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如何设计带有长悬臂监控杆通信塔

编辑:扬州市朗旭照明科技有限公司时间:2019-07-19

目前城区通信基站建设普遍存在选址难问题,与城市基础设施协同建设,可解决基站建设选址问题,加快建站速度。本文在已有传统基站设计的基础上,提出带有长悬臂监控杆的通信塔,不仅满足通信塔的要求,而且具备道路监控功能,为基站建设提供新思路。文中通过计算和仿真分析了此类通信塔的结构合理性和可行性,旨在为建设市政一体化基站提供参考。

1 引言

城市市区通信基站的选址和建设难度越来越大,且各类杆路林立,影响环境美观。已建的通信基站往往也未经城市规划批准,随着城区面积扩大,存在基站搬迁、拆除等问题。通信基站和道路监控杆、路灯杆等在城市建设中都是必不可少且广泛分布的,若能将新建基站的规划建设和城市基础设施的杆件协同设计实现资源共享,则可以较好的解决基站选址难及城市立杆较多的问题,也能大大减少基站搬迁等不稳定因素。建设市政一体化基站,实现城市基础设施的共建共享,不仅加快城

市向智慧城市的迈进步伐[1] ,而且可一定程度上减少政府投资,节约土地资源。

目前通信基站的建设在满足运营商网络覆盖要求的同时也尽量满足建设场景的功能需求,如景观造型、路灯照明、监控等。目前利用道路监控用长悬臂监控杆来悬挂运营商天线较少应用,此类监控杆设计为 T 形或Г 形,立杆高度不满足天线挂高要求。长悬臂监控杆因横臂较长,其上悬挂设备较多,一般需要较粗的立杆和较大的基础来满足整个结构的抗倾覆设计。本文提出将长悬臂监控杆和通信塔联合设计,在监控杆的建设位置建设通信塔,利用通信塔及其基础满足监控杆横臂的承

载力和抗倾覆要求。

2 带长悬臂监控杆通信塔的结构与设计

2.1 设计思路

道路监控杆的监控臂,一般 4 ~ 12 m 长、6.5 ~7 m 高,其上主要安装监控设备和道路标志等。监控臂的设计可根据监控道路宽度确定其长度,依据使用单位需安装设备的大小和重量确定其荷载,本文仅考虑监控臂上安装监控设备。通信塔的高度依据天线挂高确定,并可根据周围环境选择合适的塔型,荷载主要为天线设备和塔身的风荷载,风荷载为计算控制荷载。监控臂通过法兰连接节点将荷载传递给塔身,设计模型如图 1所示。


结构设计需满足相关技术要求,塔顶位移满足 1/40塔高。监控臂的挠度限值需满足其上安装设备的要求。由于监控臂在重力荷载作用下,杆端有向下的初始挠度,并且横臂越长,杆端竖向位移越大,因此需从连接节点处对监控臂进行结构预起拱,预拱度可根据横臂长和监控臂安装设备的重量来确定。通信塔和监控臂均采用变截面悬臂梁模型。由于塔身和监控臂是变截面构件,建模时将其划分为管径不同的等截面构件计算,每段划分长度不大于 3 m,采用每段杆件中间的直径和壁厚来定义模型的每段构件截面,塔底采用刚性约束固定,横臂与塔身连接节点采用刚接,将天线、监控设备、避雷针等的自重及风荷载以节点集中力的形式施加于结构上。塔身及监控臂按照粗糙圆计算,体形系数取 0.9 [2] ,其承受风荷载采用杆件导荷载作用于结构。通信塔塔身截面采用正十二边形,监控臂截面采用正八边形。在风荷载或地震作用下,此类结构最不利受力方向有两种工况,如图 2 所示。

两种工况的控制荷载组合均为 1.2 恒载 +1.4 风荷载。

2.2 模型计算

以 0.45 风压 20 m 高带长悬臂监控杆的通信塔为例,考虑在塔顶设置一副集束天线,塔身设置 2 层 6 副天线。集束天线迎风面积为 1.8 m 2 ,每副板状天线迎风面积为 0.6 m 2 ,每副 RRu 迎风面积为 0.2 m 2 。塔身距地面 7 m 处设置 9 m 长监控臂,其上每间隔 1 m 的节点上设置两个监控设备近似考虑荷载。每个设备迎风面积为 0.1 m 2 ,重量为 0.1 kN,共计考虑 6 个节点的荷载。结构设计使用年限为 50 年,地面粗糙度为 B 类[3] ,抗震设防烈度为 8 度,结构主体材料采用 Q345 钢。

2.3 计算结果对比分析

通信塔计算需满足塔身强度和塔顶位移两个指标,分别计算 X 方向风向(工况一)和 Y 方向风向(工况二)

作用下结构塔脚反力、塔顶位移及自振周期等指标,并采用未加监控臂的单管塔模型做对比模型, 计算结果对

比见表 1。




从结构受力的两种工况计算结果可以看出,X 方向风荷载作用下(工况一)通信塔上部结构承受的风荷载和监控臂的风荷载效应发生叠加,此时塔脚反力、塔顶位移及监控臂杆端位移均最大,为上部结构承载力设计和下部基础设计的最不利工况。带监控臂通信塔的塔脚反力较对比通信塔模型塔脚反力增加 8.7%。由此可得,监控臂对地脚锚栓及铁塔基础的设计影响较小,并且通信塔越高,监控臂产生的荷载占比会越小,反之则越大。

3 连接节点的设计及分析

对于监控臂根部法兰设计可依据单管塔法兰设计方法,法兰螺栓连接计算可根据高强螺栓群承受剪力和弯矩的计算方法。对于节点在塔身上的连接节点是保证整个结构协同工作的关键,需保证足够的可靠度。