摘要：采用通用有限元软件建立铝合金三管通信塔模型，分析其结构的内力、位移，研究了构件和节点的计算，以及工程中应注意的问题。对不同根开的铝合金三管通信塔的相关参数进行了对比分析，统计了主要材料的用量，并对其经济性进行了对比分析，为实际工程应用提供参考。研究表明：铝合金材料用于三管通信塔能够满足结构设计要求，加大根开能够有效减少主管内力，但对减少通信塔的材料用量效果不明显，实际工程中应综合多方面因素确定铝合金三管通信塔的适用性。
关键词：铝合金；三管通信塔；研究
引言
近年来我国移动通信事业迅猛发展，工信部电信质量服务报告显示，截止2015年底，全国移动电话用户达13.06亿户。伴随用户数量的高速增长，电信基础设施建设得到了快速发展。为了提高通信质量、保障通信安全、畅通，近年来几大运营商均在信号覆盖、网络优化等方面加大投入力度。因此，通信塔的建设得到了快速增长。目前较为常见的通信塔形式主要是钢结构单管塔和钢结构三管塔，这两种塔型主要优点是结构形式简单、外形美观、施工方便。但是在偏远山区及腐蚀环境下，运输和维护工作仍然比较困难。而铝合金材料具有轻质、高强、耐腐蚀等优良性能，刚好可以弥补钢结构通信塔这方面的不足。此外，铝合金材料所具有的绿色环保、可循环利用的优点，契合了生态文明建设和绿色发展理念的时代背景。因此，铝合金通信塔的研究工作被提上了日程。
1铝合金三管通信塔结构分析
1.1几何模型
铝合金三管通信塔塔高40m，为优化结构设计，根开分别采用3940mm、4340mm、4720mm、5100mm四种形式。塔身设三层平台，每层平台安装6付天线和6个ＲＲU。主材采用6061－T6铝合金管，整个塔架划分为8个塔段，塔段之间的铝合金管采用法兰连接。主斜、主横材采用6061－T6单角铝，单角铝与铝合金管之间采用节点板连接。
1.2作用在通信塔上的荷载
1.2.1永久荷载
永久荷载为塔身及附属构件的自重。
1.2.2可变荷载
可变荷载包括风荷载、地震作用、覆冰荷载、平台活荷载、雪荷载等。结构分析中基本风压采用ω0=0.55kN/m2，地面粗糙度为B类；抗震设防烈度为8度，基本地震加速度为0.2g；覆冰荷载组合为非控制组合，故本次分析中不考虑该荷载；平台活荷载为2kN/m2；由于雪荷载与平台活荷载不同时考虑，且平台活荷载较雪荷载大得多，故不考虑雪荷载的组合。
1.3结构计算分析
结构计算软件采用大型通用有限元分析软件，建立铝合金三管通信塔的结构模型，每一塔段主管对应一个截面，斜杆根据初算内力及长度初步确定斜杆截面。在结构模型上施加各个荷载工况，对铝合金三管通信塔在各个荷载工况及荷载组合作用下的结构内力及位移进行计算分析。随着根开的加大，各个塔段主管最大内力设计值显著降低，根开由3940mm增加到4340mm，塔段8主管最大内力设计值减少了15.6%；增加到5100mm时，塔段8主管最大内力设计值减少达28.7%。四种根开条件下，铝合金通信塔的最大位移均能满足规范水平位移限值要求u/Hi≤1/75，且随着根开的加大，整个塔架刚度明显加大。随着根开的加大，斜杆最大内力设计值略有减小。
1.4杆件及节点设计
铝合金三管通信塔主管为轴心受力构件，其强度、整体稳定均按《铝合金结构设计规范》中相应的公式进行计算。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆主要应注意在斜杆节点板及法兰盘加劲肋连接位置，主管与铝板之间是通过焊缝连接的，铝合金构件焊接时应考虑焊接热影响区域内材料强度降低造成的截面削弱，对6061－T6铝合金材料而言，焊接热影响区域材料强度折减系数达0.5，因此应采用有效截面计算截面的削弱程度。
2焊丝选择及焊接工艺
铝合金材料受焊接热影响强度削弱严重，为了减少焊接的不利影响，国内外学者做了大量的试验研究。为提高6061－T6铝合金的焊接性能，从强度方面考虑时，应首选SAIMG－3焊丝（Eur5356），这样所得到的焊接接头强度较高，变形能力也较强，破坏表现为延性特征。在焊接6061－T6铝合金时，焊接前后的热处理对接头性能有很大影响，在退火状态下焊接然后进行固熔和时效处理，焊接接头的性能最好。因此设计时应规定焊接后采取退火处理，尽可能保证退火温度不超过60℃，使得焊接热影响区域最小。
3抗震性能化设计
6061－T6铝合金材料的名义屈服强度与抗拉强度的比值约为0.905，伸长率不小于8%，其塑性较钢材稍差，不满足《建筑抗震设计规范》对钢材的强屈比及伸长率的要求。为保证地震作用下结构的安全性，考虑采用抗震性能化设计，即铝合金三管通信塔结构在多遇地震、设防地震、罕遇地震分别作用下，结构构件的承载力、位移指标均能满足性能1的要求。为此，调整有限元模型中地震反应谱中水平地震影响系数最大值，将抗震设防烈度8度对应的多遇地震的影响系数0.16调整为罕遇地震的影响系数0.90，重新计算各个模型杆件内力包络值。
从计算结果来看调整后的杆件最大内力与表1、表2所列数据相同，说明地震作用对本结构不起控制作用，罕遇地震作用下结构仍然处于弹性状态，结构构件的各项指标均满足性能1要求，铝合金通信塔可采用6061－T6铝合金材料。
4铝合金通信塔的防腐蚀问题
铝合金材料与大气接触时表面能形成一道致密的氧化膜，从而阻止内部的铝合金被腐蚀，因此具有优良的抗腐蚀性能。但是铝合金材料与钢材等其它金属材料接触时，会存在电位差，暴露在潮湿的大气中形成了电解质溶液，造成电位差腐蚀，严重影响铝合金材料的使用寿命。因此，铝合金通信塔构件之间采用螺栓连接时要注意采取措施，避免出现电化学腐蚀。目前常用做法有两种，一种是采用镀锌的普通螺栓，另一种是采用不锈钢螺栓，这两种螺栓表面与铝合金材料的电位相当，可避免出现电位差腐蚀。由于镀锌螺栓在安装过程中及使用阶段可能导致镀锌层局部摩蚀，暴露钢材，重新形成电位差腐蚀，因此铝合金材料连接时尽可能采用不锈钢螺栓。
5工程材料量及经济性分析
为优化结构设计，本工程采用了4种根开形式的铝合金三管通信塔模型，分别计算并统计每种形式结构主要构件的材料用量。1、增大根开可减少铝合金三管通信塔的主要构件材料量，减少上部结构造价，但效果不明显。2、增大根开通信塔占地面积有所增加，购地费用增加，但构件内力减小，基础大小也可随之减小。实际工程中可考虑上部结构材料造价、基础造价、用地费用，并结合运输安装条件、腐蚀环境、残值回收价值等各方面因素，综合分析铝合金三管通信塔应用的经济性和适用性。
结语
1）6061－T6铝合金材料用于三管通信塔能够满足结构设计要求，在我国推进生态文明建设，贯彻绿色发展理念的时代背景下，铝合金三管通信塔将充分发挥其绿色环保、循环利用的优势，成为未来通信行业的主力塔型。2）加大三管通信塔根开能够有效减少塔段主管内力设计值，减小杆件截面尺寸，增加结构刚度，能减小上部结构材料量，对减小基础大小也有好处，但占地面积有所增加。3）地震作用对三管通信塔结构不起控制作用，即使在罕遇地震作用下结构仍处于弹性状态，采用6061－T6铝合金结构构件能够满足《建筑抗震设计规范》抗震性能化设计中性能1的各个指标要求。4）增大根开可以减少铝合金三管通信塔的上部结构材料量，但效果不明显，实际工程中应分析各个方面的因素，综合考虑具体工程中铝合金三管通信塔应用的经济性和适用性。
参考文献：
［1］中国铁塔股份有限公司．《通信铁塔标准图集V1.1》Q/ZTT1002－2015［国家标准图集］［S］．
［2］YD/T5131－2005移动通信工程钢塔桅结构设计规范［S］．北京：北京邮电大学出版社，2006．
论文作者:刘志全1,邓永娟2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第22期
论文发表时间:2018/9/11
标签：铝合金论文; 荷载论文; 通信论文; 结构论文; 材料论文; 三管论文; 内力论文; 《基层建设》2018年第22期论文;