建筑屋面通信抱桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

卓佐君，滕才智

（寧波華訊通信服務(wù)有限公司，浙江 寧波 315000）

1 引言

隨著通信行業(yè)的不斷發(fā)展，屋面抱桿作為重要組成部分，如何通過(guò)合理的設(shè)計(jì)保證屋面天線抱桿在惡劣天氣情況下具有可靠性并滿足使用要求成為突出問(wèn)題。為了更好地指導(dǎo)基站屋面抱桿建設(shè)工作，本文結(jié)合自立式屋面抱桿在風(fēng)荷載作用下的受力特點(diǎn)及設(shè)計(jì)做出分析和探討，指出了主桿和斜撐桿件選材的特點(diǎn)及優(yōu)化措施，為類(lèi)似工程提供參考。

2 屋面抱桿的類(lèi)型和受力特點(diǎn)

屋面抱桿按與屋面的連接方式，分成與屋面結(jié)構(gòu)可靠連接和與屋面結(jié)構(gòu)無(wú)固定連接兩種方式?？煽窟B接分成自立式抱桿和附女兒墻抱桿；無(wú)固定連接主要指基礎(chǔ)為配重式抱桿。由于高風(fēng)壓地區(qū)抱桿受力大，對(duì)基礎(chǔ)要求高，故附女兒墻和配重式抱桿可靠性不如自立式抱桿。

本文著重對(duì)自力式抱桿設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。自力式抱桿由主桿和斜撐組成，主桿為外伸式壓彎構(gòu)件，主要計(jì)算桿件的壓彎穩(wěn)定；斜撐為軸向受拉壓構(gòu)件，既要滿足承載力要求，又要滿足受壓桿件長(zhǎng)細(xì)比要求。

3 以6 m 自立式抱桿計(jì)算過(guò)程分析為例

設(shè)計(jì)條件：基本風(fēng)壓為0.9 kN/m2，地面粗糙類(lèi)別為B 類(lèi)，抱桿高度為6 m，建筑物高度為50 m，抱桿主桿采用型號(hào)為89 mm×7 mm 的鋼管，斜撐類(lèi)型一為70 mm×5 mm 的圓鋼；類(lèi)型二為80 mm×5 mm 的角鋼。天線參數(shù)：1 副4G 天線0.6 m2、1 副5G 天線0.5 m2，天線掛高均為5.5 m。

將抱桿主桿簡(jiǎn)化為外伸梁構(gòu)件，斜撐為拉壓桿，其他小構(gòu)件不計(jì)。抱桿在風(fēng)荷載作用下的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

圖1 抱桿在風(fēng)荷載作用下計(jì)算簡(jiǎn)圖（單位：mm）

3.1 風(fēng)荷載計(jì)算

根據(jù)GB 50135—2019《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[1]和GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2]相關(guān)規(guī)定，風(fēng)荷載計(jì)算表達(dá)式為：

式中，Wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；βz為Z 部位的風(fēng)振系數(shù)，風(fēng)振系數(shù)指塔桅對(duì)風(fēng)的敏感性反應(yīng)，對(duì)高聳結(jié)構(gòu)計(jì)算影響較大，通過(guò)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和受力角度分析，本文認(rèn)為本站抱桿因?yàn)橄鄬?duì)單管塔及角鋼塔比較矮小單一，是介于普通建筑物和單管塔之間的高聳結(jié)構(gòu)，風(fēng)振系數(shù)不宜完全按普通建筑物取值，也不宜按單管塔直接計(jì)算，故風(fēng)振系數(shù)取中間值1.3；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，本站點(diǎn)根據(jù)YDT 5131—2019《移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，天線體型系數(shù)取值1.3，主桿雖然為鋼管，但由于鋼管表面爬釘、饋線、防雷扁鋼的綜合影響，故本文認(rèn)為在不額外計(jì)算附屬構(gòu)件的擋風(fēng)面積時(shí)，主桿體型系數(shù)也應(yīng)取1.3；μz為風(fēng)壓高度的變化系數(shù)，本站點(diǎn)風(fēng)壓高度為50 m，地面粗糙類(lèi)別B 類(lèi)，按荷載規(guī)范取值為1.67；W0為基本風(fēng)壓，kN/m2，本站點(diǎn)取值為0.9 kN/m2。

結(jié)合以上計(jì)算參數(shù)進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算：

式中，F(xiàn)為天線風(fēng)荷載，kN；A為兩付天線的正面迎風(fēng)面積，為1.1 m2。

同理得桿身上段風(fēng)荷載F上=0.55 kN，桿身下段風(fēng)荷載F下=0.92 kN。

3.2 重力荷載計(jì)算

本抱桿同時(shí)掛設(shè)4G 天線和5G 天線，天線自重為80 kg，即0.8 kN；饋線自重為0.1 kN/m；抱桿自重綜合考慮為0.4 kN/m。

3.3 內(nèi)力計(jì)算

主桿彎矩計(jì)算：由于高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載為主導(dǎo)荷載，考慮桿身受力特點(diǎn)，桿身彎矩為天線風(fēng)荷載集中力和抱桿自身均布力的疊加，受力簡(jiǎn)圖如圖2 所示。

圖2 受力簡(jiǎn)圖（單位：mm）

經(jīng)計(jì)算A點(diǎn)最大彎矩設(shè)計(jì)值M為7.49 kN·m；同理，A點(diǎn)剪力V為5.32 kN。

斜撐壓力計(jì)算：由于斜撐壓力是主桿彎矩和剪力引起的，故由結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算得斜撐AB的軸向壓力為15.48 kN。

斜撐壓力計(jì)算：斜撐桿AC斷開(kāi)，對(duì)A點(diǎn)取距，由結(jié)構(gòu)力學(xué)和幾何知識(shí)計(jì)算得斜撐AB軸向壓力為15.48 k N。

主桿AC上部軸力N上=2.0 kN；AC下部軸力N下=16.06 kN。

3.4 主桿復(fù)核

基本數(shù)據(jù)：主桿截面面積A主桿=1 803 mm2，抗彎剛度W=34.31 cm3，回轉(zhuǎn)半徑ix=29.09 mm；主桿為壓彎構(gòu)件，主桿A點(diǎn)上段穩(wěn)定性驗(yàn)算如下：

由GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[4]計(jì)算桿件長(zhǎng)細(xì)比：

式中，μ為計(jì)算長(zhǎng)細(xì)比影響系數(shù)，取2；l為構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度，取2 200 mm；ix為構(gòu)件的回轉(zhuǎn)半徑，mm。

這里主桿桿材如果采用Q235B 鋼管，穩(wěn)定系數(shù)取φx=0.334；如果桿材采用Q345B 鋼管，穩(wěn)定系數(shù)取φx=0.237。計(jì)算影響參數(shù)見(jiàn)式（4）。

式中，N′Ex為影響參數(shù)；E為鋼材彈性模量，取206 kN/m2。

主桿穩(wěn)定性應(yīng)滿足50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》8.2.1中的公式[5]：

式中，N為桿件壓力，N；f為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/m2；βmx為等效彎矩系數(shù)；Mx為桿件彎矩，kN·m；γx為截面塑性發(fā)展系數(shù)；W1x為在彎矩作用平面內(nèi)受壓最大纖維的毛截面模量，mm3。

當(dāng)為Q235B 時(shí)，將數(shù)據(jù)代入式（5）得不等式左邊數(shù)值為1.04，式（5）不成立，超出穩(wěn)定性使用要求，結(jié)果主桿不安全。

當(dāng)采用Q345B 時(shí)，同理代入式（5），不等式左邊數(shù)值為0.74，式（5）成立，穩(wěn)定性在使用范圍內(nèi)。

復(fù)核主桿A 點(diǎn)下段：

根據(jù)GB 50017——2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，下段復(fù)核過(guò)程與上段一致，采用Q345B 鋼管時(shí)，計(jì)算得式（5）左邊數(shù)值為0.86，式（5）成立，因此，穩(wěn)定性在使用范圍內(nèi)。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)對(duì)于主桿而言，當(dāng)天線掛設(shè)于斜撐點(diǎn)上方時(shí)，主桿應(yīng)力最大值位于斜撐點(diǎn)下方。這里雖然沒(méi)有進(jìn)一步展開(kāi)計(jì)算，但由結(jié)構(gòu)力學(xué)受力特點(diǎn)可推斷，在斜撐點(diǎn)下方掛設(shè)天線面積小于1.0 m2時(shí)，主桿應(yīng)力最大值位于斜撐點(diǎn)下方，并且鋼材型號(hào)對(duì)主桿影響較大，原則上應(yīng)選Q345B 鋼管有利于鋼材利用。

3.5 斜撐復(fù)核

當(dāng)斜撐類(lèi)型一為70 mm×5 mm 的Q235B 鋼管時(shí)，桿件截面面積A斜撐=10.21 cm2，回轉(zhuǎn)半徑ix=2.304 cm；斜撐桿長(zhǎng)細(xì)比為186.63，查表求得穩(wěn)定系數(shù)φx=0.229。

由GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》7.2.1 中公式可知：

求得式（6）不等式左邊數(shù)值為0.31，滿足使用要求。

根據(jù)YDT 5131—2019《移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》5.2.2 塔架的主材、腹桿等構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比λ應(yīng)不超過(guò)下列規(guī)定值：塔柱、受壓弦桿λ≤150；橫桿、斜桿λ≤150，當(dāng)內(nèi)力小于桿件承載力的50%時(shí)，λ≤200。

得知長(zhǎng)細(xì)比也滿足要求。

4 結(jié)論

本文以6 m 抱桿計(jì)算為例，通過(guò)詳細(xì)計(jì)算和分析，對(duì)比了不同桿件截面和不同鋼材型號(hào)對(duì)抱桿實(shí)際應(yīng)用的影響，得出以下結(jié)論：

1）在計(jì)算屋面抱桿風(fēng)荷載時(shí)，風(fēng)振系數(shù)和體型系數(shù)不宜生硬地按規(guī)范套用，應(yīng)注意實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，否則計(jì)算誤差較大。

2）抱桿主桿為壓彎構(gòu)件，除了鋼材尺寸，鋼材型號(hào)對(duì)主桿發(fā)揮影響較大，原則上選擇高級(jí)別的鋼材。

3）抱桿斜撐強(qiáng)度影響不大，斜撐由長(zhǎng)細(xì)比控制，從受力角度和外形美觀度來(lái)說(shuō)，圓桿優(yōu)于角鋼。

4）除了上述3 點(diǎn)之外，在實(shí)際屋面抱桿設(shè)計(jì)過(guò)程中，要注意連接構(gòu)件設(shè)計(jì)滿足規(guī)范構(gòu)造要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)自立式屋面抱桿在風(fēng)荷載作用下的實(shí)例進(jìn)行分析，通過(guò)詳細(xì)計(jì)算和分析，對(duì)比了不同桿件截面和不同鋼材型號(hào)對(duì)抱桿實(shí)際應(yīng)用效果的影響，指出了屋面抱桿計(jì)算取值的注意事項(xiàng)，提出了主桿和斜撐桿件選材的特點(diǎn)及優(yōu)化，可為類(lèi)似的工程提供參考。