通信单管塔新型加固装置的分析与应用.pdf

建筑设计建 筑 技 术 开 发 35Architectural DesignBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月通信单管塔新型加固装置的分析与应用陈博洋1,2，张力1,2，陈才1,2（1.国家铁塔工程安全质量检验检测中心，北京 100045；2.中广建（北京）塔桅安全科技有限公司，北京 100045）摘要 为了对塔体主材构件受力不满足要求的单管塔进行加固，综合考虑到既有加固方式的缺陷，自主研发了一种单管塔新型加固装置，该装置具有占地面积小、施工方便等优点。基于北京某单管塔真实检测数据，利用大型通用有限元软件ABAQUS建立了三维实体有限元模型，对新型加固装置的力学性能进行了研究。研究结果表明，该装置能够显著降低单管塔塔体主材应力值，并满足加固需求。关键词 钢结构；单管塔加固；ABAQUS软件 中图分类号TU312.3 文献标志码B 文章编号1001-523X（2023）08-0035-03ANALYSIS AND APPLICATION OF NEW REINFORCEMENT DEVICE FOR COMMUNICATION SINGLE-TUBE TOWERChen Bo-yang，Zhang Li，Chen Cai AbstractIn order to strengthen the single-tube tower where the main components of the tower body are not satisfied,and taking into account the defects of existing reinforcement methods,a new type of single-tube tower reinforcement device has been independently developed.The device has the advantages of small footprint,convenient construction,etc.Based on the real inspection data of a single-tube tower in Beijing,this paper uses the large-scale general finite element software ABAQUS to establish a three-dimensional solid finite element model to study the mechanical properties of the new reinforcement device.Through the calculations,it is found that the device can significantly reduce the maximum stress level of the single-tube tower and meet the needs of reinforcement.Keywords steel structure;single-tube tower reinforcement;ABAQUS software近年来随着移动数据业务量的迅速增长，我国对通信天线数量的需求也在迅猛增加。随着5G时代的到来，考虑到成本等因素，大量的5G天线至今仍是利用既有基站，致使既有基站出现了超负荷挂载的情况。在这样的大环境下，对既有基站的加固改造显得尤为重要。单管塔具有占地面积小、现场作业量少、施工周期短、施工方便等优势，在中心城区得到了广泛的应用。也正是由于单管塔大多布置在中心城区，一旦发生倒塌事件，将会造成巨大的经济损失、人员伤亡以及恶劣的社会影响。目前，国内已有学者对单管塔的加固方式进行了研究。刘志全等1采用增加斜撑的加固方式，并利用3 D3S验证了其对单管塔承载能力的提升作用；叶国斌2利用3 D3S分析了三管桁架加固方案的可行性；王满满3综合较了拆除平台、增加斜撑、焊接钢板、桁架加固等多种方式对于单管塔承载能力的提升效果。在不改变塔体既有荷载的前提下，现有的单管塔加固方式主要有两种思路。（1）增加结构的整体刚度，例如增加斜撑、桁架加固。（2）增加截面积，例如焊接钢板。但是这些加固方式都有其不可避免的弊端，现有加固方式的缺陷见表1。表1 现有加固方式的缺陷加固方式缺陷焊接钢板薄壁构件焊接施工难度大，容易焊穿原构件，形成新的薄弱截面增加斜撑占用土地较大桁架加固占用土地较大中心城区之所以大多采用单管塔，而非角钢塔、三管塔、拉线塔等其他塔型，正是因为相较于其他塔型，单管塔根开更小、占地面积也更小，适应于中心城区寸土寸金的环境。但如果对单管塔的加固需要占用大量的土地，这显然是和初衷相违背的，避免不了会增加施工成本。在此背景下，新型加固装置的设计需满足3个前提：（1）加固是可靠、有效的；（2）不占用或少占用土地；（3）施工方便、可行。1 新型加固装置构造与原理GB 513672019钢结构加固设计标准4中提出钢结构的加固可分为直接加固和间接加固两类，直收稿日期：20230425作者简介：陈博洋（1993)，男，湖南怀化人，工程师，主要研究方向为广播电视发射塔安全评估、健康监测技术研究。建筑设计建 筑 技 术 开 发36 Architectural DesignBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月接加固包括了增大截面加固法、粘贴钢板加固法和组合加固法等；间接加固法包括了改变结构体系加固法、预应力加固法等。本文提到的新型加固装置是依据增加截面加固原理。新型加固装置主要包括圆管钢构件装置，安装在所述圆管钢构件装置的耳板钢构件组件，连接于所述圆管钢构件装置内侧用于加固的筒体内衬的钢构件组件如图1所示。构件1圆管钢构件构件2耳板钢构件构件3筒体内衬钢构件组件图1 新型加固装置构造构造1是加固装置的主要构件，圆管钢构件的壁厚决定了新增加的截面积；由于单管铁塔有一定锥度，但圆管钢构件装置1采用的是直筒式杆件，其与原塔柱抱箍后会留有一定的间隙，影响受力传导性，所以构造3要保证精确的规格尺寸才能够提高加固构件与原塔柱的整体刚度，也能避免加固构件对原塔构件损伤；构造2采用螺栓连接，方便现场进行施工。2 新型加固装置有限元模型为了确定此种新型加固方式的有效性，本工程基于北京某通信单管塔的真实检测数据进行了力学性能分析。该塔高19.52 m、底部直径为300 mm、顶部直径为138 mm、塔体壁厚为6.01 mm，如图2所示，里氏硬度分析得出塔体材料为Q235，在塔体标高16.000 m处有3副挡风面积为0.6 m2的通信天线。B=139B=223B=300+0.00019.520图2 单管塔立面示意基本风压按北京50 年重现期考虑，取值为0.45 kN/m2。计算得出该塔最大应力为272.75 MPa，大于Q235钢材的设计抗拉强度215 MPa，单管塔加固前应力状况见表2。表2 单管塔加固前应力状况标高/m应力/（N/mm2）0.0002722.0002684.0002616.0002508.00023310.00020812.00017214.00011816.0003518.0009单管塔加固后的力学性能采用通用有限元分析软件ABAQUS进行建模计算。整个模型主要由外筒和内筒两部分组成，其中外筒是直径为346 mm厚度为8 mm高度为9 m的等截面圆管，内筒是厚度为6.01 mm的变截面圆管。外筒与内筒的接触通过10 mm厚的内衬板实现，由于内筒直径随高度变化，所以内衬板的直径也是随内筒外径变化的，并考虑2 mm施工缝。此模型共设置4层内衬板，分别在标高2.250 m、4.500 m、6.750 m、9.000 m处（图3、图4）。内衬板图3 外箍筒模型图4 组合模型整个模型采用线弹性分析，内筒与外筒在法向定义为硬接触（不允许互相穿过），切向允许相对位建筑设计建 筑 技 术 开 发 37Architectural DesignBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月移，底部的边界条件均设置为固定端。外部荷载主要是风荷载：wk=z s z wo，由于风压高度系数与风振系数都是随高度变化而变化的，在模型添加荷载的过程中进行了线性回归处理，最终通过集中荷载（用于天线荷载）和面荷载（用于塔体风压）两种方式进行添加，结构采用8节点六面体线性减缩积分单元。由于单管塔高宽比很大，属于高耸结构，顶部位移相对较大，故在分析步骤中设置允许大变形。3 计算结果分析通过所建立的有限元模型，对加固后单管塔整体的受力状态进行分析。由图5可知塔体最大应力出现在标高9.360 m处，大小为193 MPa，相较于加固前塔体最大应力272.75 MPa下降了29.2%。图5 组合模型应力云图 图6所示为内筒（原单管塔）的应力分布情况，在加固区域的顶部，内外筒的应力分布不均匀，内筒的应力明显大于外筒的应力。图6 内筒部分应力分布云图若将此加固装置简化为直接增大截面积从而计算内力，得到的结论将和有限元分析的结果出入很大，见表3。尽管加固区域顶部内筒受力较大，但是其应力值依旧小于未加固部分的最大应力，因此在利用此加固装置进行加固设计时建议将加固长度至少设置到加固表3 有限元分析与直接增加截面积计算结论对比标高/m直接增加截面积计算应力（N/mm2）有限元分析内筒 应力（N/mm2）1.00094.6694.313.00078.2983.115.00063.0763.947.00049.0666.129.00036.50181.62前强度满足的标高处。图7为内外筒应力沿高度的变化曲线，由图7可知，内筒应力的极大值发生在加固装置的顶部附近，随着加固装置的加入应力水平出现显著下降。50 100 150 200应力/MPa标高/m内筒应力外筒应力20.00015.00010.0005.0000图7 有限元分析内外筒应力沿高度分布曲线外筒应力的极大值出现在塔脚位置，最大为119.76 MPa。从塔高6 m以下，内外筒的应力变化趋于一致，均沿高度的降低而增加。内筒塔脚应力由加固前的272.75 MPa下降为103.22 MPa。4 结束语本项目介绍了一种单管塔新型加固装置，通过ABAQUS软件建立三维实体有限元模型，验证此种加固方式的可靠性与有效性。相较于传统的单管塔加固方式，此种加固方式具有占地面积小、施工方便等特点，能较好地契合单管塔，常用于中心城区。此外，此种加固方式已经在部分单管塔上投入使用，大幅提升了塔体的承载能力，加固效果符合预期。由于加固装置增加了原塔体的挡风面积，塔脚的拔力也会随之增大，故在使用此新型装置进行加固时需要同时验算地脚螺栓的应力水平，对于应力不满足要求的地脚螺栓，则需要进行植筋处理。参考文献1 刘志全,邓永娟.通信单管塔加固三维空间模型的计算及分析J.现代信息科技,2019(12):4749.2 叶国斌.单管塔三管桁架加固方法的分析应用J.科技与创新,2020(15):145146.3 王满满.通信单管塔维护与改造应用研究D.广州:华南理工大 学,2019.4 钢结构加固设计标准:GB 513672019S.