1、新型钢管通信塔的设计实践研究摘要：随着经济的发展，通讯业的不断发展，对通信塔的要求越来越高。本文就设计过程中通过实例的分析，对结构形式、风荷载计算、结构分析及节点构造等进行了研究和优化，取得了较为理想的成果。 关键词：新型钢管；铸钢；球节点 中图分类号：U465.1+2 文献标识码： A 一、概述 某综合通信塔是一座由电信、移动、网通等多家通信运营商共同筹建的集约化移动通信塔，位于芦潮港东海大桥西侧的海堤边。由于地理位置靠近东海大桥和芦潮港港口，周边环境较为空旷，从环境美观和协调方面考虑，东海大桥芦潮港综合通信塔与普通的通信钢结构塔就结构形式上有很大的不同，此塔结构形式较为新颖，美观。综合塔的
2、总高度为 90.75m,全钢管结构，塔从下到上整体结构分为四个区段，30m 以下为4 根各自独立的断面为长方形的四管桁架塔柱，这 4 根塔柱 30m45m 区段内交汇成断面为十字形的空间桁架结构，45m78.75m 区段为断面为正方-形的四管塔桁架结构，78.75m 以上为 12m 高避雷针。 根据初步的检索，这种下部为 30m 高的独立塔柱的钢结构塔，国内尚未见有资料介绍。在设计过程中，对塔体结构形式、风荷载计算、塔体结构分析及塔柱交汇节点构造等进行了研究和优化，取得了较为理想的成果。 二、结构形式及构件布置 综合通信塔的结构特点在于塔的上部和下部采用了不同的结构形式:30m 以下为 4 个
3、独立由 4 根钢管组成的断面为长方形的桁架塔柱，在 4 个塔柱之间没有任何联系构件，30m 处塔柱靠里面的 2 根钢管和相邻 2 个塔柱相应位置处的钢管交汇在一起，在 30m 和 45m 之间 2 根钢管汇交成 1根钢管。45m78.75m 区段为断面为正方形的一般的四管塔结构，30m45m之间实际上是连接上下两部分塔体的过渡结构。从结构安全及经济指标角度来看，如何具体确定各区段的结构形式及构件布置，是十分重要的。在设计过程中，进行了多方案比较，主要集中在独立塔柱的断面形式、45m78.75m 区段塔柱的结构选型及 45m 以下各个塔柱的断面形式。 最后采用的独立塔柱的断面形式为矩形平面的空间
4、钢管桁架，矩形的正面宽度不变，而侧面宽度根据建筑的塔柱外轮廓曲线要求有所变化。这 4 根塔柱在 30m45m 区段内汇合成十字形空间桁架结构;在标高 30m 处，这 4 根塔柱内侧的 8 根钢管，每 2 根汇交成 1 根钢管。很显然，这 3 根钢管的交汇处，存在两个问题:一是应力集中，二是节点构造复杂。对这两个问题的具体应对措施，本文将在下面另行说明。独立塔柱的另一种断面形式是三角形平面的空间钢管桁架(图 3)，三角形的一个顶点朝向塔心，三角形的正面宽度不变，而侧面宽度(三角形的高)根据建筑的要求有所变化。这样，4 根塔柱在 30m45m 区段内汇合成八边形的空间桁架。二角形顶点处的 4 根钢
5、管和 45m 以上的四管塔直接连接。这种做法构件布置简洁合理，基本上避免了前述的缺点。但由于建筑立面不太理想，最终未被采用。 45m 以上的塔架要支承 6 个工艺平台，可以做一般的四管塔，也可以做单管塔。经过计算，如果设计成单管塔，单管底部外径为 1800mm,如果需要满足单管塔塔座的法兰盘连接构造要求，30m45m 之间的过渡结构中间的 4 根钢管组成的正方形断面的轴线尺寸至少要达到 2200mm 以上，加大了整个铁塔的轮廓尺寸，塔脚的根开随之增加了将近 1m 左右。因此同样由于建筑立面不太理想的原因而予以否定。当然，如果上部采用单管塔，则单管塔支座的节点构造及安装工艺比较复杂，也是应该特别
6、注意的。 此外，该塔主要构件为钢管，通常钢管之间的连接采用法兰连接。综合考虑吊装能力、钢结构加工水平和镀锌加工设备的条件等各方面因素，对部分塔段的正面，钢管采用焊接连接，使立面构造较为简洁，减少了现场安装工作量。 三、风荷载计算及结构分析 综合通信塔最初的建筑方案，下部 4 根独立塔柱及上部的工作平台，都用铝合金穿孔板做外装饰 包装起来。考虑到作为一种新型钢结构塔，在风荷载计算及结构分析方面必须作深人的分析和研究，方可保证计算的准确和结构安全。 在风荷载计算时，笔者认为，由于此塔结构体型特殊，尤其是对于下部 4 根独立钢管桁架塔柱的风荷载计算，在挡风载计算，给予了可靠的支持。 在最初的建筑方案
7、阶段，根据数值风洞模拟的结果，采用 SAP84(6.0)对塔体进行了全面的结构分析。为保证计算的可靠性，采用 3D3S8.0 钢结构分析软件作了校核。校核的结果表明:两个计算软件的计算结果基本吻合，采用 3D3S8.0 计算时仅有 2 根横杆的应力比稍大于规范规定的限值。在最终建筑方案确定后，采用 SAP84(6.0)创建了计算模型，并进行了结构计算分析。计算表明，由于取消了下部 4 根塔柱的铝合金穿孔板外装饰，挡风面积减少，从而使铁塔结构用钢量减少了 26%，取得了一定的经济效益。 四、主要节点构造 本设计中，塔架的主要节点构造有两处:(1)在标高 30m 处，3 根钢管(主柱，未包括其他腹
8、杆)的交汇节点;(2)上部四管塔在 45m 平面的嵌固。因为铁塔的特殊结构形式，产生了标高 30m 处的交汇节点，这在一般的钢结构塔设计中不常见到。最初考虑采用铸钢节点，有专家建议采用面积、风荷载体型系数等方面都存在不确定性，也就是塔的风压分布无法直接从我国规范或有关可靠的资料中查到。为了求得较为准确的结果，委托同济大学作了“数值风洞模拟试验” 。 同济大学的报告提供了供结构设计用的下部桁架塔结构外表面各层平均风压平均值及上部结构的二分力，同时还提供了供参考用的下部桁架塔结构等压线。虽然，最终取消了下部塔架的铝合金穿孔板外装饰，但数值风洞模拟的结果对本设计的风荷焊接球节点，最后在钢结构制造厂的
9、推荐下，采用铸钢球节点。铸钢球节点兼有两者的优点:减少应力集中程度，降低构件加工制造难度，减小球节点的尺寸等。 铸钢球节点的制造加工厂引进德国技术，采用优质低合金高强度的钢种，参照德国标准 DIN17182，材料牌号:GS-20Mn5V。其机械性能和化学成分与我国的钢材牌号 Q345 钢基本一致，而大大优于我国常用的铸钢件的钢号。该厂具有相当数量的钢塔结构和普通钢结构应用德国钢铸件的工程实践经验。通过对钢结构施工图的研读，结合铸钢工艺，将各个支管按壁厚模拟实体，进行只维综合分析。 经过本工程的实际应用，笔者认为铸钢球节点兼有铸钢节点和焊接球节点的优点，外观效果也比较好，是处理类似钢结构节点的一
10、种较为理想的手段。 上部四管塔在 45m 高处平面的可靠嵌固，是保证整个塔架结构安全的重要节点。计算表明，上部四管塔底部的塔柱钢管断面是小 426x20，与此相连的 45m 以下的塔柱钢管断面依次为小 426x16,中 325x10,中237x10,小 237x10(计算单元高度为 2.5m)，在设计中，适当加大了45m40m 范围的塔柱断面，采用与上部四管塔底部的塔柱钢管断面相同的材料，以降低塔柱钢材的实际应力，避免了应力突变。 总之，对于常规的通信塔结构形态来说，该塔的设计是对一种新型钢管塔的一次实践探索。(1)通过方案的比较 O1 对新型钢管塔的结构设计进行了优化;(2)因地制宜，塔面采用整体式焊接 4 个塔脚整体式员装;(3)在众多杆件交汇、应力集中的节点处采用了铸钢球节点。 参考文献 1黄本才，汪从军.结构抗风原理及应用M.:同济大学出版社，2008. 2高耸结构设计规范 GBJ135-90 北京:中国计划出版社，2007. 3王肇民，马人乐等编著S.塔式结构M.北京科学出版社,2004.
