基于超设计挂载的通信铁塔共享改造分析

汪正流 汤爱强

中通服咨询设计研究院有限公司

0 引言

中国铁塔股份有限公司整合了三家基础电信运营商的铁塔资源，统筹通信铁塔共建共享，促进了全行业降本增效，有力支撑了我国移动通信网络的快速规模部署。然而，随着通信技术的快速发展，4G、5G 站点大规模建设，单座通信铁塔天线挂载越来越多，多数铁塔挂载已远超原设计挂载。如何有效解决通信铁塔超设计挂载情况下的共享改造，成为当务之急。对常见的通信角钢塔，若发生倒塔引起的后果严重，亟需对此类角钢塔超设计挂载情况下的共享改造进行分析研究。

理论情况下，在铁塔超设计挂载时可对铁塔进行局部加固，使其满足共享改造的安全设计要求。常规格构式塔的加固思路，有研究提出：对于轻型塔，塔面格构形式简单，适合采用增加双拼角钢方法加固构件；对于中型塔，主材适合采用“十字形”双拼角钢加固，斜材适合增加辅助材加固。有研究提出了增设角钢以加固主材的铁塔结构加固方案。还有研究以单根主材为研究对象，应用十字形夹具式主材加固方法，研究夹具数量、夹具间距、副主材长度、螺栓预紧力和摩擦系数等参数对主材极限承载力的影响规律。

这些研究为通信角钢塔的加固设计提供了一定的指导思路，但通常缺乏实操可行性。一般情况下，角钢塔采用变坡形式、整体设计，塔身各主要构件应力比大致相当，超设计挂载情况下，塔身多处构件设计超限，需同时对多处构件进行加固，使得加固成本过大，且塔身构件开孔、安装构件等操作难度大，此类加固实际应用效果差。此外，增加加固构件的加固方案增大了塔身迎风面积，加重了铁塔基础负担，塔身加固后尚需考虑对铁塔基础进行加固。

在通信角钢塔超设计挂载情况下，基于铁塔塔身及铁塔基础整体设计的前提，拟研究采用降低塔身荷载的方式，如拆除天线平台、拆除塔身构件以降低塔高，以期增加铁塔天线挂载能力，在满足结构安全的前提下，以最小的建设成本实现建设需求。

1 某40 米角钢塔计算分析

结合工作经历，本研究特选取设计风压为0.55 kPa 的某40 米角钢塔进行分析。其单线图及塔身主要参数如图1 所示。

图1 某40 米角钢塔单线图及塔身主要参数

该塔设计风压为0.55 kPa，场地设计类别为B 类，设计使用场地为一般平地面。铁塔设计挂载按每层平台挂载3 副通信天线，每副通信天线（含RRU）挡风面积取0.8m2。在现行规范下，采用3D3S 软件对角钢塔建模及计算分析，计算荷载考虑恒荷载、活荷载、风荷载，不考虑地震荷载、裹冰荷载的影响。计算得：铁塔最大自振周期为0.6208 s；塔顶最大位移229.2 mm；塔身构件应力比云图如图2 所示，在原设计挂载情况下，塔身构件最大应力比达到0.986，几乎无挂载余量；铁塔整体倾覆弯矩标准值为3081 kN·m。

图2 原设计挂载下角钢塔塔身构件应力比云图

实际工程中，多数存量角钢塔通信天线挂载过多，达8-10套天线系统。基于实际情况，本40 米角钢塔设定超挂载方案按每层平台挂载9 副天线，每副天线（含RRU）挡风面积取0.8 m2。在设定超挂载情况下，40 米角钢塔主要计算结果如表1 所示。塔身构件应力比云图如图3 所示。

表1 设定超挂载下40 米角钢塔主要计算结果

基于此，对计算结果进一步分析阐述：

（1）塔顶最大位移

对角钢塔而言，塔顶最大位移不是其控制因素，设定超挂载情况下，塔顶最大位移为292.3 mm，远小于533.3 mm 的铁塔塔顶位移限值，后续计算分析中将不再讨论超挂载对铁塔位移的影响。

（2）最大自振周期

相较原铁塔设计，因设定超挂载增加了天线抱杆及通信天线重量，铁塔自振周期由0.6208 s 增大至0.7169 s，铁塔最大自振周期的变化直接影响了风振系数，进而影响计算风荷载值，对塔身构件应力及铁塔整体倾覆弯矩均存在一定影响。基于此，原设计挂载计算时，将铁塔最大自振周期由0.6208s直接调整为0.7169s（通过调整通信天线重量进行调节），其余参数保持不变，计算得：铁塔整体倾覆弯矩标准值为3122kN·m，较3081kN·m 增大了1.35%；塔身构件最大应力比由0.986 增大到1.008，增幅为2.23%，二者增幅极其有限。基于以上数据，计算时忽略因增加通信天线挂载的重量引起的铁塔自振周期的增大对铁塔塔身及基础安全的影响。

（3）最大应力比及倾覆弯矩

设定超挂载情况下，最直观的影响是塔身构件最大应力比及铁塔整体倾覆弯矩。根据本文研究者多年工作经验，多数存量塔原始设计资料缺失，在铁塔共享改造时，多数设计人员往往仅通过建设单位提供的铁塔检测报告对铁塔安全性进行评估，因无法获取铁塔基础设计资料而忽视了铁塔基础的安全性。40 米角钢塔在设定超挂载情况下，塔身构件最大应力比由0.986 增大到了1.297，通过图3 可知塔身多处构件应力比超限，即使不计成本地通过加固塔身构件保证铁塔塔体的安全性，但由于超挂载情况下铁塔整体倾覆弯矩较原设计提高了21.4%（此处尚未计入因加固导致的塔身增加的荷载），铁塔基础设计安全难以保证。

图3 设定超挂载下角钢塔塔身构件应力比云图

通过上述分析可知，在原设计资料缺失的情况下，铁塔共享改造时，不能忽视铁塔基础的安全性，建议首选等荷载替换的方式。下述将对铁塔平台、挂载通信天线、塔身（含爬梯馈线）这几种荷载作用分开阐述，分别计算这几种荷载作用对铁塔整体倾覆弯矩的贡献度，以便在等荷载替换时可快速有效选择方案。

2 改造方案及计算结果分析

根据计算分析，40 米角钢塔设计挂载、设定超挂载时，塔身、铁塔平台、通信天线引起的倾覆弯矩值、总倾覆弯矩值如表2 所示。

表2 应急倒闸时间对比数据表

表2 两种挂载情况下各分项引起的弯矩值（kN·m）

注：依据《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》YDT 5131-2019，单层铁塔平台安装3 副天线时，天线挡风面积折减系数取0.85；单层铁塔平台安装6 副天线时，天线挡风面积折减系数取0.75；单层铁塔平台安装9 副天线时，天线挡风面积折减系数取0.7。

原设计挂载时，塔身引起的倾覆弯矩占总倾覆弯矩的75.9%，塔身起主要控制作用；3 层铁塔平台引起的倾覆弯矩仅占总倾覆弯矩的10.7%；3 层共计9 副通信天线引起的倾覆弯矩占13.4%，略高于铁塔平台引起的倾覆弯矩。

天线超挂较少时，可采用拆除铁塔平台的方案：拆除单层平台，单层3 副通信天线增设至6 副，天线挡风面积折减系数由0.85 调整至0.75，设计由单层3 副通信天线共2.4m2调整至单层6 副共4.5m2，不影响铁塔塔身及基础的安全性。

若通信天线超挂过多，按上述设定的单层9 副通信天线的超挂载计算时，3 层铁塔平台均拆除后，铁塔总倾覆弯矩仍达到3406kN·m，比原设计挂载时的铁塔倾覆弯矩大10.5%，表明仅通过拆除铁塔平台已无法满足天线挂载要求。此时，需综合考虑解决方案，如降低塔高、降低天线挂载高度。综合考量实际情况，拆除塔顶段5米高度，将铁塔总高降低至35米，拆除第一、第二层铁塔平台（仍保留第三层平台，便于施工维护），仍按3 层通信天线（每层挂载9 副通信天线）考虑，第1、2 层通信天线挂高分别为34 米、31 米，第三层通信天线仍挂于第三层平台上。此时，各分项引起的弯矩值如表3 所示，塔身构件应力比云图如图4 所示。

图4 拆平台将塔高超挂载下塔身构件应力比云图

表3 拆平台、降塔高后各分项引起的弯矩值（kN·m）

将塔高降低至35 米后，仍保留了一层铁塔平台便于后期维护操作，第1、2 层的通信天线挂载高度略有降低，一般情况下仍可满足覆盖要求。在设定超挂载情况下，塔身构件最大应力比为0.875、铁塔总倾覆弯矩仅为原设计倾覆弯矩的94.7%，说明铁塔挂载尚存一定安全余量。在基本不影响通信天线挂载使用的前提下，保证了铁塔塔身及基础的安全，且后续仍可继续共享改造。

3 结束语

根据有限元计算结果，通过塔身、铁塔平台、通信天线引起的倾覆弯矩计算值对比分析，得出相关结论：（1）铁塔上加设通信天线等设备时，会导致铁塔最大自振周期增大，但铁塔总倾覆弯矩及塔身构件应力的增大极其有限，可以忽略因铁塔自振周期增大对铁塔安全性的影响；（2）铁塔平台引起的倾覆弯矩相对较小，在铁塔超过原设计挂载较少时，可以拆除铁塔平台，直接在塔身加挂通信天线，拆除一层铁塔平台后可在对应位置加挂3 副常规通信天线；（3）铁塔超过原设计挂载过多时，仅通过拆除铁塔平台无法保证铁塔的安全性，通过有效措施降低塔高，在基本不影响通信天线挂载使用的情况下，仍可保证铁塔安全。