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user: 2. 标准塔段主要参数 2.1. 单管塔计算方法 目前，单管塔的计算方法主要有两种：一种是建立有限元模型进行计算 [ 1 ] ；另一种是设计人员自行编制悬臂梁模型进行估算。前者是建立实体模型，沿塔身方向及横截面方向均匀划分单元，然后计算各单元所受的风荷载，最后计算各断面的应力和位移，此方式更符合单管塔实际受力和变形情况，计算结果从理论上来说也更准确，但在实际工程中，其建模、对模型上施加荷载和模型计算等过程比较复杂，通常选用第二种方法。估算法是将单管塔作为一种变截面的悬臂钢管梁考虑，用材料力学挠度叠加法计算单管塔的最大位移，其结果与真实结构精确解存有误差。经过大量的对比试验，单管塔顶点位移相差1.1% [ 2 ] ，对于工程应用，估算法完全满足计算精度。 对于单管塔类的高耸结构，主要计算控制指标是塔身的强度和刚度，而往往刚度是主要计算控制指标，根据《高耸结构设计规范》(GB50135-2006)第3.0.10条的规定 [ 3 ] ：自立塔在以风为主的荷载标准组合下的水平位移不得大于塔高的1/50，单管塔的水平位移限值可根据各行业标准适当放宽。 《移动通信工程钢塔桅工程结构设计规范》(YD5131-2005)第3.1.10条规定 [ 4 ] ：单管塔在以风荷载为主的荷载标准组合作用下，塔桅结构任意点的水平位移不得大于塔高的1/40。 《钢结构单管通信塔技术规程》(CECS236-2008)第3.0.5条规定 [ 5 ] ：当业主无具体使用要求时，单管塔的横向变形允许值，应按照下列要求确定。在风荷载频遇组合下(且风压不小于0.2 kN/m 2 )，加抱杆小微波天线高处塔身角位移应小于4˚，且塔顶水平位移不应大于塔高的1/50。 笔者认为单管塔铁塔结构在满足强度、稳定性要求的前提下，其水平位移限值可以适当放宽，按照《钢结构单管通信塔技术规程》(CECS236-2008)的位移控制指标进行刚度控制，这样塔身直径和壁厚均可适当减小，有效降低塔身重量，使得铁塔更加经济、美观。 通信单管塔由塔身、塔架附属物结构(工作平台、天线、天线支架、爬梯等)、避雷针等组成。塔身一般采用轧制钢板在专用设备上卷制成圆形或是折弯成正多边形截面的钢管、形成沿杆长呈一定锥度的塔段。塔段受加工设备、运输、安装等条件的限制，塔段规格指标参数的选取显得尤为重要。 2.2. 塔段截面形状 塔段截面形状主要有圆形和正多边形两种。圆形截面加工时采用横向卷板方式将钢板卷成圆锥形筒体，用纵向焊缝焊牢，再用横向焊缝将2 m左右长度的筒体拼接成一个节段。圆形截面塔段的主要优点是具有回转半径大，抗弯强度强、工业化程度高，缺点是其多被用于具有美化要求的市区，电缆、爬梯等设备需要设在塔内，管径大，进而用钢量大。 而加工正多边形截面时，是通过大型液压机将钢板折成竖向折板形式，通常为8边形、12边形、16边形，边数最好为4的倍数，按照单管塔直径大小，采用1~2条竖向焊缝将折板卷筒焊成节段。其制作工艺相比圆形截面简单，使用场景更具广泛。 2.3. 塔段锥度(斜率) 为了充分利用材料，单管塔在外形上通常采用下大上小的截锥形，锥度是影响塔体计算和重量的一项重要指标 [ 6 ] 。对于塔段长度、壁厚和底部管径一定的塔段，在相同荷载作用下，塔体锥度越大，则重量越轻，抗弯刚度折减越多；反之，塔体锥度越小，重量越重，抗弯刚度折减越少。举例说明，底部管径为1000 mm，壁厚为10 mm，塔段长度为10 m，塔段重量、抗弯刚度随着塔段锥度的变化规律详见图1、图2。 笔者通过对大量的工程经验进行总结，塔段锥度(斜率)一般控制在1.0%~2.0%之间，在这个范围捏。既能保证塔段的安全性，也有效的降低了塔重。 图1. 塔段净重随锥度变化曲线 图2. 塔段抗弯刚度随锥度变化曲线 2.4. 塔段径厚比 按照板壳力学规定，当D/t ≥ 40时，钢管构件就属于薄壁壳体结构，薄壁壳体钢结构与普通钢结构的主要不同之处是其容易发生局部变形，对缺陷比较敏感，极限承载力受径厚比影响较大 [ 7 ] 。《高耸结构设计规范》(GB50135-2006)第5.6.7条规定 [ 3 ] ：单管塔受弯时(压应力占最大应力值5%以内)，其径厚比满足下列条件时，可以确保钢管的局部稳定。考虑到管壁局部稳定影响。 对于Q235钢 D/t ≤ 140 对于Q345钢 D/t ≤ 110 对于径厚比大于上述规定值的单管塔，《高耸结构设计规范》(GB50135-2006)第5.6.7条还规定 [ 3 ] ：单管塔验算弯矩作用平面内稳定时，其设计强度f应乘以修正系数 μ d 。 μ d 按下式计算： 对于Q235钢 μ d = { 1.0 0.566 + 73.85 ( D / t ) − 1832.5 ( D / t ) 2 } D/t ≤ 140 对于Q345钢 μ d = { 1.0 0.554 + 66.62 ( D / t ) − 1926.5 ( D / t ) 2 } D/t ≤ 110 对于塔段壁厚，《钢结构单管通信塔技术规程》(CECS236-2008)第5.4.1条规定 [ 5 ] ：单管塔所采用的筒体壁厚不应小于5 mm。因此单管塔的壁厚通常为6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm，采用大于16 mm的钢板，其强度要按照《钢结构设计规范》(GB 50017-2003) [ 8 ] 进行折减。 2.5. 连接形式 塔段之间的连接，常用的主要有焊接连接、法兰连接和插接连接，其中法兰连接又分为外法兰连接和外法兰连接。焊接连接是将钢板卷成圆锥形筒体，用纵向焊缝焊牢，再用环向焊缝将2 m左右长度的筒体拼接成相应高度的铁塔。塔管纵缝、环缝采用自动埋弧焊焊接，塔管纵缝、环缝应满足二级焊缝要求，环缝应全熔透，并采用超声波探伤对其进行无损检测。此种连接方式受运输条件和安装条件限制，一般不会完全靠焊缝连接成铁塔，而是将2 m左右长度的筒体拼接成一个塔段，塔段之间采用法兰连接或是插接连接，拼装成一个铁塔(表1)。 法兰连接是在塔段的两端安装连接法兰，采用螺栓将相邻塔段禁固在一起。法兰式连接通过螺栓、法兰盘和加劲板传递塔身内力，是单管塔较为理想的连接形式。单管塔采用法兰连接时，法兰应保证75%紧密贴合，边缘间隙最大不超过2 mm。 插接连接是将下部塔段的顶部插入上部塔段底部，依靠上下铁塔插接段楔紧的作用传递塔身内力的一种连接方式 [ 9 ] 。插接长度不同，节点破坏形式不同，为保证节点插接段不先于非插接段破坏，插接长度不宜过小。但是目前相关的规范及行业标准对插接长度仅给出了一个的建议值，取为1.5 D (D为套接范围下端直径)。 两种及两种以上连接方式的互用是目前少见的一种连接方式，但其可以发挥一种方式的优点，通过另一种连接方式弥补第一种连接方式的不足，从而达到良好的效果。 2.6. 塔段长度 塔段长度是铁塔标准化的一项重要指标。塔段长度受钢板模数、塔厂加工工艺、运输条件和安装条件限制，塔段长度不宜过长，一般在12 m以内。 塔段又不宜过短，是因为塔段过短，塔段的连接节点必然增多，插接式的套接段或是法兰式的法兰数量必然增多，从而增加了铁塔的重量。以50 m的插接单管塔举例说明，铁塔顶部直径为600 mm，底部直径1200 mm，壁厚均为10 mm，插接长度取1.5 D (D为套接范围下端直径)。 通过表2、表3可以看出，对于50 m插接单管塔，平均分成10段塔段的铁塔总重为13，635.19 kg，而平均分成5段塔段的铁塔总重为12，158.13 kg，塔重增加12.14%。以同样的方式计算(计算省略)法兰连接单管塔，内法兰连接铁塔增重约为11.23%，外法兰连接铁塔增重约为13.67%。 由此可见，对于同一单管塔，无论是插接式连接的单管塔，还是法兰连接的单管塔，塔段的数量不宜过度，塔段长度不宜过短。综上所述，塔段长度不宜过长、过短，宜为6 m~10 m之间。