一种广播电视塔加固方法的分析与应用_余慈蕊.pdf

广播与电视技术 2023年 第50卷 第3期95Wireless Coverage 无线覆盖传输覆盖一种广播电视塔加固方法的分析与应用【摘 要】本文对某钢结构广播电视发射塔进行检测检验，采用分层空间桁架法、空间杆梁有限元法对其进行内力计算，对构件进行验算，发现塔架部分构件最大应力大于承载力设计值，不符合国家现行标准规范的可靠性要求，影响整体安全，需进行加固维护。综合现有的钢结构加固方法和该塔工程实际情况，考虑采用增大截面和改变结构体系相结合的加固方式。采用有限元分析软件3D3S进行设计验算，计算结果满足规范要求，为类似钢塔桅结构的加固提供参考。【关键词】钢塔桅，加固，广播电视塔，3D3S【中图分类号】TU32 【文献标识码】B 【DOI编码】10.16171/ki.rtbe.20230003018【本文献信息】余慈蕊，彭康夫，陈才.一种广播电视塔加固方法的分析与应用J.广播与电视技术，2023,Vol.50(3).Analysis and Application of a Kind of Reinforcement Method for Radio and Television TowerYu Cirui,Peng Kangfu,Chen Cai(DRFT(Beijing)Tower Mast Security Technology Co.,Ltd.,Beijing 100045,China)Abstract The detection and inspection of a steel structure radio and television transmission tower was carried out.Layered space truss method and finite element method were used to calculate the internal force of the tower and check the components.It was found that the maximum stress of some components of the tower is greater than the design value of bearing capacity,which does not meet the reliability requirements of the current national standards and specifications,and affect the overall safety.Therefore,reinforcement and maintenance were required.Based on the existing steel structure reinforcement methods and the actual situation of the tower project,the reinforcement method combining increasing the section and changing the structural system is considered.The finite element analysis software 3D3S is used for design checking,and the calculation results meet the specification requirements,which provides a reference for the reinforcement of similar steel tower and mast structures.Keywords Steel tower and mast,Reinforcement,Radio and television tower,3D3S余慈蕊，彭康夫，陈才(中广电(北京)塔桅安全科技有限公司，北京 100045)0 引言在广播电视发射塔附属荷载挂载需求不断叠新的情况下，广播电视发射塔作为水平荷载为主控制的构筑物，塔体构件受力将不同程度地增大，安全冗余度不断降低，部分发射塔在使用环境条件和意外损伤（如自然灾害、撞击）等综合效应的影响下，加速削弱了塔体承载力，缩短了铁塔使用寿命，而维护加固则可以提高铁塔抵抗力，保证或延长铁塔使用 寿命。目前钢结构的加固方法可分为直接加固与间接加固两类。直接加固法包括增大截面加固法、粘贴钢板加固法和组合加固法，间接加固法包括改变结构体系加固法、预应力加固法1。国内广播电视钢塔桅结构的加固形式研究较少，本文通过对某广播电视发射塔进行分析计算，并通过 3D3S 进行结构受力验算，加固工程效果达到预期，为今后类似工程的加固方式提供参考。1 工程概况某广播电视发射塔，塔型为四边角钢塔，材质为 Q235，塔高 45m（不含避雷针），其中塔架高 24m，桅杆段高 21m。该塔基本风压 0 为 0.37 kN/m2，地面粗糙度类别为 B 类，离地面高度为 349m，铁塔底部根开 6m，塔上荷载情况如表 1所示。依据现场资料和检测数据，该电视塔自下而上共 28 段，塔体第 1 段塔段类型为单斜杆，第 2 10 段为交叉型斜杆，广播与电视技术 2023年 第50卷 第3期96无线覆盖 Wireless Coverage传输覆盖第 11 28 段为缀板式桅杆，现场图和复原图如图 1 所示。2 分析计算2.1 荷载计算 此塔地震作用工况为抗震设防烈度 7 度，设计基本地震加速度为 0.15g；设计地震分组为第一组；抗震设防类别为乙类。风荷载工况如图 2 所示。根据结构动力学对该塔进行动力特性分析，计算得出该塔一阶平动自振周期为 0.77s；垂直作用于该塔表面单位面积的风荷载标准值计算公式2为：kz sz0 =iAA=z1 21=+式中：0为基本风压；z为风振系数；z为整体体型系数，为风压高度变化系数。iAA=z1 21=+式中：为挡风系数，Ai为迎风面杆件和节点净投影面积，A 为迎风面轮廓面积，由此查表可得塔架整体体型系数 s。kz sz0 =iAA=z1 21=+式中：为脉动增大系数，1为风压脉动和风压高度变化等的影响系数，2为振型、结构外形的影响系数。设每个塔段为一质点，质量取为上塔段质量一半加上下塔段质量一半，在质点位置处塔架风荷载情况如表 2 所示，单位千牛（kN）。2.2 内力计算采用分层空间桁架法对结构进行内力分析计算3，计算时进行如下假定：1.钢塔桅整体视为竖向的悬臂梁；2.外部作用下将横截面看作刚体；3.杆件交接点均视为铰接点；4.所有杆件均处于弹性阶段。根据规范2对此塔进行验算，得出此塔应力比最大值为表1 塔上荷载编号天线类型所在塔段每层数量天线层数1双偶极板3 8442电视天线9113面包天线18 19424面包天线21 24445面包天线25 2844图1 某电视角钢塔现场图和复原图图2 某电视塔风荷载工况图广播与电视技术 2023年 第50卷 第3期97Wireless Coverage 无线覆盖传输覆盖1.70，应力不满足塔段为第 1 6、10 12、15、17 19 段。2.3 有限元分析计算为了进一步验证该广播电视塔的可靠性4，利用有限元分析软件 3D3S 建立了该塔的空间有限元分析模型，并分析该电视塔的内力、稳定性及动力特性。模型为空间桁架结构，计算过程中，对模型进行以下设置：1.模型边界支座为铰接支座；2.构件不产生偏心；3.各杆件两端进行单元释放。模型一阶平动自振周期为 0.70s；根据计算分析模型，进行规范表2 塔架风荷载情况质点一风向二风向质点一风向二风向质点一风向二风向质点一风向二风向00.730.7386.226.62161.761.89243.333.4814.835.17911.8212.40172.142.26253.463.6227.207.72103.523.79182.842.97263.613.7836.026.36112.032.20192.272.39273.763.9446.206.55122.012.17202.322.44281.972.0656.326.68132.052.21213.043.17/66.256.60142.082.24223.123.26/76.747.13152.052.21233.223.36/图3 各塔段塔柱的应力比图4 风向一各个塔段支撑的应力比验算，得出应力比最大值为 1.58，应力不满足塔段为第 1 6、10 12、17 19 段。2.4 结果对比为了对分层空间桁架法和有限元法计算结果进行对比，作出各塔段应力比曲线，如图 3 5 所示。由图可知，有限元法与分层空间桁架法变化趋势基本一致，分层空间桁架法的计算结果略大于有限元法的计算结果。夏大桥等人的研究结果表明5，两种方法计算差距原因是空广播与电视技术 2023年 第50卷 第3期98无线覆盖 Wireless Coverage传输覆盖图5 风向二各个塔段支撑的应力比图8 塔柱强度应力比加固前后对比图间桁架法手算时用到了基本假定，对计算进行了简化，其中影响较大的是横杆在平面外均无变形以及节点均为铰接，忽略了塔架杆件抗弯刚度提供的承载力，当斜撑截面积与塔柱截面积相差过大时，会导致塔柱弯矩较大，造成一定的计算误差。考虑到分层空间结果计算较大，进行方案设计和调整较为灵活便捷，因此，此塔加固方案依据分层空间桁架法计算结果进行方案设计。3 加固方案3.1 加固方法目前，国内已有规范1可作为依据进行加固设计，也有一些有关广播电视发射塔结构加固方法研究6。在实际工程中，广播电视塔改变使用条件或增加荷载是常有的情况，且广播电视塔上天线荷载具有移动易影响使用的特性，从施工方便、工程经济、承载力提升程度等多方面综合考虑，此塔采用负载下焊接钢加固钢构件的加固方法7。此塔在承载能力极限状态下，塔柱第 1 6 段和支撑第2、3、10 段及桅杆段最大应力大于承载力设计值，不满足规范要求，综合使用增大截面加固法及改变结构体系法加固。3.2 加固方案设计加固方案为，对 1 6、11 19 段塔柱进行增大截面加固，其中塔柱增大截面形式如图 6 左所示，对第 2、3、10 段支撑进行增大截面加固，截面形式如图 6 右所示，同时，对第 15 段增设交叉型支撑改变结构体系，如图 7 所示，新增支撑与塔柱连接采用型钢抱箍的构造方式。图6 某广播电视塔增大截面形式图7 某广播电视塔改变结构体系形式3.3 加固方案验证计算依据加固方案按照规范进行内力计算及验算，以及采用实际加固截面进行建模计算，两者塔柱计算结果如图 8 所示。广播与电视技术 2023年 第50卷 第3期99Wireless Coverage 无线覆盖传输覆盖两加固计算方法均在承载能力极限状态下，杆件最大应力小于承载力设计值，满足规范要求。4 加固施工加固施工时注意尽量在无风情况下进行。加固施工中，新增塔柱杆件与原塔柱采用焊接，为减少对原构件的损伤，有效利用焊缝，加固时焊缝采用间断焊缝的方式，每 100mm焊缝留 1m 间隔。同时，因钢材易腐蚀，应对构件进行防腐除锈处理，钢材表面可进行镀锌处理，焊缝间隔用硅酮耐候胶进行密封，减少水分进入截面内部，两头截面上赌下疏，使水分能够较好地进行流通，达到防锈蚀要求。塔柱加固前后现场图如图 9 所示。5 结论1.从施工方便、工程经济、承载力提升程度等多方面综合考虑，此塔塔柱角钢焊接型钢形成类管状截面。加固完成后，加固段塔柱承载能力提升 40%60%左右，达到加固预期。2.目前国内许多建筑物都已接近或超过使用年限，对各类建筑物的检测也越来越重视，检测后发现问题应及时进行维护加固，防止安全隐患发生。参考文献：1 中华人民共和国住房和城乡建设部,国家市场监督管理总局.钢结构加固设计标准:GB 513672019S.北京:中国建筑工业出版社,2020.2 中华人民共和国住房和城乡建设部.高耸结构设计标准:GB 501352019S.北京:中国计划出版社.3 国家广播电影电视总局.钢塔桅结构设计规范:GY 50012004S.2004.4 GY/T 5089-2014,广播通信钢塔桅可靠性检测鉴定规范S.5 夏大桥,尹昊,王建磊,等.基于有限元的分层空间桁架法计算精度分析J.特种结构，2014,31(4):48-52.6 陈才,王佳.浅析某广播电视塔检测加固设计与施工 J.建筑工程技术与设计,2019,(9):97-987 祝瑞祥,王元清,戴国欣,等.负载下钢结构构件增大截面加固设计方法对比分析J.四川建筑科学研究，2014,40(1):98-103.第一作者简介：余慈蕊（1995），女，中广电（北京）塔桅安全科技有限公司助理工程师，本科生，毕业于西南交通大学。主要从事钢塔桅钢结构加固方面的研究，曾参与四川、广西、北京等广播电视台站加固工程。图9 塔柱加固前后现场图