美国通信塔桅结构设-计规范的理解

美国通信塔桅结构设计规范的理解华信设计·建筑设计研究院第1页共12页美国通信塔桅结构设计规范的理解TIA/EIA-222-F:StructuralStandardsforSteelAntennaTowersandAntennaSupportingStructures1．材料(MATERIAL)1.1材料标准结构钢、铸钢、钢锻品和螺栓的规格和质量要求符合美国钢结构学会AISC的标准“SpecificationsforStructuralSteelBuildings-AllowableStressDesignandPlasticDesign”。具体如下：²碳素结构钢，ASTMA36/A36M²热浸镀锌焊接钢管、无缝钢管，ASTMA53/A53M，Gr.B²高强度低合金结构钢，ASTMA242/A242M²冷轧焊接、无缝碳素结构圆钢管和矩形钢管，ASTMA500²热轧焊接、无缝碳素结构钢管，ASTM501²高强度低合金含钒结构钢，ASTMA572/A572M，等等。轻型钢构件需符合AISI的标准“SpecificationsforDesignofCold-FormedSteelStructuralMembered”钢管结构构件材料需符合ANSI/NEMATT1-1983，“TaperedTubularSteelStructures”对于使用本规范未指定的替代材料时，需提供替代材料的机械性能和化学成份参数。其中机械性能包括屈服点、屈服强度、抗拉强度、伸长率等；化学成份包括碳、磷、硫等元素的含量。螺栓、螺母、拉索锚具夹具摩擦型螺栓和受拉螺栓应使用高强螺栓其最小拧紧预拉力需要满足标准AISC“SpecificationsforStructuralJointsUsingASTMA325orA490Bolts”。承压型螺栓可用高强螺栓拧紧到规范AISC中要求的紧固条件。高强螺栓按规范要求预拉拧紧后可不需要螺母锁设备，其他情况要使用螺母锁设备。热浸镀锌螺栓A490不应使用。2．荷载（LOADING）2.1术语²恒载：包括结构、拉索及附属设备的自重。²裹冰荷载：根据各地的径向裹冰厚度确定；其中，冰重度取8.8kN/m3(中国规范取9kN/m3）；霜重度取4.7kN/m3。²风荷载：取50年一遇离地10m高度处的最大英里风速为基本风速(TIA/EIA-222-G美国通信塔桅结构设计规范的理解华信设计·建筑设计研究院第2页共12页版已改为3s时距瞬时风速)中国《建筑结构荷载规范》则是取50年一遇离地10m高度处10分钟的平均最大风速为基本风速。对于不同时距风速的转换关系见附件一图表。²附属设备：包括连接于塔身的天线、馈线、光缆、避雷设备、爬梯、平台等。附属设备可分为离散附属设备和线性附属设备两种。2．2荷载计算：²风荷载及裹冰荷载作用于结构上的风荷载包括所有作用于塔身上、拉线上以及离散附属设备上的水平风荷载。裹冰荷载则根据结构所在地区确定。²风荷载产生的水平力F以均布荷载的方式作用于相应的塔段，并按塔段中心处的高度确定风荷载。其中塔体分段（塔段高）的限值如下：拉线塔为拉线间距、自立塔为18m、单管塔为9.1m。具体计算风荷载的公式：F=qzGH[CFAE+∑(CAAA)]≤2qzGH（2－1）对应于中国规范为：F=W0bzmsmzA（2－2）相关参数说明如下：²qz：构件计算高度处的基本风压（考虑了高度的影响）。qz=0.613KzV2，相当于中国规范为W0mz=0.625V2mz(N/m2）Kz的限值为1≤Kz=[z/10]2/7(0.286)≤2.58，中国规范B类场地风压高度变化系数μz=[z/10]0.32²GH：阵风反应系数，整个塔只有一个值，如下：角钢塔：1.0≤GH=0.65+0.6[h/10]1/7≤1.25，其中h为结构总高度单管塔：GH=1.69(注：当塔安装在其他主结构上时，按主结构的高度取，但在计算应力时需乖1.25的放大系数)²CF：主材风载体型系数根据不同的塔型取值。角钢塔为：CF=4.0e2-5.9e+4.0(四角塔)；CF=3.4e2-4.7e+3.4(三角塔)。其中e＝（AF＋AR）/AG，为角钢塔的实积比，即国内所称作的挡风系数。AF为塔段一个面内角钢构件的投影面积，AR为塔段一个面内圆形构件（钢管、圆钢等）的投影面积，AG为塔段一个面内的轮廓面积。美国通信塔桅结构设计规范的理解华信设计·建筑设计研究院第3页共12页对取不同挡风系数时的体型系数如下表所示：挡风系数方形三角形0.13.53.00.23.02.60.32.62.30.42.32.10.52.11.9对中国规范中有关角钢塔体型系数如下图：可以看出，美国规范计算结果略大于中国规范，尤其在挡风系数比较小的时候，差别更加明显。单管塔的体型系数CF取值如下表所示，CF≤1.2美国通信塔桅结构设计规范的理解华信设计·建筑设计研究院第4页共12页中国规范中单管塔的体型系数规定如下表所示：截面形式体型系数圆形0.6十六边形及以上0.8十二边形1.0六边形及八边形1.2可以看出，美国规范比中国规范定义的更加细，它引入了一个参数PZVDKC=来区分不同C值情况下不同的杆身体型系数，而中国规范只跟其截面形式有关，跟风速、管径、高度系数等无关。而且对于风速较低的情况下，美国规范较中国规范取值要大很多，这可能是考虑了风荷载在低速时的其他影响因素。²塔段有效投影面积AE为AE=DFAF+DRARRR其中DF、DR为风向影响系数，具体取值如下表所示：美国通信塔桅结构设计规范的理解华信设计·建筑设计研究院第5页共12页从表中可以看出，对于四角塔，需考虑0度和±45度两个风向的风载；三角塔则考虑0度、60度和±90度三个风向的风载。对圆形构件（钢管、圆钢等），在计算有效投影面积的时候，需乘一个折减系数RR=0.51e2+0.57≤1从上可以看出，对不同风向的考虑、圆形构件对风载的折减，美国规范都是反映在有效投影面积公式中，而中国规范则是反映在体型系数中，这是两者之间的不同点。²CA：线型附属设备风载体型系数，根据附属设备高宽比及其类型取值，如下表：中国通信规范中则对其规定如下：天线形状高宽比小于等于7高宽比大于等于25板状1.3棍状（圆形）0.81.2可以看出，中国规范的取值是参考了美国规范的，但对于板状天线，则又对其进行了修正，较美国规范有所减小。²附属设备风载的计算塔体投影范围内的附属设备作为塔体构件考虑来计算风载和挡风系数，投影范围以外的附属设备单独计算。美国通信塔桅结构设计规范的理解华信设计·建筑设计研究院第6页共12页附属设备的风载分两种计算：线性附属设备风载以分布荷载的方式加于结构上，包含在塔段风载的∑CAAA项里；离散附属设备风载则以集中力加于模型节点上。离散附属设备如冰罩、平台等（不包括微波天线和反射器）的集中力按下式计算：Fc=qzGH[∑CAAC]qz取附属设备中心高度处的基本风压值；GH取塔体结构的值，如前所述；CA取值同上，当附属设备仅由圆形构件组成时取1.8，附属设备区取为等价的平板区时取2.0。（注：微波天线和反射器风载按附录B确定；不考虑天线罩的影响，当天线的方位角不确定时按极对称的原则分布于塔体结构四周）²拉线风载的计算按拉线中点的高度确定风载qz并考虑弦长与风载的方向角，将风载分为沿风作用方向的力FD=qzGHCDdLC和垂直于风载作用方向的力FL=qzGHCLdLC。其中d为拉线直径，LC为拉线弦长，θ为拉索弦长与风向的夹角（顺时针方向不大于180度）CD=1.2sin3θ，CL=1.2sin2θcosθ，具体参考下图：2．3荷载组合取下面两种组合的大值（未考虑地震荷载）D+W0D+0.75WI+I其中D为恒载，W0为风荷载，WI为有裹冰情况下的风荷载，I为裹冰重力荷载。因美国规范用的是容许应力设计法，故组合中无荷载分项系数，材料应力的安全系美国通信塔桅结构设计规范的理解华信设计·建筑设计研究院第7页共12页数按规范取值，约为1.67，具体参考AISC的AllowableStressDesignandPlasticDesign，1989规范。对于美国规范不考虑地震荷载组合的原因，分析如下：因塔体质量不大，而地震力不仅与当地地震烈度有关，还与结构质量有很大关系；塔体质量小，相同条件下所受地震力也小，而对高耸结构而言，风荷载是主要的水平荷载，在多数情况下，地震力起不到控制作用，因此美国规范没有对地震荷载进行考虑。中国通信钢塔桅结构设计规范，对于地震荷载的考虑，也是针对地震烈度8度以上才需要进行截面抗震验算，对8度及以下地区，无需进行截面抗震验算，只需满足抗震构造要求即可。3．应力（STRESSES）结构杆件符合美国AISC和AISI的相关标准，除拉线塔外，当塔高（指总高当塔安放于其他结构时包含塔底结构的高度）小于213m时，设计容许应力可以增加1/3，当塔高大于366m时则不增加，塔高介于两者之间时，则用线性内插法确定容许应力提高系数。当计算拉线塔的应力时，需要考虑拉线处的实际位移（变形）。²长细比计算的规定塔柱按相邻塔面斜材的布置方式不同其长细比计算也不同，当相邻塔面斜材对称布置时，由角钢绕最小轴的长细比L/RZ控制，当交错布置时取L/RX、L/RY、（1+2N）L/3RZ的最大值控制(其中NL：塔柱节间底至相邻塔面支承点的距离，且N≥0.5)。斜材长细比计算时根据其中间的支承情况及其端部连接方式分别采用不同的计算公式。（单个螺栓连接时计算长度取螺栓间距，多个螺栓时取螺栓的中心距）²格构式组合杆件采用换算长细比22⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+⎟⎠⎞⎜⎝⎛=⎟⎠⎞⎜⎝⎛IMRaRKLRKL，此与中国规范缀板式组合构件类同。²受压构件计算长细比的限值：弦杆150、斜杆和横杆200、辅助杆250，中国规范分别为150、180、250，当斜杆和横杆内力小于杆件承载力50％时，可放松至200。²单个螺栓连接的杆件其计算长度系数小于1时，相关系数必需通过试验和计算确定。²关于应力取值的规定，具体可参照AISC的相关规范。①单边连接的角钢构件及其连接按净面积(取螺孔直径比螺栓直径增大1.6mm)验算强度时其容许应力乘以折减系数0.75。中国规范轴心受压强度计算取0.85，稳定计算时根据长细比计算相应折减系数。②计算容许应力时宜考虑栓孔四周的变形。美国通信塔桅结构设计规范的理解华信设计·建筑设计研究院第8页共12页③计算容许应力时受压构件的无支撑计算长度要考虑其连接的刚性和屈曲方向。④计算容许应力时当单个螺栓连接的杆件其计算长度系数小于1时，相关系数必需通过试验和计算确定。⑤拉线结构应考虑拉线之间结构的稳定性。⑥用于减少弦杆长细比的支撑和辅助杆的承载力不小于相应弦杆所受轴力的1.5%。²单角钢杆件计算的规定（具体参照AISC和ASCE-10的相关规定）①杆件宽厚比超过规范限时容许应力要根据AISC的第四章规定进行折减，对冷轧成型的角钢其计算宽度w取内起弧点到肢尖的距离且不小于角钢宽度减去三倍的厚度t；宽厚比不应超过25。②当杆件偏心受力时应考虑偏心的影响。²单管塔计算的规定①考虑重力二阶效应的影响②受压弯作用的单管塔其容许压弯应力应按下表进行折减，其中圆形截面取为FB=0.6FY：中国规范对单管塔受压弯时考虑管壁局部稳定影响的计算内容，也是参考该规范而美国通信塔桅结构设计规范的理解华信设计·建筑设计研究院第9页共12页来，此处不再罗列。²基础和锚碇砼容许应力的规定结构总高度(包括塔体及下面建筑高度)h≤213m时，砼强度/荷载效应=1.3h＞366m时，砼强度/荷载效应=1.7，当高度在中间时按线性内插法确定。4．下料、安装容差和标识结构构件的安装容差要满足下列要求：(1)垂直度不超过0.25%；(2)两个平面之间的转角，每3m不超过0.5度，整个塔的转角不超过5度；(3)对分段焊接或法兰连接的单管塔其总长度的差值必须在其设计长度的+1%和-0.5%以内。(4)除了一些小配件外，所有的杆件必须编号，编号的字高不小于13mm,字迹清楚。5．基础和锚件标准的基础和