5G改造建设的新型杆体加固方案探讨.pdf

70技术交流DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2023.07.0155G 改造建设的新型杆体加固方案探讨安雪峰从 5G 网络改造建设实践出发，针对存量站点因杆体检测不通过导致无法原址升级改造的问题，联合大学研究机构共同探讨了一种新型的杆体加固方案，最终实现既能低成本的解决改造建设中所遇到的问题，又能高效的满足客户进度要求。安雪峰现工作于中国铁塔广州市分公司，本科毕业于华北电力大学信息通信专业，硕士毕业于北京邮电大学软件工程专业。关键词：5G 改造 杆体加固摘要1 引言随着 5G 改造建设的深入推进，大量新增 5G 设备是在存量杆塔上实现，但存量杆塔上往往已经存在 4G/3G，甚至 2G，而且我国已实现了通信的资源整合，同一杆塔一般为多家运营商共享，如移动、电信、联通、广电等，导致通信杆塔往往是满荷载运行，存量站点因杆体检测不通过导致无法升级改造的问题日益严重。如果无法进行原站改造，则需要在旁边重新新建杆塔以满足运营商的需求，造成重复建设，资源浪费；采用传统的杆体加固方案要么造价高，要么占地面积大，无法很好的满足改造建设需求。因此，需要研究探讨新型的杆体加固方案，以确保解决当前 5G 改造建设所遇到的杆体加固问题。2 现有问题分析通过对需加固杆塔的杆检报告分析整理，存在问题有：（1）原存量杆塔新增设备后其塔身应力比超限；（2）原存量杆塔新增设备后其杆顶位移超限；（3）原存量杆塔新增设备后其地脚螺栓抗拉应力比超限；（4）上述问题的两种或全部存在；造成以上问题的原因进行分类，可以划分为三类：第一类分为通信设备的增加超载引起的现象；第二类分为钢材锈蚀、裂缝等损伤引起的现象；第三类分为设备超载和钢材损伤共同引起的现象。目前传统加固方法主要有增加拉线加固和增加硬支撑加固，如图 1 所示，该加固方法虽然可靠，承载力提升效果明显，却存在以下不足：占地面积大；在道路、公园等图 1 传统加固方法71技术交流5G 改造建设的新型杆体加固方案探讨2023.07 广东通信技术区域，妨碍人员通行，有一定的安全隐患；破坏城市景观协调性；场地受限，无法施工；行政主管部门报批难；造价高等，以上不足决定了传统加固方案在城市中基本没有普遍实施的可能性。3 新型材料加固方案研究针对这个问题，我们联系了黑龙江大学负责新材料研究的教授，一同探讨解决方案。通过实验，我们最终决定采用粘结方式，将复合材料与原钢结构连接的“组合塔”加固修复技术。如图 2 所示，该技术相较于传统的加固修复钢结构的方法，具有较大的优势。这主要得益于复合材料的以下几方面的特点：图 2 新型材料加固方案图 3 复合材料加固方式一图 4 复合材料加固方式二图 5 复合材料加固方式三耐久性好、施工方便、维护费用低等优点。通过“组合塔”方式，既不破坏城市景观协调性，又不增加环境安全隐患，不占地、不占道，易实施。图 6 试验一数据图 7 试验二数据（1）复合材料具有极好的抗酸碱腐蚀能力。采用复合材料加固钢构件后，对原结构自然形成腐蚀防护，降到了后期维护所需成本；（2）低密度（约为钢的 1/4）、高抗拉性能（普通级FRP 片材在 10005 000 MPa 之间）。采用复合材料加固钢结构等构件后，几乎不增加原结构的重量；（3）弹性模量较高（普通级的单向碳纤维片材的杨氏模量约为 230 GPa）；（4）较好的抗疲劳性能和抗蠕变/松弛性能（碳纤维要大大优于钢材）；（5）FRP 虽然是一种脆性材料，但具有较高的变形能力（几乎为线弹性直到破坏，碳纤维片材的应变可达到12%，玻璃纤维和芳纶纤维片材的应变可达到2.53.5%）；纤维增强复合材料（FRP）的抗拉强度是钢的 210倍，是一种被广泛应用的新型高性能材料，粘贴 FRP 对钢结构进行加固，原结构承担的部分荷载通过粘结胶层传递给 FRP，从而降低了原结构的应力水平，起到加固修复的效果（加固方法如图 3、图 4、图 5 所示）。采用新材料 FRP 进行加固杆体方案，具有不产生次生应力和缺陷、3.1 新型材料加固方案试验为验证新型复合材料加固杆塔方案的性能，在实验中心建立 6 个模型进行试验，测试各模型的承载力性能：试验一：原铁塔承载力试验，试验参数及结果如图6所示。试验二：原铁塔+复合材料附加塔（竖向）承载力试验，试验参数及结果如图 7 所示。试验三：原铁塔+复合材料附加塔（环向缠绕）承载力试验，试验参数及结果如图 8 所示。试验四：复合材料附加塔（片材）承载力试验，试验72技 术 交 流技术交流图 8 试验三数据图 10 试验五数据图 9 试验四数据图 11 试验六数据参数及结果如图 9 所示。试验五：原铁塔+复合材料片材+复合材料附加塔（环向缠绕）承载力试验，试验参数及结果如图 10 所示。试验六：受损铁塔局部复合材料加固承载力试验，试验参数及结果如图 11 所示。从实验结果看，承载力、位移性能，均有良好的提升。在仅使用纤维布缠绕粘贴加固时，钢材的承载力提升了15.4%，部分缠绕粘贴加固进也有 7.7%的提升，当使用纤维布及复合材料板材时，钢材承载力大幅提升了 184%。试验结果汇总分析如图 6、图 7 所示。图 12 承载力对比图 13 位移曲线载，模拟复合材料塔加固铁塔，如图 14 所示。模拟方案如下:方案 1：粘贴纤维布加固，粘贴层数为 2 层(总厚度为 2 mm)。方案 2：先粘贴复合材料片材（2 mm），然后粘贴纤维布加固，粘贴层数为 2 层(总厚度为 4 mm)。图 14 Abaqus 精细化有限元模型3.2 有限元分析(FEA)使用有限元分析，模拟各种试验方案，可有效确保产品设计的合理性、可靠性。Abaqus 有限元模型：采用solid 单元建立 4 个铁塔段和一个 40 m 长的复合材料塔，网格大小划分为 100 mm，单元类型为 C3D8R。铁塔底端固定，限制三个方向的位移和转角，在塔顶端施加集中荷73技术交流5G 改造建设的新型杆体加固方案探讨2023.07 广东通信技术方案 3：先粘贴复合材料片材（4 mm），然后粘贴纤维布加固，粘贴层数为 2 层(总厚度为 6 mm)。方案 4：先粘贴复合材料片材（6 mm），然后粘贴纤维布加固，粘贴层数为 2 层(总厚度为 8 mm)。方案 5：先粘贴复合材料片材（8 mm），然后粘贴纤维布加固，粘贴层数为 2 层(总厚度为 10 mm)。分析结果如表 1 所示，通过有限元分析，使用复合材料加固方案，可有效提高铁塔的强度和刚度，提升铁塔承载力。表 1 有限元分析(FEA)汇总表方案水平力强度应力位移刚度刚度（N）提高率（MPa）（mm）（N/mm）提高率原铁塔109 000-343.32 23848.7-方案 1137 00025.70%344.32 42556.4916.00%方案 2142 00030.30%342.82 41158.921.00%方案 3148 00035.80%343.72 41461.3126.00%方案 4154 00041.30%344.32 41563.7731.00%方案 5157 80044.80%344.72 38266.2536.00%4 新型材料加固试点在论证了新材料在杆体加固方面的可行性之后，在惠州铁塔进行杆体加固试点的过程中，我们选取了 4 个常用塔型的站点，进行了杆体加固试点，分别是 49 号小区，白花英伦印象、东江新城路口、和淡水人民桥，站点情况如下：（1）49 号小区：塔高 20 m，单管塔，风压 0.55 kN/m2，加固方式：碳纤维布+玻璃纤维布+抱箍。（2）白花英伦印象：塔高30 m，单管塔，风压0.65 kN/m2，加固方式：碳纤维布+玻璃纤维布+抱箍。（3）东江新城路口：塔高35 m，单管塔，风压0.55 kN/m2，加固方式：碳纤维布+玻璃纤维布+抱箍。（4）淡水人民桥：塔高40 m，单管塔，风压0.65 kN/m2，加固方式：碳纤维布+玻璃纤维布+抱箍。施工工艺流程包括表面处理、找平施工、涂刷底胶、裁剪纤维布、配制胶液、粘贴纤维布、二次涂胶和固化养护等环节。其中，表面处理是确保施工质量的关键步骤，需要将杆体表面的灰尘、油脂等杂物清除干净，以确保涂层与杆体表面的粘结强度。找平施工则是保证施工平整度的重要步骤，需要根据杆体的形状和大小，制备相应的找平材料，并在找平材料干燥后，进行下一步的施工。总的来说，惠州铁塔的杆体加固试点取得了一定的成果，为新材料在杆体加固领域的应用提供了有益的经验和借鉴。未来，我们将进一步扩大试点范围，探索更加高效、实用的杆体加固方案。施工过程及完工整体效果，如图15 所示。为保证采用新材料加固工艺加固后杆塔满足安全使用要求，聘请第三方检测单位，对加固杆塔进行检测。经监测，偏移变化趋势，三轴倾角变化量均在阈值允许的范围内，塔桅结构处于安全运营状态，满足新增设备架设需求。通过现场实施对试点站进行了杆体加固，在原有铁塔外层通过高性能树脂和高强度纤维制作新型复合材料外层塔，从而使加固后的铁塔形成钢材+复合材料两者结合的组合塔。经过近半年的实验验证，新型复合材料加固方案可提高杆体强度和刚度幅度大于 30%。与目前采用的加固技术相比，可缩短施工周期大于 40%,且减少投资费用大于 30%。通过使用新材料进行加固，可以有效地解决杆体承载力不足问题，相对于传统的加固方法，该方案具有创新的解决方案，避免了传统加固现场实施所遇到的问题。从 4 个站点的实验检测报告看，新型复合材料的杆体加固方案，能够有效地解决原先杆体承载力不足的问题，实现了低造价、高效率，满足了运营商的需求。经过初步试验证明，具有以下优点：（1）整站新型复合材料重量小，设备运输和人工搬运方便，增加荷载小，对基础基本没有影响。（2）新型复合材料防腐、耐湿热、耐酸、耐碱、耐紫外线照射能力强，温湿度稳定性好，相比钢材使用寿命长，可减少后期防腐除锈维护工作。（3）新型复合材料加固后，杆塔强度可以提高3080%（承载力）和刚度提高 2070%（抗变形），可以满足加装天线的要求。（4）新型复合材料加固杆塔造价低，较新建一座铁塔降低成本 4060%，较目前常用铁塔加固方法（索力塔加固、钢管组合加固）降低成本 2540%，有效减少建设（下转第 79 页）图 15 杆塔加固施工图79技术交流动态称重系统在信息化治超管理的应用2023.07 广东通信技术9 曹亚红.石英晶体传感器在多通道温度测量中的应用 J.集成电路应用,2019,36(03):66-67.10 祝浩鹏,冷文鸿.一种新型高速度低功耗灵敏放大器的设计J.广东通信技术,2005(01):63-67.11 殷涛,胡栋.基于 WLAN 的嵌入式视频传输系统构架 J.广东通信技术,2004(09):55-58.12 陈沉,陆奕帆,简超峰.个人健康系统心电数据采集设计 J.广东通信技术,2016,36(04):68-71.13 董建平,周兴林,朱攀.基于 PLS 的多维力传感器动态力反演研究 J.计算机应用与软件,2022,39(12):52-57.14 邓露,罗鑫,凌天洋,何维.基于卷积神经网络的多车桥梁动态称重算法J.湖南大学学报:自然科学版,2022,49(1):33-41.15 陈福文,张婧婧,杨燕玲.三维建模技术在应急管理工作中的应用及发展趋势 J.广东通信技术,2022,42(12):67-71.16 黄健,董宏静,孙树兵.车辆外廓尺寸自动测得值不确定度分析与评定 J.计量与测试技术,2021,48(03):114-116.17 黄振,杨顺秀.车牌抓拍识别在视频监控系统中的应用 J.西部交通科技,2022(10):173-176.18 陈旺松,高明应.LED 可变情报板智慧管理软件平台 J.中国交通信息化,2022(12):152-155.19 陈珣.关于交换机远端模块应用的建议 J.广东通信技术,1997(04):12-14.20 江云剑,童毅华,李慧芳等.道路货运源头治超信息互联监管对策 J.交通企业管理,2021,36(06):38-40.（收稿日期：2023-06-15）（上接第 73 页）成本，降低造价。（5）新型复合材料加固施工周期为 57 天，相比新建地面塔工期缩短 3540 天，相比目前常用铁塔加固方法（索力塔加固、钢管组合加固）工期缩短 710 天，可快速交付，减少施工工期。5 预期成效直接效益：采用新型复合材料解决方案，可以根据不同塔型快速、精准地提出加固方案，显著提高塔桅结构的承载能力，延长其使用寿命，满足在原结构上安装 5G 天线的要求。该技术实现产业化程度高，方便推广应用。加固原有结构与新建铁塔相比，每个基站降低建设成本约1030 万元。间接效益：采用新型复合材料解决方案，不但增加了原结构的承载能力，同时提高其应对极端环境的抗灾能力，减少塔桅结构倒塌事件的发生，有效避免财产损失和人员伤亡。社会效益：一是加快 5G 建设速度，可有效刺激社会需求，拉动经济增长；二是利用原结构改造利用，可大幅降低建筑能耗，促进低碳发展；三是可有效促进产业结构调整，减少钢材使用量；四是可有力促进新型加固技术的发展，提升原有塔桅结构利用率；五是可有效缓解社会矛盾，促进城市改造。6 结语通过新型杆体加固方法的探讨以及试点实践，并经近半年的初步验证，其达到了初步的预期效果，既低成本的解决了杆体加固问题，又能高效率的满足客户要求，但由于是第一次使用新型材料加固，后续还需维护部门做进一步的跟踪，关注杆体的相关指标是否正常。参考文献1 WilliamC.Y.Lee.移动通信工程理论与应用 M.宋维模,姜 焕成,李明,郑岩,译.2版.北京:人民邮电出版社,2002:260-267.2 冯鹏,陆新征,叶列平.纤维增强复合材料建设工程应用技术:试验,理论与方法M.北京:中国建筑工业出版社,2011:152-179.3 岳清瑞,张宁，彭福明，郑云.碳纤维增强复合材料加固修复钢结构性能研究与工程应用 M.北京:中国建筑工业出版社,2009:53-60.4 陈邦文.面向云网一体的新型城域云网部署研究 J.广东通信技术,2022(11)：38-41.5 王新贺.5G传送网规划与演进分析J.广东通信技术,2022(3):46-50.6 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