屋面天线抱杆负荷计算.docx

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屋面天线抱杆负荷计算

屋面天线抱杆负荷计算

1前言

现阶段中国移动正在全力推动TD-SCDMA网络建设，基站建设是其中的关键。

TD-SCDMA基站目前多数集中在大中城市，其中相当多的基站需要新建屋面抱杆用以安装TD天线。

为更好地指导TD-SCDMA基站土建改造的建设工作，特对屋面抱杆进行计算。

1.1本计算适用于安装TD-SCDMA移动通信天线及塔顶放大器（以下简称“塔放”或”TMB”）的抱杆工程。

1.2抱杆工程应满足天线、塔放的工艺要求，并做到安全可靠，经济合理，施工简便，因地制宜。

1.3抱杆工程应首先符合相关国家标准和行业标准的规定。

1.4天线抱杆的使用年限取决于钢材及紧固件的防腐年限。

2抱杆的工艺要求

2.1几何尺寸及重量

综合不同厂家产品的数据，取最大的尺寸与重量作参考。

TD-SCDMA定向天线尺寸：

1268×688×102mm，重量：

17.6kg；

塔放尺寸：

352×290×488mm，重量：

24kg，每副TD-SCDMA天线配1个塔放。

图21天线与塔放

2.2天线抱杆的直径

综合不同厂家的产品要求，选取天线卡具共同可用的尺寸作参考。

抱杆直径为Φ64mm～Φ110mm。

2.3天线间距要求

同一TD机站三个扇区天线间的间距要求：

水平间距≥2m，如果条件不具备，特殊情况下可以≥1.5m。

垂直间距（上层天线下缘与下层天线上缘）≥1.0m，特殊情况下可以≥0.5m。

2.4屋面天线辐射角和抱杆安装位置

屋面对天线辐射的影响，要求沿天线扇区方向，自天线顶端至屋面边沿（或女儿墙边沿）的连线与抱杆之间的夹角小于等于45º。

抱杆在屋面的安装位置由通信专业设计人员确定。

3.1屋面抱杆安装环境

安装环境是指在建筑的屋面上安装抱杆的屋面建筑形式，指抱杆安装的位置、高度、周边状态、抱杆附着物的特征等因素所决定的综合条件。

主要有上人屋面和不上人屋面两种形式，屋面安装环境大致有三种状况：

（1）无女儿墙的屋面、

（2）有女儿墙的屋面、

（3）有突出屋面的局部建筑。

因建设地点不同、基本风压不同、抱杆安装高度不同，导致安装环境的很大差异。

如能将抱杆的基座直接锚固在屋面结构上是最安全可靠的安装方式，但因屋面防水层破坏后很难恢复，这一方式难以实现，所以，屋面安装环境尽量以不破坏屋面防水为前提。

3.2贴墙式屋面抱杆

抱杆直接固定在实心砖墙或混凝土构件上（如：

混凝土梁、柱、墙）。

绝对不允许利用任何类型的轻质墙固定抱杆（如：

加气混凝土墙、轻质陶粒混凝土墙、空心砖墙、空斗砖墙、泰柏板墙等），遇到轻质墙时，应将抱杆固定在轻质墙体内的混凝土构造柱上。

贴墙式抱杆可固定于女儿墙，也可固定于突出屋面的局部建筑之墙体，利用墙体确保抱杆的稳定。

贴墙式抱杆支架方案如图3所示：

图31贴墙式抱杆

［安装要求］

（1）附着于女儿墙内侧的抱杆，由于固定端长度较短，抱杆不宜过长，女儿墙以上长度在1.6m左右，能满足安装天线即可；同时抱杆的两个锚固点间距不小于0.6m。

（2）附着于突出屋面的局部建筑墙体或女儿墙外侧的抱杆，其墙顶伸出长度<3m时，抱杆在墙体上的锚固长度不小于墙顶伸出长度的1/2。

（3）附着于突出屋面的局部建筑墙体或女儿墙外侧的抱杆，其墙顶伸出长度超过3m时，需进行专门设计。

3.3贴墙配重式屋面抱杆

当女儿墙高度较低，不满足结构安装要求时，可采用此安装方式。

其特点是：

在有女儿墙的屋面上，能比单纯配重式抱杆支架更接近屋面边沿。

天线和塔放可安装于同一抱杆。

图3.2贴墙＋配重式抱杆

［安装要求］

（1）在不上人屋面安装时，如果配重块不能布置在墙、梁上方，建议加长配重臂长度以减小配重块重量。

（2）抱杆距屋面边沿的距离与抱杆高度有关，应经过计算确定抱杆高度。

抱杆较长时，应加钢斜撑。

（3）混凝土墩的重量、数量与间距通过抗倾覆计算确定，设计确定的配重块重量和配重臂长度不能自行变更。

（4）应首选整体混凝土配重块，如施工不便，采用散体配重时，应有散体防松散和防盗措施。

（5）配重部分安装完成后应稳固无晃动，如屋面不平整，应在配重块下方用1:

3水泥砂浆找平。

（6）选址应避开屋面挑檐、雨水口、天沟，并注意不得损害原屋面防水层。

（7）贴墙＋配重式抱杆支架不适用于轻型屋面。

3.4配重式屋面抱杆

抱杆下端支架利用混凝土墩等重物做抗倾覆的配重，保证抱杆在风荷载作用下的稳定。

采用此种方式可不破坏屋面，可用于上人和不上人屋面。

因为一般屋面结构允许荷载有限，安放时应选择建筑墙、梁位置上方布置配重块，混凝土墩之间用型钢连接（焊接或螺栓连接），形成一个抱杆支架的底座。

图A.4.2配重式抱杆

［安装要求］

（1）配重式抱杆支架在不上人屋面安装时，如果配重块不能布置在墙、梁上方，建议加长配重臂长度以减小配重块重量。

（2）抱杆距屋面边沿的距离与抱杆高度有关，应经过计算确定抱杆高度。

抱杆较长时，应加钢斜撑。

（3）混凝土墩的重量、数量与间距通过抗倾覆计算确定，设计确定的配重块重量和配重臂长度不能自行变更。

（4）应首选整体混凝土配重块，如施工不便，采用散体配重时，应有散体防松散和防盗措施。

（5）配重式抱杆安装完成后应稳固无晃动，如屋面不平整，应在抱杆底座下方用1:

3水泥砂浆找平。

（6）选址应避开屋面挑檐、雨水口、天沟，并注意不得损害原屋面防水层。

（7）配重式抱杆支架不适用于轻型屋面。

4.1计算标准

由于屋面移动通信天线承受风荷载的情况没有专门机构进行研究，亦没有专门针对移动通信天线的计算参数。

为确保天线的安全，也为便于科学、准确地计算风荷载，本计算依照国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009-2001中对风荷载计算的相关条文，对风载计算中的主要参数作出统一规定。

4.1.1根据移动通信天线的重要性和《建筑结构荷载规范》的有关规定，基本风压按50年一遇的风压采用。

4.1.2安徽省主要城市风压统计如下：

城市风压表

合肥

亳州

蚌埠

六安

安庆

黄山市

芜湖

滁州

0.35

0.45

0.35

0.35

0.40

0.35

0.40

0.35

4.1.3本期TD工程基本风压值取0.45kN/m2，（按50年重现期）。

因本期TD工程主要覆盖城市具有密集的城市建筑，地面粗糙度类别一般取C类。

4.1.4根据城区TD天线的一般安装高度要求，进行屋面抱杆风荷载计算时，取计算高度为40米。

（注：

一般情况当天线挂高小于40米；当天线实际挂高超过40米时，应根据实际高度计算。

）

4.1.5考虑到通信天线的重要性和风荷载的不确定性，对于天线塔架和建筑结构相连接部位的连接措施，建议在计算的基础上适当加强。

4.2风荷载计算参数

风荷载标准值：

Wk=βZμSμZW0

式中　Wk－风荷载标准值（kN/m2）；

βZ－高度z处的风振系数，针对屋面抱杆不考虑，βZ=1；

μS－风荷载体型系数,根据天线形状，μS=1.3；

μZ－风压高度变化系数，40米高度取值为μZ=1.13；

W0－基本风压（kN/m2）,分别为0.35、0.40、0.45三个级别。

2.3风荷载标准值：

根据上述计算参数，举例计算风荷载标准值如下

Wk0.45=1.3X1.13X0.45=0.661（kN/m2）

TD-SCDMA天线面积：

A1=1.268×0.688=0.872m2

塔放迎风面积：

A2=0.352×0.290=0.102m2

注：

TD-SCDMA天线尺寸采用《TD-SCDMA新建抱杆土建施工图设计总说明》；

TD-SCDMA天线安装在抱杆顶端，塔放安装在TD-SCDMA天线下方，TD-SCDMA天线与塔放之间的距离为200mm。

TD-SCDMA天线所受风荷载设计值：

W1=1.4*A1*Wk

W10.45=1.4*0.872*0.661=0.807kN

塔放所受风荷载：

W2=1.4*A2*Wk

W20.45=1.4*0.102*0.661=0.094kN

设计遵循的标准、规范

《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》（YD/T5131-2005）

《移动通信工程钢塔桅结构验收规范》（YD/T5132-2005）

《钢结构设计规范》（GB50017-2003）

《高耸结构设计规范》（GBJ135-90）

安徽省TD-SCDMA工程基本风压值取0.45kN/m2，（按50年重现期）。

因TD工程目前主要覆盖城市具有密集的城市建筑，地面粗糙度类别一般取C类。

根据城区TD天线的一般安装高度要求，进行屋面抱杆风荷载计算时，取计算高度为40米。

一、贴墙式抱杆

以3米贴墙式抱杆安装TD-SCDMA天线及塔放的计算过程为例，介绍计算过程：

将抱杆简化为悬臂杆件，固端选取在最上面一排螺栓处。

计算简图和挠度应力图见图1～图3，计算结果见表1.

图1：

贴墙式抱杆计算简图

图23m贴墙式抱杆挠度图图33m贴墙式抱杆弯矩图

由《钢结构设计规范》（GB50017-2003）公式5.2.1

弯矩作用在主平面内的拉弯构件和压弯构件，其强度应按下列规范计算：

式中：

、

——与截面模量相应的截面塑性发展系数，应按表5.2.1采用。

抱杆主杆为热轧无缝钢管，

由《钢结构设计规范》（GB50017-2003）公式5.2.2

弯矩作用在对称轴平面内（绕X轴）的实腹式压弯构件，其稳定性应按下列规定计算：

弯矩作用平面内的稳定性

式中：

——所计算构件段范围内的轴心压力；

——参数，

；

——弯矩作用平面内的轴心受压杆件稳定系数；

——所计算构件段范围内的最大弯矩；

——在弯矩作用平面内对较大受压纤维的毛截面模量；

——等效弯矩系数，悬臂杆件

。

以3米贴墙式抱杆安装TD-SCDMA天线及塔放的计算过程为例：

计算条件：

抱杆截面70*5热轧无缝钢管，每米重量8.01kg/m，截面面积A=10.21cm2，抗弯刚度W=15.50cm3，回转半径i=2.30cm

TD-SCDMA天线重量为：

17.6kg；塔放重量为：

24kg

其中风荷载产生弯矩设计值：

M=0.807*（3-1.268/2）+0.094*（3-1.268-0.2-0.352/2）=2.04kN·m

抱杆、天线及塔放产生的压力设计值：

N=1.2*（8.01*3+17.6+24）*9.8/1000=0.772kN

其中长细比：

式中：

——压杆计算长度系数，对于压杆一端固定，一端自由

；

——杆件长度取值，杆件自重、天线及塔放重心在杆件的1/2处；

抱杆主杆为热轧无缝钢管，为a类截面，

查附表C-1a类截面轴心受压构件的稳定系数，查得

；

；

1、强度验算：

2、长细比：

3、稳定性验算：

同理，计算出4米贴墙式抱杆产生的最大应力为：

116.20KPa

计算出6米贴墙式抱杆产生的最大应力为：

191.67KPa

表1：

风荷载作用下贴墙式抱杆的应力和挠度

天线类型

抱杆长度

抱杆类型

杆件尺寸

最大弯矩

（kN.m）

最大应力（MPa）

长细比

TD-SCDMA天线及塔放

3米

贴墙式

70*5

2.04

116.69

130

4米

贴墙式

83*5

2.94

116.20

145

6米

贴墙式

83*5

4.74

191.67

217

二、贴墙配重式抱杆

以3米贴墙配重式抱杆安装TD-SCDMA天线及塔放的计算过程为例，介绍计算过程：

将抱杆简化为悬臂杆件，固端选取在最上面一排螺栓处，斜杆与抱杆交接处采用铰接点简化，以此考虑斜杆在拉力和压力作用下的变形，其计算简图和挠度应力图见图4～图6，计算结果见表3.

图43m贴墙配重式抱杆计算简图

图53m贴墙配重式抱杆挠度图图63m贴墙配重式抱杆弯矩图

以3米贴墙配重式抱杆安装TD-SCDMA天线及塔放的计算过程为例：

计算条件：

抱杆截面60*5热轧无缝钢管，每米重量6.78kg/m，截面面积A=8.64cm2，抗弯刚度W=10.98cm3，回转半径i=1.95cm

TD-SCDMA天线重量为：

17.6kg；塔放重量为：

24kg

其中风荷载产生弯矩设计值：

M=2.21kN·m

抱杆、天线及塔放产生的压力设计值：

N=1.2*（6.78*3+17.6+24）*9.8/1000=0.728kN

其中长细比：

式中：

——压杆计算长度系数，压杆中间有支撑

；

——杆件长度取值，杆件自重、天线及塔放重心在杆件的1/2处；

抱杆主杆为热轧无缝钢管，为a类截面，

查附表C-1a类截面轴心受压构件的稳定系数，查得

；

；

1、强度验算：

2、长细比：

3、稳定性验算：

同理，计算出4米贴墙配重式抱杆产生的最大应力为：

205.07KPa

计算出6米贴墙配重式抱杆产生的最大应力为：

174.61KPa

表3：

风荷载作用下贴墙配重式抱杆的应力和挠度

天线类型

抱杆长度

抱杆类型

杆件尺寸

最大弯矩

（kN.m）

最大应力（MPa）

长细比

TD-SCDMA天线及塔放

3米

贴墙配重式

60*5

2.21

176.44

77

4米

贴墙配重式

60*5

2.56

205.07

103

6米

贴墙配重式

70*5

3.05

174.61

130

三、配重式抱杆：

以3米配重式抱杆安装TD-SCDMA天线及塔放的计算过程为例，介绍计算过程：

将抱杆简化为悬臂杆件，固端选取在最上面一排螺栓处，斜杆与抱杆交接处采用铰接点简化，以此考虑斜杆在拉力和压力作用下的变形，其计算简图和挠度应力图见图7～图9，计算结果见表4.

图73m配重式抱杆计算简图

图83m配重式抱杆挠度图图93m配重式抱杆弯矩图

以3米配重式抱杆安装TD-SCDMA天线及塔放的计算过程为例：

计算条件：

抱杆截面60*5热轧无缝钢管，每米重量6.78kg/m，截面面积A=8.64cm2，抗弯刚度W=10.98cm3，回转半径i=1.95cm

TD-SCDMA天线重量为：

17.6kg；塔放重量为：

24kg

其中风荷载产生弯矩设计值：

M=2.13kN·m

抱杆、天线及塔放产生的压力设计值：

N=1.2*（6.78*3+17.6+24）*9.8/1000=0.728kN

其中长细比：

式中：

——压杆计算长度系数，压杆中间有支撑

；

——杆件长度取值，杆件自重、天线及塔放重心在杆件的1/2处；

抱杆主杆为热轧无缝钢管，为a类截面，

查附表C-1a类截面轴心受压构件的稳定系数，查得

；

；

1、强度验算：

2、长细比：

3、稳定性验算：

同理，计算出4米配重式抱杆产生的最大应力为：

200.29KPa

计算出6米配重式抱杆产生的最大应力为：

157.65KPa

表4：

风荷载作用下配重式抱杆的应力和挠度

天线类型

抱杆长度

抱杆类型

杆件尺寸

最大弯矩

（kN.m）

最大应力（MPa）

长细比

TD-SCDMA天线及塔放

3米

配重式

60*5

2.13

170.09

77

4米

配重式

60*5

2.50

200.29

103

6米

配重式

70*5

2.75

157.65

130

6备注

1．本次计算是理论计算，未考虑具体施工过程中截面削弱、连接不牢等因素的影响；

2．抱杆基本规格是根据计算强度选定的，应力比在1.0范围内，屋面抱杆计算结果应力比范围控制在0.54～0.95。

3．从分析的结果来看，三种抱杆采用的杆件杆端最大应力和长细比均控制在规范允许的范围类，屋面抱杆安全可靠。

4．三种形式共九种抱杆，杆件尺寸共三种，这样有利于材料集中采购，在保证结构安全的前提下，做到了经济合理。

《TD-SCDMA基站土建改造指导原则》

根据综合计算，每个抱杆按挂一面天线考虑，抱杆直径按以下要求选用：

基本风压（kN/m2）

0.45

0.5

0.55

0.75

0.8

抱杆长度

1.5

推荐规格

Φ60X5

Φ60X5

Φ60X5

Φ70X5

Φ70X5

2

推荐规格

Φ60X5

Φ70X5

Φ70X5

Φ76X5

Φ76X5

2.5

推荐规格

Φ70X5

Φ70X5

Φ76X5

Φ83X5

Φ83X5

3

推荐规格

Φ76X5

Φ76X5

Φ83X5

Φ89X5

Φ89X5

4

推荐规格

Φ83X5

Φ83X5

Φ89X5

Φ102X5

Φ102X5

注：

1.抱杆长度是指抱杆顶部至抱杆下部固定点（斜撑固定点）间的长度，不包括避雷针。

2.计算中未考虑避雷针、馈线等因素的影响。

为安全起见，计算时取抱杆顶点为合力作用点，以抵消上述因素的影响。

3.抱杆基本规格是根据计算强度选定的，应力比约等于1.0；推荐规格是在计算强度基础上，适当增加杆件强度和刚度，保证紧固件等附件安装后杆件依然安全可靠，应力比约等于0.7。

抱杆利旧时，主杆规格不应低于基本规格的要求；新建时建议按推荐规格采用。