新旧TIA杆塔设计标准的风荷载比较分析
时间：2023-01-20 22:30:02 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
许扬欢
（广东省电信规划设计院有限公司，广东 广州 510630）
随着电信行业的革命性发展，格构式塔架已在世界各地大量使用。通信塔的最佳类型是格构式塔，该类型杆塔可方便天线的布置。2005年，TIA 发布了标准TIA-222-G，此标准受到国际专家的高度赞赏，并广泛用于风荷载和地震荷载下的通信杆塔结构分析和设计，其采用的基本风速为3 s 阵风风速。2018年，TIA 发布了最新标准TIA-222-H，该标准规定了新的结构设计和制造方法，涵盖现有天线支撑结构、支架、结构部件、拉线组件和基础的修改要求。TIA-222-H 根据风险类别使用极限风速，因塔架和桅杆等结构对风荷载十分敏感，因此需重新考虑风荷载对格构塔的影响。目前世界上大多数现有塔架结构都是按照TIA-222-G 标准建造的，虽然最新标准上指出“最初根据本标准先前版本设计的现有结构不受本标准规定的约束”，但截至目前，还没有太多的研究分析当使用最新标准分析塔架结构时，构件轴向力发生了多大的变化。
本文主要研究塔身、附件和其他结构的风荷载计算，并根据TIA-222-G 和TIA-222-H 标准比较风荷载引起的构件轴向力变化。
为了更好地进行比较研究，以下仅考虑恒荷载和风荷载，准备并分析了两个塔架模型。塔架上的恒载保持不变，而风荷载根据TIA-222-G 和TIA-222-H 标准计算和施加。
1.1 塔架结构
本研究对40 m 高四脚格构塔进行分析，塔底部宽度为2.8 m，顶部宽度为1 m。塔架以10 m 为一个塔段，共分为4 个塔段，塔段斜杆采用双斜杆交叉形式，每隔5 m 设置横杆，塔面面积Ag从上到下每隔10 m 分别为：10 m2、13 m2、19 m2、25 m2。
1.2 分析软件
杆塔的3D 模型建立在STAAD Pro V8i 结构分析软件上，塔架模型在软件中定义为空间框架，所有节点都作为铰接点，塔脚采用铰支座。附属构件钢材弹性模量[1]E=200×106kN/m2。塔架分析考虑4 种荷载组合，均按照0°和45°风分别考虑。
TIA-222-G：①1.2D+1.6W0；
②0.9D+1.6W0。
TIA-222-H：①1.2D+1.0W0；
②0.9D+1.0W0。
1.3 塔架上的恒载
杆塔的恒载包括塔的自重、天线、爬梯、馈线和其他设备的重量；
其他水平荷载包括地震荷载和风荷载。TIA-222-G 和TIA-222-H 标准中除风荷载外的荷载计算方法均相同。
杆塔的自重包括钢构件、螺母、螺栓和节点板的重量，塔身总重量为42.35 kN，钢材的单位重量取自AISC360-16[2]。爬梯的重量包含主材、螺母、螺栓、节点板和馈线的重量，总共为0.28 kN/m。
塔架结构、爬梯、馈线、天线及附件上的风荷载分别按照TIA-222-G 和TIA-222-H 标准计算，结构风险等级分为Ⅰ级、Ⅱ级，采用基本风速为150 km/h、175 km/h 和200 km/h，并使用STAAD Pro V8i 对塔架结构进行分析，最后对分析结果进行讨论和比较。
2.1 假定
在塔架分析中进行了以下假定。
假定1：爬梯的高度与塔架相同，塔架分为4 段。
假定2：碟形天线的体型系数取自TIA-222-G和TIA-221-H 附录C 表C1。为采取最大体型系数，一半天线放置在塔架周围的0°方位角，一半放置在180°方位角。
假定3：LTE 天线和RRU 天线将安装在塔架上，同一标高处的3 副天线，两两呈120°布置。
假定4：天线供应商通常会根据现场实际情况调整天线的位置，这超出了当前研究的范围，天线重量以节点荷载的形式分布在塔架各处。
2.2 使用TIA-222-G 标准计算和分析风荷载
以下根据TIA-222-G 标准进行的风荷载计算和分析。
2.2.1 风荷载计算
基于3 s 阵风（50年一遇），以150 km/h 的基本风速并根据TIA-222-G 给出的Ⅰ级结构风险为例计算风荷载。
各类因素包括：基本风速V=150 km/h=41.7 m/s（3 s 阵风）；
重要性系数I=0.87（Ⅰ级结构风险）；
暴露类别C 类；
速度压力系数Kzmin=0.85；
地形系数Kzt=1.0（地形类别-1）；
风向概率因子Kd=0.85；
当h=40 m<137 m 时，阵风影响系数Gh=0.85；
速度压力qz=0.787 Kz（kN/m2）。整塔共分为4 段（每段均小于18 m），通过（Af+Ar）/Ag来计算每段的实积比ε。
其中，Af为扁平结构构件的投影面积；
Ag为通过CAD 计算的一个塔面的总面积；
Ar为圆形结构构件的投影面积，此处因为塔架没有圆形构件，所以Ar=0。经计算，从上往下每隔10 m 塔段的ε 为0.24、0.23、0.19、0.17。
结构上的风荷载计算如式（1）所示。
每个塔段的有效投影面积（EPA）S按式（2）计算。
其中：Cf——结构的体型系数；
Df——扁平结构构件的风向系数；
Dr——圆形结构构件的风向系数；
Rr——塔面中圆形构件的折减系数。
假设风荷载以0°和45°的角度施加，分别得到式（4）、式（5）。
爬梯和附属物的有效投影面积（EPA）A按式（6）计算。
其中：Ka——附件的屏蔽系数，此处Ka=0.6；
AA——附属物的投影面积；
CA——线性或离散附属物的体型系数。光缆（顶部10 m）的计算面积为CA×AA=0.028 m2/m，其余部位电缆（30 m 以下）为CA×AA=0.317 m2/m。
基于（EPA）A和（EPA）S计算各塔段上的风荷载、爬梯（假定1）、电缆及附件的重量，其计算结果如表1所示。
表1 TIA-222-G 计算结果单位：kN
基本风速175 km/h、200 km/h 和Ⅰ级、Ⅱ级结构风险的计算方法也相同，其后将力输入计算机模型节点上进行计算[3]。
2.2.2 塔架分析
选取塔柱中受最大轴向力的构件进行分析，其在基本风速150 km/h、175 km/h 和200 km/h，Ⅰ级结构风险的计算结果如图1所示。从图1可以看出，塔脚底部构件所受的轴力最大，且随基本风速的增大而增大。而塔顶40 m 高度的构件受力，随着风速增大其轴力变化不大。同等风速下Ⅱ级结构风险的计算结果如图2所示，塔脚构件受力表现出与Ⅰ级结构风险相同的趋势，但受力明显增大，这表明结构风险等级的变化可能会影响塔的受力。
图1 Ⅰ级结构风险的计算结果
图2 Ⅱ级结构风险的计算结果
2.3 使用TIA-222-H 标准计算和分析风荷载
以下根据TIA-222-H 标准进行的风荷载计算和分析。
2.3.1 风荷载计算
基于极限风，选取基本风速150 km/h 并根据TIA-222-H 中给出的Ⅰ类结构风险为例计算风荷载。
基本风速为150 km/h=41.7 m/s，极限风速换算系数为1.18，极限风速V=49.2 m/s，重要性系数I=N/A（Ⅰ级结构风险），地面高程系数Ke=1，屋顶风速加速系数KS=1，速度压力qz=1.26Kz（kN/m2）。与TIA-222-G 相似的系数有Kz=2.01（z/zg）2/a，Kzmin=0.85，Kzt=1.0，Kd=0.85，Gh=0.85，以及结构设计风荷载（FST）。其中各塔段的实积比ε、有效投影面积（EPA）S，爬梯和光缆等附属物的有效投影面积（EPA）A与之前的计算相同。整体数据计算结果如表2所示[4]。
表2 TIA-222-H 计算结果 单位：kN
2.3.2 塔架分析
选取塔柱中受最大轴向力的构件进行对比分析，因为基本原理没有变化，可看出塔柱受力趋势与TIA-222-G 是一致的。
不同基本风速下，Ⅰ级结构风险的塔柱构件受力比较如图3所示[5]。当使用两种标准分析塔架的恒荷载+风荷载组合时，构件轴向力并没有太大差异。使用TIA-222-H 标准进行分析，基本风速为150 km/h和175 km/h 时，构件轴向力平均减了0.5%和0.25%；
而基本风速为200 km/h 时，构件轴向力增加了0.25%。对Ⅱ级结构风险的塔架进行分析时，也观察到了类似的情况。分析结果表明，按照TIA-222-H标准进行分析，基本风速大于200 km/h 时，构件轴向力可能会增加。需要指出的是，本研究仅限于比较恒荷载+风荷载组合下的构件轴向力，增加其他力可能会影响分析结果。
图3 不同基本风速下，Ⅰ级结构风险的塔柱构件受力比较
本文根据TIA-222-G 和TIA-221-H 标准对40 m格构式通信塔进行了对比分析，结果表明，当按照两个标准对塔架进行分析时，构件轴向力影响不大。但采用TIA-222-H 进行分析时，当基本风速超过200 km/h，塔架受力可能会增加。对于较高的塔架（如80 m、100 m 或以上的塔架），需要根据TIA-222-G 和TIA-222-H 标准研究恒荷载+风荷载组合下构件的轴向力变化，单独进行分析。
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