數(shù)的重量隨其數(shù)量而變化，一般一組天線包含3付板狀天線，重量包括抱桿、天線、RRU等，天線支架因構造不同，重量一般在180 kg～240 kg之間;一般的板狀天線的重量在25 kg左右。在進行有限元模擬計算時，天線支架按每付210 kg，天線重量按每付25 kg，按一組天線包含3付板狀天線計算，每層天支可包含兩組天線，每層天線合計重量360 kg。

傳統(tǒng)的單管塔一般由一個移動運營商使用，每座鐵塔一般有天線兩層。但隨著共建共享基站的日益增多，多家運營商共享一座鐵塔的情況越來越多，多層數(shù)天線的美化圍欄單管塔數(shù)量增加很快，因為增加的天線層數(shù)加重了鐵塔的重量，而且天線都盡量安裝在高處以利傳播信號，所以天線和圍欄一般都安裝在鐵塔的上部，這樣的使用特點使得其重量的變化對美化圍欄單管塔自振基本周期的影響不容忽視。

在有限元模型建模過程中，假設距塔頂2 m設置第一組天線，其余天線組按距上一天線組3 m間距依次向低處設置，同時，為了比對未設置天線組的鐵塔的自振特性，建模時分別計算了無天線組和設置一至四個天線組時相對于不同塔高鐵塔的基本自振周期。

在建模過程中，先結合各有限元軟件的特點，針對美化圍欄單管塔的基本自振周期計算特性，選定有限元分析軟件ANSYS來進行模擬計算。通過對以上鐵塔參數(shù)的分析，本文對無天線組、一組、二組、三組、四組共五種天線組數(shù)和72 m，67 m，62 m，57 m，52 m，47 m，42 m，37 m共八種高度的美化圍欄鐵塔進行了逐一計算。計算時，所采用模型頂部直徑為520 mm，底端直徑隨高度不同而呈線性變化，材質(zhì)采用Q235B，塔身直徑由上而下沿高度的增量按15 mm/m增加，各個高度鐵塔各段的鋼筒直徑和厚度等參數(shù)如表1所示。

表1 塔身各標高對應的直徑和徑厚比

該鋼結構除考慮整體穩(wěn)定以外，還考慮了鐵塔塔身的局部穩(wěn)定。局部穩(wěn)定是為了防止因鋼筒壁厚過薄而發(fā)生塔身局部失穩(wěn)現(xiàn)象。在考慮局部穩(wěn)定時，通過限制塔身鋼筒的直徑厚度比值來滿足，厚度由高向低逐漸增厚，從6 mm增加到底部的14 mm，塔身各段鋼筒的直徑和徑厚比見表1，徑厚比控制在100～115之間，滿足《高聳結構設計規(guī)范》規(guī)定的可不折減強度的最大直徑厚度比值要求。

2 有限元模型計算結果和分析

通過以上近40種類型鐵塔的計算，得到了常用高度和天線組數(shù)美化圍欄單管塔的自振基本周期，詳細結果如表2所示。

表2 不同塔高和天線組數(shù)時的基本自振周期 s

從結果中可以看出，塔身高度在37 m～72 m之間的美化圍欄單管塔，其自振基本周期與塔高和自身重量的變化之間存在著一定的規(guī)律。第一，隨著天線組數(shù)增多，基本自振周期是逐步加長的;第二，雖然隨天線組數(shù)增加時延長了基本自振周期，但是天線組安裝高度是不斷下降的，天線組數(shù)對美化圍欄單管塔周期的影響權重是不斷下降的;第三，鐵塔高度越高，自振基本周期是呈線性增長關系加長的。這樣的結果是基本符合結構動力學規(guī)律的。

3 結語

在日常的設計工作中進行鐵塔自身動力特征分析和風荷載計算時，對于美化圍欄單管塔來說，風荷載是該類結構的控制荷載，準確的確定結構基本自振周期對于正確確定風荷載是至關重要的，本文通過對典型結構的分析，利用有限元計算軟件ANSYS對該類結構進行模擬分析，對于常用塔高和天線組數(shù)的美化圍欄單管塔的自振基本周期，并從中總結出一定規(guī)律。為美化圍欄單管塔更準確的動力特征分析、更快捷地估算自振基本周期做了有益的探討。同時，本文的結論也可作為實際工程設計中準確地計算風荷載的有益參考。

［1］GB 50009-2012，建筑結構荷載規(guī)范［S］.

［2］GB 50135-2006，高聳結構設計規(guī)范［S］.

［3］GB 50017-2012，鋼結構設計規(guī)范［S］.

［4］沈之榮，倪 陽，徐華剛.鋼結構單管通信塔自振基本周期的研究［J］.特種結構，2008，25(2):27-28.

［5］朱彥鵬，穆宇亮.輻射式張弦桁架結構的自振特性分析［J］.四川建筑科學研究，2009，35(1):55-58.