三管塔塔柱斜率对基础反力影响初探

穆宇亮 周 珊

（河北蓬荣检测技术服务有限公司 河北石家庄 050000）

三钢管式铁塔，简称三管塔，属于常见铁塔形式的一种。铁塔结构是由三根钢管作为铁塔塔柱，由角钢或钢管连接塔柱组成的格构式铁塔结构。三管式铁塔具有塔柱承载力强、根开小、迎风面积小、风荷载挡风系数小等优点。另外，桁架式铁塔天然具有运输和安装方便、建设周期短、占地面积小、节省建设用地等优点。所以在实际工程中，三管塔得到了广泛的应用。

设计阶段，三管塔在前期方案设计阶段需要根据设计高度、基本风压、铁塔载荷等因素进行塔身选型，确定三管塔的整体立面尺寸。合理地进行塔身选型，既可以满足铁塔在设计风压、规定荷载情况下整个塔身的承载力及变形要求，又可以达到减小铁塔基础反力，从而节约基础混凝土用量及造价的目的。但是，三管塔塔身合理选型是一个需要考虑多种因素的过程。铁塔外形会影响塔身风荷载的大小，风荷载又反过来影响铁塔的受力，所以铁塔塔身选型应该是一个反复试算的过程，设计人员在铁塔选型时要有迭代优化的思想。

塔身根部主材间距离，又称为铁塔的根开，确定该参数需要考虑的因素涉及设计高度、基本风压、铁塔载荷、铁塔占地面积等因素，并且塔身选型会影响铁塔基础反力，铁塔的基础反力包括简化至塔脚平面形心处的压力、剪力、弯矩及单个塔脚最大压力、最大拉力等，相同情况下不同的铁塔外形会引起铁塔基础反力的变化，而不同的基础反力对基础的设计影响很大，从而导致包括基础尺寸、基础混凝土用量以及铁塔基础建设成本的变化。所以，铁塔选型要考虑对基础反力的影响，能够合理地进行塔身选型是减小基础尺寸、控制基础成本的重要手段，这就要求通过大量细致的实际观测和计算机模拟计算进行总结，并在此基础上得出合理的设计数据以指导实际的设计工作。

1 三管塔塔柱斜率及结构分析模型

铁塔塔身选型需要考虑的因素多而繁杂，而铁塔选型会明显的影响基础的设计和造价。这就需要大量的模拟试算并通过比较确定合理的塔身整体外形。

影响铁塔基础反力的主要因素有设计高度、基本风压、铁塔载荷等。铁塔设计高度一般由天线挂高决定。基本风压由铁塔所在的地区决定，并与当地地形地貌有关。铁塔所受荷载主要为横向风荷载，包括铁塔自身所受的风荷载和铁塔上安装设备的风荷载。除了铁塔自身所受的风荷载，塔身平台及安装天线的风荷载是铁塔的主要荷载。塔身平台主要是为安装天线提供支撑和安装操作空间，三管塔的外平台一般为圆形，由角钢、槽钢、钢筋或钢板组成，平台栏杆上安装天线抱杆。平台的重量一般在550 kg左右，天线抱杆因构造不同，重量一般在55到65 kg之间，一般的板状天线的重量在45 kg左右。

铁塔计算模型采用塔身高度40 m，塔身安装三层圆形外平台，分别安装在塔身标高38 m、33 m、28 m处，每层平台安装6付天线抱杆，每付抱杆安装1付0.6 m2挡风面积的天线和1付0.2 m2挡风面积的RRU设备。平台重量按600 kg，抱杆按每付50 kg，天线和RRU重量按每付40 kg，按每层平台安装6付天线支架和6付天线计算，每层平台、抱杆、天线和RRU合计重量1140 kg。

实际工程应用中，塔体顶部的主材间距一般取1.2 m左右。考虑到安装平台等的因素，一般顶部取10-12 m主材没有坡度的直线段，塔柱自直线段以下开始有坡度。本文的计算模型塔身顶部主材间距1.2 m，直线段长度12 m，自塔身标高28 m处向下进行主材放坡。

塔柱斜率是影响塔身选型的重要因素。铁塔的塔柱斜率指塔柱在高度方向每延米增加的宽度，单位为毫米/米（mm/m）。其公式表达为：

式中Bd为塔段下端主材间距、Bu为塔段上端主材间距、L为塔段的高度。

公式中各参数含义见图1：

图1 塔柱斜率示意图

实际工程中，通讯三管塔常见的塔柱斜率为60 mm/m、70 mm/m、80 mm/m、90 mm/m、100 mm/m、110 mm/m等多种。

模型的建立和计算采用同济大学3D3S钢结构设计软件，三平台三管塔设计模型见图2。

图2 三管塔计算模型

对于铁塔模型的基本风压，采用较为常见的0.35 kN/m2、0.45 kN/m2、0.55 kN/m2和0.65 kN/m2。

2 基础反力计算结果及分析

通过大量的模型计算，可以得到不同塔柱斜率和不同风压下的三管通信塔计算结果。如表1到表5所示。

表1和图3是不同塔柱斜率和风压作用下简化至塔脚平面形心处标准组合压力值。可以看出，随着塔柱斜率的增大，压力有增大的趋势，但幅度并不大。这说明塔柱斜率的增大对简化至塔脚平面形心处标准组合压力值影响不大。

图3 简化至塔脚平面形心处标准组合压力值（kN）

表1 简化至塔脚平面形心处标准组合压力值（kN）

风压的增大会增加基础压力，增大的幅度与风压增大的幅度相近。

表2和图4是不同塔柱斜率和风压作用下简化至塔脚平面形心处标准组合剪力值。可以看出，塔柱斜率在60-100mm/m范围内，随着塔柱斜率的增大，铁塔总剪力是逐渐减小的，大约减小5%-10%。而塔柱斜率在100-110 mm/m范围内时，铁塔总剪力是略微增加的。

表2 简化至塔脚平面形心处标准组合剪力值（kN）

图4 简化至塔脚平面形心处标准组合剪力值（kN）

表3和图5是不同塔柱斜率和风压作用下简化至塔脚平面形心处标准组合弯矩值。可以看出，随着塔柱斜率的增加，塔身总弯矩值是略有减少的趋势。这说明随着铁塔主材间距的增大，塔身总剪力的减小也同时导致塔身总弯矩的减少。

图5 简化至塔脚平面形心处标准组合弯矩值（kN.m）

表3 简化至塔脚平面形心处标准组合弯矩值（kN.m）

表4和图6是不同塔柱斜率和风压条件下一个塔脚压力标准值。通过图表可以看出，最大单个塔脚压力值随着塔柱斜率的增加和铁塔根开的增大是逐渐减小的，这说明随着根开的加大，抵抗外荷载弯矩的力臂增大，从而减小了单个塔脚力。由此可以得出采用塔柱斜率大的方案可以减少基础反力，从而降低基础方量和造价。

图6 不同塔柱斜率和风压条件下一个塔脚压力标准值（kN）

表4 不同塔柱斜率和风压条件下一个塔脚压力标准值（kN）

表5和图7是不同塔柱斜率和风压条件下一个塔脚拔力标准值。由图表可以看出，最大单个塔脚拉力值随着塔柱斜率的增加和铁塔根开的增大是逐渐减小的，其减少的原理与最大单个塔脚压力值相同，抵抗外荷载弯矩的力臂增大减小了单个塔脚力。同样地，这说明如果采用塔柱斜率大的方案可以减少基础反力，达到降低基础尺寸和建造成本的目的。

表5 不同塔柱斜率和风压条件下一个塔脚拉力标准值（kN）

图7 不同塔柱斜率和风压条件下一个塔脚拉力标准值（kN）

3 结论及设计建议

通过对一种通讯三管塔在不同风压和塔柱斜率参数情况下模型的计算，对结果的分析得出在不同塔柱斜率和基本风压下包括铁塔基础简化至塔脚平面形心处标准组合压力、剪力、弯矩及单个塔脚最大压力、最大拉力等的基础反力。通过数据分析可以得出：

（1）随着塔柱斜率的增加，简化至塔脚平面形心处标准组合压力值有增大趋势，但幅度不大。这说明塔柱斜率的增大对其影响不大。而风压的增大会增加基础压力，增大的幅度与风压增大的幅度相近。

（2）随着塔柱斜率的增加，简化至塔脚平面形心处标准组合剪力值在塔柱斜率60-100 mm/m范围内时，随着塔柱斜率的增大，铁塔总剪力是逐渐减小的，大约减小5%-10%。这说明塔柱斜率的增加虽然增加了塔身受风面积，但同时也增大了塔身刚度，减小了风荷载中顺风向风振系数使得铁塔总剪力下降。而塔柱斜率在100-110 mm/m范围内时，铁塔总剪力是加大的，这说明塔柱斜率在大于100 mm/m时，铁塔挡风面积增加的荷载大于风荷载中顺风向风振系数减小的部分，导致基础总剪力的增加。

（3）简化至塔脚平面形心处标准组合弯矩值随着塔柱斜率的增加，塔身总弯矩值是略有减少的。这说明随着铁塔主材间距的增大，塔身总剪力的减小也同时导致塔身总弯矩减少。

（4）最大单个塔脚压力和拉力值随着塔柱斜率的增加是逐渐减小的，这说明随着根开的加大，抵抗外荷载弯矩的力臂增大，从而减小了单个塔脚力。这说明如果采用塔柱斜率大的方案可以减少基础反力，从而降低基础方量和造价。

综上所述，通过对不同塔柱斜率参数的结构建模计算分析，可以得出在本模型荷载情况下，塔柱斜率60-110 mm/m范围内，三管塔塔柱斜率取100 mm/m时基础所受简化至塔脚平面形心处标准组合压力值、剪力值、弯矩值及最大单个塔脚压力和拔力值等基础反力综合受力较小，在此情况下设计基础可达到减小基础尺寸，节省基础建设成本的目的。