《新编通信铁塔设计、制造、安装、维护、质量检测及通用标准实用手册》

1、新编通信铁塔设计、制造、安装、维护、质量检测及通用标准实用手册第一章 绪论 第一节 通信塔的特点 通信塔是装设通信天线的一种高耸结构，其特点是结构较高，横截面相对较小，横向荷载起主要作用，是一种细长构筑物。通信塔上的通信天线，一般有移动电话天线、寻呼机天线以及各种行业的通信天线，近年来随着社会信息化日益成熟，各种新的通信技术不断涌现，特别是蜂窝式移动通信技术的发展，引起了我国通信塔建设的热潮。 用量最多的蜂窝式移动电话基站通信塔，由于布点和覆盖面的需求，通常相隔一定间距建造一座，塔高约3060m，塔上有23层，互距56m的圆形工作平台，平台外缘均匀分布612幅通信天线(图1-1)。这种通信塔遍

2、布城乡，数量惊人。 移动天线的通信塔对结构位移要求不高，只需要满足规范规定的高耸结构水平位移限值。如果通信塔上装设微波天线，兼作微波塔，则对结构位移要求就高很多，还必须满足方向性较强的工艺要求。 第二节 移动通信天线工艺 各种通信天线对通信塔有不同的工艺要求。常用的蜂窝式移动电话基站通信天线形式一般有全向天线、定向天线、双波天线三种，见图12。 定向天线和全向天线的天线参数见表11。第二章 桁架塔选型和构造 第一节 桁架塔的选型 一、桁架塔平立面形式 通信塔最常用的结构形式就是空间桁架塔，其平面形式多数是正三角形或正四边形，见图21。 空间桁架构件常用角钢和钢管，故有角钢塔和钢管塔之分。国产角

3、钢基本是直角角钢，很少有内角60°角钢，因此角钢塔基本上采用正四边形截面，便于腹杆连接。钢管构件则灵活得多，钢管塔有正三角形和正四边形截面。 由于角钢的最小回转半径很小，大约只有边宽的15。如采用单角钢构件必须考虑其构件长细比的限值，因而角钢塔的腹杆形式多用再分式(图21a)，以减少构件的自由长度。钢管的回转半径约为其直径的13，比角钢大很多，因而钢管塔的节间可拉开，采用单斜杆或十字交叉腹杆体系是恰当的(图21b、c)。 桁架塔构件还可用圆钢做主肢或腹杆，其优点是材料价格较低，圆形截面风阻力较小，用在十字交叉腹杆中作为预应力柔性斜杆(用花篮螺栓)较好，若用于主肢，大直径圆钢材质较差，

4、不经济。 二、预应力柔性腹杆的应用 钢塔的腹杆有刚性斜腹杆和预应力柔性斜腹杆之分，后者迎风面积较小，杆件长度不受长细比限制，因而采用预应力柔性斜腹杆的用钢量较刚性斜腹杆为少。 塔架作为悬臂结构，塔身弯矩和剪力都是沿塔身高度向下而递增，弯矩的增量呈抛物线形式变化，剪力的增量则呈一次线性关系。因此塔柱内力(主要承受塔身弯矩)呈二次曲线，斜杆内力(主要承受塔身剪力)呈线性变化。 桁架塔下部塔柱受力很大，斜杆受力相对很小，下部斜杆较长时用预应力柔性斜腹杆是较经济的。 柔性斜杆最好采用预应力，一方面避免柔性斜杆一旦受压退出工作，另一方面非预应力柔性斜杆有长细比限制，而预应力斜杆则无长细比限制。此外预应力

5、柔性斜腹杆塔的刚度较非预应力斜腹杆塔要大，因此若采用柔性斜腹杆最好施加预应力。 第二节 角钢塔结构构造 一、角钢塔的优缺点 四边形角钢塔是国内最常用的通信塔结构形式，其优点是连接构造简单，加工安装方便，质量容易控制，外形坚实敦厚。由于角钢回转半径较小，为了控制杆件长细比，减小构件自由长度，设立再分式腹杆，增加了许多辅助杆件，因此加大了用钢量。另外角钢的体型系数较大，不受力的辅助杆件增加了塔的挡风面积，造成了较钢管塔大得多的风弯矩，用钢量和基础造价也相对较大。 二、角钢塔立面选型 通信塔是悬臂结构，塔身立面合理选型是抛物线型。一般底部根开(边宽)与高度比在1516时较为经济。5060m高的通信塔

6、底部边宽为810m时，其综合造价相对较低，如果因场地限制，塔的底部边宽缩小，腹杆用料缩短，重量减轻，但基础造价增加，其综合造价可能上升。因此在确定结构立面选型时，当塔高确定后，可根据地质情况、风荷载大小来选取塔的底部跨距，地基较差和风压较大时，塔底跨距较大，可以降低铁塔的整体投资。 四边形角钢塔顶部边宽一般以600mm为最佳，使装设通信天线的平台位移不致过大，如采用外爬梯，考虑爬梯上人空间，角钢塔顶部平面边宽最好不小于1000mm。 角钢塔的造型也要尽量考虑美观，抛物线造型要求塔柱的斜率从下到上逐步降低。整个塔的曲线不应该有较大的突变，斜杆的斜度在45左右受力较为合理。 三、角钢塔塔柱构造 角

7、钢塔塔柱一般选用单角钢，上部受力小町选用Q235钢，下部受力大可选用Q345钢，是根据塔高和风压大小选定的。理论上塔柱长细比A150，实际选用最好不要超过120，因为长细比大厂，受压柱的稳定系数甲较小，柱应力增加很多并不合算。采用再分式腹杆布置可减少塔柱的长细比。第三章 单管塔选型和构造 第一节 单管塔的选型 一、单管塔平立面形式 单管塔是由许多相同斜率锥形圆筒(多边形筒)，长度510m的节段首尾相接拼装起来的。塔身节段之间的连接有内法兰形式和插节形式两种方式(图31)。 用内法兰连接的单管塔，其平截面为圆形，加工时采用横向卷板方式将钢板卷成圆锥形筒体；用纵向焊缝焊牢，再用横向焊缝将2m左右长

8、度的简体拼装成一个节段，在简体两端装上内法兰，以后安装时节段首尾相叠即成。 用插节连接的单管塔，其平面为多边形，加工时通过大型液压机将钢板折成竖向折板形式，通常为1216边形，按照单管塔直径大小，可能有12条竖向焊缝将折板卷筒焊成节段，安装时采用插节形式，上节段从外面套入下节段，采用多边形截面可以防止塔身扭转。 二、单管塔的径厚比 单管塔的塔筒无论是圆形或多边形，其管径D与壁厚t之比(径厚比Dt)较大，可以提高刚度，节约钢材，降低造价，但局部稳定可能满足不了规范的规定。高耸结构设计规范(GB 501352006)规定：单管塔受弯时(压应力 第二节 圆形单管塔结构构造 一、圆形单管塔的优缺点 圆

9、形单管塔的出现将现代通信塔设计推进一步。这种单管塔由许多相同斜率单锥形圆筒，长度为510m节段首尾相接，并用内法兰螺栓拼接起来，使制造和安装大为简化。单管塔的电缆、导线、爬梯等设备均可设在塔内，管壁既是承重结构，又起围护作用，外表光洁美观，还可伪装成大树，美化环境。单管塔的优点是工业化程度高、占地小，其缺点是用钢量稍火，塔身截面小、变形大、刚度不足。 二、圆形单管塔立面选型 圆形单管塔立面是直线型的，其斜率为1217。60m高的单管塔，如果塔顶直径为600mm，则底部直径在13201620mm，单管塔斜率较小，只适用于高度不高、风压力不大的情况。如果高度增加、基本风压加大，其斜率也要加大。表3

10、1表34为常用的斜率为1417的单管塔合适的外径和壁厚尺寸。 由于各地通信塔的工艺要求不完全相同，当地基本风压、地基情况迥异，选择塔高、塔型(斜率)及连接方式也会有很多差别，表31表34仅供设计单管塔时参考。第四章 拉线塔选型和构造 第一节 拉线塔的选型 一、拉线塔平立面形式 拉线塔的杆身是依靠斜向纤绳(拉线)而站立的，这些纤绳在几个不同方向、不同高度上支持杆身，以保证它的直立和稳定。 站立在中央的杆身，通常是等截面正三角形、正四边形空间桁架，或是独立圆柱形钢管。三方或四方斜向纤绳布置在四周。杆身上有数层平台作为放置移动通信天线或微波通信天线之用(图41)。 二、拉线塔的纤绳布置 拉线塔的纤绳

11、和杆身是同样重要的两个组成部分，纤绳一般对称布置，三方对称或四向对称，平面夹角相同，并且要有足够的预应力，否则桅杆节点因刚度不足，在风荷载作用下易产生变形，甚至失去整体稳定。 影响纤绳布置的因素有层次、数量、倾角、层间距、预应力等。通信塔高度多为5060m，如果是地面通信塔，纤绳层次为23层，至多56层，层数太多不经济。如果是楼顶通信塔纤绳层次为23层较好。 纤绳层次布置决定了桅杆的层间距，两层纤绳之间的高度和杆身的宽度之比为长细比，许多工程实践表明，纤绳层间长细比通常为60100，一般在80左右为最好，根据桅杆高度、纤绳层间长细比要求和杆身宽度的选择，可以合理地确定纤绳层数和层间距。 纤绳倾

12、斜角度以45°为最好，纤绳倾角大于60°，纤绳内力、杆身轴力、节点水平位移都将增加，但占地面积缩小。反之，纤绳倾角小于30°则其利弊正好与前述纤绳倾角过大相反。 数层纤绳可互相平行布置，采用相同的倾角，每根纤绳设一个地锚，或者数层纤绳交于一点共设一个地锚。 若为地面通信塔，采用相互平行的纤绳布置，各自有一个地锚较好。若为楼顶通信塔，高度较小、场地不大，数层纤绳交于一点，共一个地锚较好(图42)。 纤绳的初应力与桅杆的受力、结构的经济性密切相关。一般取o150250Nmm2。初应力较大，桅杆结构整体刚度较好，纤绳节点位移较小，但杆身轴向力显著增加，杆身截面也会增加，

13、并不经济。初应力较小，结构更经济，但在风荷载作用下结构易产生晃动和过大位移，容易失稳。所以纤绳的初应力取值要在满足结构稳定的条件下适当予以降低。若桅杆有数层纤绳，上层纤绳初应力值略大于下层纤绳初应力值较为合理。第五章 计算荷载与作用力 第一节 荷载与作用分类 结构上的作用力习惯上统称为荷载。通信塔上的荷载和作用力可分为三类：永久荷载、町变荷载和偶然荷载。 永久荷载主要包括结构自重、固定的设备重、结构上的物料重、覆盖在基础上的土重、土压力、结构内部的预应力等。 可变荷载有风荷载、覆冰荷载、雪荷载、安装检修荷载、塔上平台活荷载、基础不均匀沉降引起的荷载、常遇地震作用等。 偶然荷载对通信塔来说有可能

14、产生的某种物体撞击、附近的爆炸或罕遇地震作用等。 通信塔结构的各类荷载中，起主要作用的是风荷载，在地震区起主要作用的还有地震作用。 第二节 风 荷 载 一、风荷载计算 作用在通信塔上的风荷载标准值按下式计算： 二、基本风压值 基本风压o是根据全国各气象台站历年来的最大风速记录，按基本风压的标准要求，将不同风仪高度和时次时距的年最大风速，统一换算为离地10m高，自记10min平均年最大风速(ms)。根据该风速数据，经统计分析确定重现期为50年的最大风速，作为当地的基本风速vo，再根据流体力学的伯努利(Bernoulli)公式换算成基本风压o：第六章 桁架塔静力分析 第一节 桁架塔静力计算方法 空

15、间桁架通信塔，无论平截面是三角形还是四边形，无论斜杆是刚性还是柔性，杆件采用角钢、钢管还是圆钢，其结构方案尽管很多，静态分析都是一样的，计算时都假定桁架所有杆件连接节点为铰接，采用整体空间桁架法进行计算。 但是，高耸结构的特点是风荷载起决定作用，计算作用在塔上的荷载时，首先要假定塔架各部分尺寸及其迎风面积，因此一般先用简化方法分析桁架塔，待塔架尺寸、杆件截面都认为合适后，再用精确的整体空间桁架法进行计算，如有必要还可进一步考虑非线性因素计算桁架塔的强度、刚度和稳定性。 简化方法计算空间桁架塔常用平面桁架法、简化空间桁架法、分层空间桁架法以及层单元矩阵位移法等，这些方法可用手算也可用表格化计算机

16、计算，但由于存在多个计算假定而不够精确。随着计算机技术的发展和普及，这些简化的计算方法基本上只用于需要确定空间桁架塔的尺寸、截面时的试算。 第二节 整体空间桁架法 一、整体空间桁架法计算图式 整体空间桁架法以整个塔架为超静定空间体系，所有杆件都是二力杆，不是受轴向拉力，就是受轴向压力，没有弯矩，节点都是理想铰。对于再分式腹杆，都假定为零杆，只起减少塔柱或主腹杆的计算长度的作用。 假定多边形截面空间桁架的空间坐标为x，y，z，坐标原点在塔底截面的中心，其中x、y轴为水平轴，z轴为纵向轴(图61)。 设空间桁架节点i(xi，yi，zi)，第七章 单管塔静力分析 第一节 单管塔静力计算方法 单管塔是

17、一种实腹式的悬臂结构，它的特点是圆管形截面、直上直下、长细比很大、占地很小，因此塔身刚度相对很柔，其结构设计是由刚度而非强度或整体稳定控制的。 单管塔计算方法有两种：第一种是悬臂梁模型，从单管塔整体受力特点出发，将圆筒形塔体简化为线单元，单元刚度为塔身横截面等效刚度，它具有力学概念明确、计算简单、易于编程等优点。第二种是壳体模型，从单管塔的局部受力特点出发，将圆筒形塔体进行实体建模，塔身轴线方向及横截面方向均划分单元。它更符合单管塔的实际受力和变形情况，计算结果也更准确，但是无论编程还是计算，工作量都比第一种方法大很多。 同样高度和截面尺寸以及同样基本风压作用的单管塔，采用上述两种方法计算结果

18、相差不大。第一种方法计算，其顶部位移比第二种方法大5左右，底部应力比第二种方法大3左右，可见第一种计算方法的结果略偏安全保守，对于通信塔工程应用，采用悬臂梁模型的第一种方法是完全可行的。 第二节 单管塔选型设计 单管塔的选型设计是由结构刚度控制的，按照高耸结构设计规范(GB 501352006)规定，塔顶最大位移不超过塔高的1100。在满足这一条件时，单管塔的最大应力不会超过其屈服强度。因此，单管塔选型设计可不必验算钢管的强度。由于单管塔实际是一薄壁壳体结构，只要径厚比满足Dt100×235/f条件也可以保证单管塔的局部稳定。 单管塔最大位移主要是由底部直径、顶部直径以及工艺要求决定

19、的，壁厚t所起的作用较小。单管塔选型设计是一个在满足刚度和局部稳定条件下如何使塔体重量最小的问题，选型设计的途径是调整单管塔底部直径和顶部直径尺寸。 对常用的15 60m单管通信塔在基本风压030060kNm2作用下采用有限元法，进行单管塔选型设计，其中平台类型、数量与图71相同，塔顶直径为600mm。 单管塔的风荷载计算依据高耸结构设计规范(GB 501352006)，将塔全高分成8段，塔身迎风面积可根据节段长度和节段平均直径计算，平台迎风面积可考虑平台实际挡风面积乘以03的镂空系数。计算结果如图72所示，经过线性拟合后得到图73。 通过大量计算显示，同一风压下，不同高度单管塔的底径基本上随

20、高度直线增加，同一塔高下，单管塔底径随风压成折线增加。这说明风压增大造成的荷载增加要小于塔高增加引起的挡风面积增加，进而引起的荷载增加。 根据图73单管塔选型拟合结果可得单管塔底径方程式第八章 拉线塔静力分析 第一节 拉线塔静力计算方法 通信塔采用拉线塔结构形式的比较多，它可建在地面上或架在屋顶上，其优点是轻巧、省料、整体造价较便宜，缺点是占地面积较大。 拉线塔计算方法基本上有两类，第一类是按弹性支座连续梁方法计算，也就是纤绳按柔索计算其拉力，纤绳节点作为弹性支座来计算杆身，这种方法计算高度不大的拉线塔是恰当的，用于初选拉线塔方案和尺寸也是很方便的。第二类是用等效梁单元法计算杆身，也就是将杆身

21、作为压弯构件，用矩阵位移法计算，这种方法不仅考虑了空间作用和非线性特性，还考虑了杆身轴向变形影响，能确切反映纤绳对杆身的作用，满足杆身和纤绳变位的连续条件，具有较高的精确度。 两类计算方法中，前者是简易法，后者是精确法，每一类根据不同的假定还可延伸成其他几种方法，例如考虑空间作用的三向坐标法和杆身为空间桁架的有限元法等。 第二节 弹性支座连续梁法 一、弹性支座连续粱法计算图式 弹性支座连续梁法，将杆身和纤绳分成二组独立构件分别进行计算(图81)。 纤绳为斜挂的柔索，可以单独进行计算，3或4方纤绳组成的节点，根据力的平衡和位移协调可求得各纤绳的拉力和节点位移。桅杆杆身以纤绳节点作为弹性支座，用弹

22、性支座连续梁方法计算各段杆身节点弯矩和位移。 二、纤绳计算第九章 通信塔动力分析和振动控制 第一节 塔的动力特性和计算模型 一、通信塔动力计算模型 通信塔钢结构一般为空间桁架塔、单管塔和拉线塔，无论哪种结构形式，其动力分析的简化模型都是多质点层间弯剪模型(图91)。 空间桁架塔的每层横杆、横膈的平面内刚度较大，在水平荷载作用下，同一层塔架各节点之间的水平位移差值相对于它们的水平位移值很小，可以将塔架的一层看作一个质点，整个塔架的计算模型化为层间弯剪模型，此时可将每一层塔柱、斜杆、横杆、横膈质量集中到相应层上，层点集中在横杆处，各层杆件都假定与横杆铰接。计算等效抗弯刚度时，只考虑塔柱作用，不考虑

23、斜杆作用，但在计算等效抗剪刚度时，则应考虑塔柱与斜杆都起作用。 单管塔的计算模型也可化为层间弯剪模型，每层筒壁质量集中在横膈(法兰盘连接处)，形成多质点结构体系。 拉线塔的计算模型与上述两种塔相同，每层纤绳和杆身质量集中在纤绳节点上，也形成多质点结构体系。 二、通信塔的抗弯、抗剪刚度 1空间桁架塔的抗弯、抗剪刚度 设钢塔截面为m边形，第A层塔柱截面积为Ack图92)，则第A层塔柱等第十章 通信塔的基础设计 第一节 通信塔基础选型 一、通信塔基础结构类型 通信塔基础将上部结构的全部荷载安全可靠地传递到地基，并保持结构的整体稳定，是构成通信塔结构的重要组成部分。 通信塔基础选型及基础布置与上部结构形式、结构布置、外部荷载作用类别、建设场地和地质条件等有密切关系。合理的地基选型和设计，对于降低结构造价，缩短建造周期和保证结构安全可靠至关重要。 通信塔中除了架在屋顶上的楼顶塔之外，落在地面上的有空间桁架塔、单管塔和拉线塔等。空间桁架塔通