鋼結(jié)構(gòu)電視塔改造方案研究

馬思明 付舉宏 潘曉宇

(中廣電廣播電影電視設(shè)計(jì)研究院 北京 100045)

引言

20世紀(jì)80年代，廣播電視行業(yè)發(fā)展迎來高峰，全國(guó)各地開始興建鋼結(jié)構(gòu)廣播電視塔。廣播電視塔屬于高聳結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體為大懸臂構(gòu)件，塔身以彎曲變形為主，常采用格構(gòu)式體系[1]。到目前為止，上一批鋼結(jié)構(gòu)電視塔基本到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限，同時(shí)有部分鋼塔由于使用維護(hù)不當(dāng)或不合理改造，導(dǎo)致桿件銹蝕嚴(yán)重或部分桿件發(fā)生較大變形等情況，嚴(yán)重影響廣播電視安全播出，急需改造[2]。

本文基于某鋼結(jié)構(gòu)廣播電視鐵塔的改造工程，通過有限元軟件Midas 對(duì)比分析了兩種改造方案，主要從結(jié)構(gòu)可靠性角度，并兼顧方案經(jīng)濟(jì)性、施工可行性等進(jìn)行綜合比較，最終確定了最具適用性的方案。

1 工程概況

1.1 鐵塔基本信息

該鋼結(jié)構(gòu)電視塔建成于20世紀(jì)80年代，結(jié)構(gòu)形式為空間格構(gòu)式，塔體柱、腹桿等構(gòu)件均采用角鋼截面。原塔高84.0m，沿一側(cè)塔面設(shè)置工作爬梯，標(biāo)高 33.5m 至 84.0m 設(shè)置 6 個(gè)工作平臺(tái)。后為滿足廣播電視天線發(fā)射高度要求，經(jīng)天線安裝廠家改造，在84.0m 處插接一根約25m長(zhǎng)鋼管，鋼管用于掛設(shè)調(diào)頻及電視天線，頂部設(shè)置橫擔(dān)及拉線用于支撐鋼管。鐵塔實(shí)景如圖1所示。

1.2 鐵塔現(xiàn)場(chǎng)檢查與結(jié)構(gòu)核算結(jié)果

本工程于2017年6月進(jìn)行了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的檢查，內(nèi)容包括構(gòu)件規(guī)格、節(jié)點(diǎn)連接、鋼材材質(zhì)、構(gòu)件防腐情況、結(jié)構(gòu)整體變形等。對(duì)于鋼材材質(zhì)的檢測(cè)，采用里氏硬度儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算，并鉆取部分樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室化學(xué)成分分析。現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果顯示，鐵塔主要構(gòu)件完好無(wú)缺，腐蝕情況尚可。在無(wú)風(fēng)、微風(fēng)情況下，鐵塔標(biāo)高 75.0m以上結(jié)構(gòu)有明顯水平變形，頂部鋼管變形明顯，最大位移達(dá)到了 200mm，超出了無(wú)風(fēng)情況下結(jié)構(gòu)允許限值H/1500(H為塔高)，不利于結(jié)構(gòu)安全。

圖1 鐵塔實(shí)景Fig.1 Steel tower

利用現(xiàn)場(chǎng)檢查所還原的鐵塔構(gòu)件規(guī)格、連接和主要控制尺寸，建立 Midas 有限元模型，依據(jù)國(guó)家現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范進(jìn)行校核。結(jié)構(gòu)布置總圖如圖2所示。在上次改造中，新增的頂部鋼管及拉線的模型見圖3。從圖3中可見，上一次改造中增加的拉線僅為單方向雙根拉線，并未形成四方有效拉結(jié)，兩方向剛度相差極大，這也是結(jié)構(gòu)頂部發(fā)生較大位移的根源。核算結(jié)果顯示，頂部鋼管、拉線及內(nèi)部支撐構(gòu)件應(yīng)力比均超限，且頂部位移在標(biāo)準(zhǔn)組合下為3269mm，超限較多。

根據(jù)結(jié)構(gòu)安全性核算以及現(xiàn)場(chǎng)檢查的結(jié)果得出：結(jié)構(gòu)標(biāo)高75.0m 以上構(gòu)件變形較大，桿件存在嚴(yán)重安全隱患，該結(jié)構(gòu)已不滿足現(xiàn)行規(guī)范以及廣播電視發(fā)射的要求。為不影響無(wú)線覆蓋和電視節(jié)目傳輸，保障結(jié)構(gòu)的安全，擬對(duì)該塔進(jìn)行再次加固改造。

2 改造方案

原天線廠家的增高方案中采用了拉繩拉結(jié)的方式，該種方式雖能有效支撐頂部鋼管，但是拉繩本身只能在鐵塔上部生根，且高空安裝拉繩施工難度大，很難保證各方向剛度一致，且后續(xù)的維護(hù)工作難度也很大。因此，本次改造排除了采用拉繩拉結(jié)鋼管的方案。

圖2 結(jié)構(gòu)布置總圖Fig.2 General layout of the structure

圖3 頂部結(jié)構(gòu)布置Fig.3 Layout of the top

該塔現(xiàn)高度106.0m，改造后需保持塔高不變，以保證廣播電視信號(hào)覆蓋范圍不減少?，F(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果顯示，標(biāo)高 70.615m 以上構(gòu)件變形較大，且構(gòu)件有一定塑性變形，故此標(biāo)高以上部分塔體需拆除，在該高度以上增設(shè)新塔架。根據(jù)本結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以及所掛設(shè)天線對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的要求，擬采用以下兩種結(jié)構(gòu)方案。

2.1 兩種結(jié)構(gòu)方案

1.方案一：延長(zhǎng)頂部塔段，增加桅桿段

該方案在原塔架基礎(chǔ)上，按照原塔架邊寬尺寸延伸，改造方案簡(jiǎn)圖見圖4。為滿足UHF 天線發(fā)射要求，最上部6.0m 采用角鋼和鋼板格構(gòu)式組合結(jié)構(gòu)，邊寬750mm，橫桿中間布置單斜橫隔。

2.方案二：插接鋼管加內(nèi)支撐

將塔架延伸至90.0m，上部采用插接鋼管，插入塔架7.0m，并于塔架內(nèi)部設(shè)置兩道支撐，塔架平面內(nèi)設(shè)置水平支撐與鋼管相連。改造方案簡(jiǎn)圖見圖5。

圖4 方案一結(jié)構(gòu)布置Fig.4 Layout of scheme one

圖5 方案二結(jié)構(gòu)布置Fig.5 Layout of scheme one

2.2 方案可靠性分析

可靠性分析擬從安全性和使用性進(jìn)行分析，前者體現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，后者主要從頂部位移加以分析。

1.結(jié)構(gòu)安全性

通過有限元軟件Midas 對(duì)兩個(gè)改造方案進(jìn)行建模分析。模型均采用桿系梁?jiǎn)卧?，斜桿兩端釋放端部約束。由于頂部掛有天線，模型考慮了二階效應(yīng)。兩個(gè)方案的模型如圖6所示。

對(duì)于廣播電視塔這種一階周期較長(zhǎng)的高聳結(jié)構(gòu)，控制荷載組合一般為風(fēng)荷載，本次對(duì)比選用的荷載組合為1.2D±1.4W+0.98L(D代表恒荷載，W代表風(fēng)荷載，L代表活荷載)。對(duì)于受壓構(gòu)件，應(yīng)力比結(jié)果由穩(wěn)定驗(yàn)算控制。表1羅列了兩個(gè)方案結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果。

圖6 兩個(gè)方案Midas有限元模型Fig.6 Finite element model of the two schemes

從表1中結(jié)果可見，方案一中主柱L 200 ×14最大應(yīng)力比達(dá)到了1.094，L 160 × 14 最大應(yīng)力比達(dá)到了 1.27，超出規(guī)范限值1.0，已經(jīng)影響結(jié)構(gòu)安全，方案二構(gòu)件應(yīng)力比滿足規(guī)范要求。

兩種結(jié)構(gòu)方案具體分析如下：

方案一：塔架延伸長(zhǎng)度為29.385m，上部設(shè)置6m 高四邊形桅桿段(四肢格構(gòu)柱，綴件為綴板)。由于天線安裝對(duì)結(jié)構(gòu)邊寬的限值，桅桿段邊寬為750mm，其下部形成變坡。變坡處塔柱為空間斜交構(gòu)件，承受較大的水平荷載，同時(shí)還承受上部的重力荷載，桿件的內(nèi)力較大，應(yīng)力比達(dá)到了0.989。

表1 方案安全性計(jì)算結(jié)果Tab.1 Results of two schemes

另外方案一新增構(gòu)件較多，進(jìn)而增加了結(jié)構(gòu)擋風(fēng)面積。從表2兩個(gè)方案風(fēng)荷載效應(yīng)對(duì)比可見，基底剪力方面，方案一比方案二高了5.6%，傾覆彎矩方面，方案一比方案二高了36%。由于方案一結(jié)構(gòu)上部風(fēng)荷載增加較多，從而引起的傾覆彎矩差值較大。較高的風(fēng)荷載，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)原構(gòu)件主柱的應(yīng)力比均比方案二高，尤其是主柱L 200 ×14和L 160×14 已經(jīng)超出規(guī)范要求，影響結(jié)構(gòu)安全。

表2 風(fēng)荷載效應(yīng)對(duì)比Tab.2 Comparison of wind load effect

方案二：塔架延伸長(zhǎng)度19.385m，上部設(shè)置16m 插接鋼管，插入塔架內(nèi)7m。鋼管進(jìn)入塔架部分，在上部和下部分別設(shè)置支撐，兩個(gè)支撐可有效分擔(dān)水平力，同時(shí)可承擔(dān)插接鋼管及上部天線等重力荷載，改善了外塔架主柱、腹桿以及承托橫桿的受力狀況。另外，設(shè)置兩層支撐避免了受力集中，增加了結(jié)構(gòu)的冗余度，進(jìn)一步提高了結(jié)構(gòu)安全性。

整體上，方案二增加構(gòu)件較少，風(fēng)荷載效應(yīng)也相對(duì)較小，塔體原構(gòu)件應(yīng)力比均較小，結(jié)構(gòu)安全性較高。

2.結(jié)構(gòu)使用性

廣播電視塔除滿足安全性外，為保證發(fā)射功能，根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50135—2006)[3]對(duì)位移的要求，需滿足位移不超過結(jié)構(gòu)高度的1/75。該塔高度106.0m，頂部位移限值為1.41m，荷載組合采用標(biāo)準(zhǔn)組合1.0D±1.0W+0.7L。通過Midas計(jì)算，兩個(gè)方案頂部位移計(jì)算結(jié)果分別為：方案一，1.015m；方案二，1.122m。可見，兩個(gè)方案的頂部位移均滿足規(guī)范要求。方案一的頂部桅桿段邊寬更寬，提供了更大的剛度，因此方案一的位移略小于方案二。

2.3 方案經(jīng)濟(jì)性及施工可行性分析

方案一新增鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件重量約9.0t，方案二重量約8.77t，從材料造價(jià)方面，兩個(gè)方案差別較小，方案二略優(yōu)。從施工難易程度角度分析，對(duì)于高聳鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安裝，需要利用扒桿裝置完成構(gòu)件吊裝，吊裝構(gòu)件重量越輕，相對(duì)來說施工越容易。方案一頂部桅桿段屬于工廠整體加工，需要整體吊裝，其重量約1.5t；方案二插接鋼管可以以6m一段分開吊裝，塔上靠法蘭連接，這樣減輕了構(gòu)件吊裝重量，每根鋼管重量約0.75t。

因此綜合來看，方案二的經(jīng)濟(jì)性和施工可行性更突出。

3 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)電視塔的改造方案研究，從結(jié)構(gòu)可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及施工可行性方面，對(duì)比了兩種改造方案，最終選擇方案二—插接鋼管加支撐作為本結(jié)構(gòu)的改造方案?，F(xiàn)對(duì)該方案總結(jié)如下：

(1)采用插接鋼管加支撐的方案，由支撐構(gòu)件主要承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平力和彎矩，減輕柱子負(fù)擔(dān)，該方案?jìng)髁β窂矫鞔_，構(gòu)造合理，結(jié)構(gòu)頂部位移滿足規(guī)范要求。

(2)相比于其他截面類型，鋼管的擋風(fēng)面積小，產(chǎn)生的風(fēng)荷載小，故該方案對(duì)原結(jié)構(gòu)安全性的影響小。

(3)該方案由角鋼、鋼管等構(gòu)件拼接而成，用鋼量較少，且不需要整體吊裝，便于高空安裝，有較強(qiáng)的施工可行性。

綜上所述，插接鋼管加支撐的方案結(jié)構(gòu)可靠、構(gòu)造簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)合理、施工可行性強(qiáng)，在鋼結(jié)構(gòu)電視塔改造項(xiàng)目中，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。