第1期纤维复合材料㊀No.1㊀362024年3月FIBER ㊀COMPOSITES ㊀Mar.2024中美欧通讯杆塔标准中风荷载设计的对比研究武海鹏,孙云龙,刘鑫燚,张云峰,谢铁秦(哈尔滨玻璃钢研究院有限公司,哈尔滨150028)摘㊀要㊀5G 建设对通讯杆塔的承载提出更高要求,风载荷是通讯杆塔承载力的重要设计组成,对不同标准下风荷载参数的研究分析有着重要的工程意义㊂本文通过对中㊁美㊁欧不同标准中风载荷的参数如地形地貌㊁荷载动态参数㊁风压高度变化系数等进行对比,为相关涉外通讯工程的风荷载计算提供参考㊂同时,探讨了复合材料在通讯杆塔领域中应用的优势㊂关键词㊀5G;风载荷;通讯杆塔;标准;复合材料Comparative Analysis of Wind Load Specifications forCommunication Towers in Chinese ,American ,and European StandardsWU Haipeng,SUN Yunlong,LIU Xinyi,ZHANG Yunfeng,XIE Tieqin(Harbin FRP Institute Co.,Ltd.,Harbin 150028)ABSTRACT ㊀The construction of 5G has higher requirements for the bearing capacity of communication towers,and wind load is an important design component of the bearing capacity of communication towers.The research and analysis of wind load parameters under different specifications has important engineering significance.This article compares the wind load parameters of different specifications in China,American and Europe,such as terrain and topography,load dynamic param-eters,and wind pressure height variation coefficient,to provide reference for wind load calculation in related foreign commu-nication engineering.At the same time,the advantages of composite materials in the field of communication towers were ex-plored.KEYWORDS ㊀5G;wind loads;communication tower;standard;composite materials基金项目:非金属材料创新中心研发类项目(2022TDA4-1)通讯作者:武海鹏,硕士研究生,正高级工程师㊂研究方向为复合材料结构设计及仿真分析㊂E -mail:wu_effort@1㊀引言随着5G 时代的到来,5G 建设和新基建领域让杆塔建设迎来 新春 ㊂5G 通讯塔相比3G㊁4G 的网络平台建设,对通讯塔的高度㊁天线数量和迎风面积都有了较大的增加,使用地点也要求在旷野㊁山脉㊁沼泽㊁沿海等恶劣地区,这给通讯杆塔整体架构的承载力提出更高的要求[1]㊂复合材料以比刚度㊁比强度高㊁耐腐蚀㊁便于安装㊁电绝缘等优点,可以在通讯杆塔领域取代传统的金属材料推广应用㊂目前,我国通讯塔的高度在20~42m 甚至更高,对于这类高耸结构,风荷载是重要的设计荷载之一,同时风荷载标准也是各国建筑工程设计的重要依据,深入掌握并正确运用不同地区的标准,尤其是对欧美境外通讯杆塔设计时,工程设计人员应重点关注㊂㊀1期中美欧通讯杆塔标准中风荷载设计的对比研究本文从中标‘建筑结构荷载规范(GB50009-2012)“[2]㊁欧标‘Eurocode1:Actions on structures -Part1-4:General actions-Wind actions(EN 1991-1-4-2005)“[3]㊁美标‘Structural Standard for Antenna Supporting Structures,Antennas and Small Wind Turbine Support Structures(TIA-222-H-2018)“[4]出发(以下简称中标㊁美标㊁欧标),针对不同标准中关于通讯杆塔风荷载的设计参数进行对比分析㊂将复合材料应用于通讯杆塔设计,可以根据不同风速下㊁不同高度杆塔的承载能力,调整铺层角度㊁铺层数量㊁铺层顺序等,更好的体现了复合材料杆塔的可设计性㊂2㊀风压计算原理风压是指垂直于杆塔结构表面上的风荷载标准值㊂在利用不同标准进行风荷载设计时,通常需要注意对基本风压进行两个方面的换算,时距和重现期㊂中标标准基本风压对应的基本风速为B类地貌离地10m处的10min时距,欧标同样采用的10min时距,美标则采用C类地貌离地10m处的3s时距㊂不同时距风速与3s时距风速对比如表1所示㊂表1㊀不同时距风速与3s时距风速对比风速时距10min5min1min10s3s比值0.700.750.850.951中㊁美㊁欧标中重现期均为50年[5-6],这样保证率基本相同,不会影响到最大风速的统计数值㊂对于年最大风速概率分布类型,中㊁美㊁欧标中均采用极值Ⅰ型概率分布函数分析天气的极端天气现象[7-8]㊂3㊀风荷载计算公式风荷载值是作为一个独立且重要设计指标,直接参与结构设计中,是一个多参数的表达式,其内部参数相互关联[9-11]㊂中标标准风荷载值计算公式如公式(1)所示㊂W k=βZˑμsˑμzˑW0(1)式(1)中,W k㊁W0分别为风荷载标准值和基本风压值,KPa;βZ为高度z处的风振系数;μs㊁μz分别为风荷载体型系数和风压高度变化系数㊂美标标准基本风压计算公式如公式(2)所示㊂q Z=0.613ˑK ZˑK ZtˑK dˑV2ˑI(2)式(2)中,K z为风压变化系数;K zt为地形系数;K d为风向系数;V:基本风速;I:结构等级重要性系数㊂欧标风速压力计算公式如公式(3)所示㊂q p=[1+7ˑI V(z)]ˑ0.5ˑρˑV2m(3)式(3)中,I v(Z)为湍流强度;ρ为空气密度;V2m为参考高度处的平均速度㊂中㊁美㊁欧标的风荷载计算公式中,主要涉及到的参数有体型系数㊁地形地貌㊁载荷动态参数㊁风压高度变化系数以及荷载组合系数等㊂其中对通讯杆塔的体型系数差异有限,以下对其他参数进行分析㊂3.1㊀地形地貌参数地形的粗糙程度㊁平整程度直接影响着风速,随着地貌越复杂,越粗糙,平均风速一般会较小,而对于开阔平坦的地形,平均风速相对较大㊂中标中将地貌分为四类(A/B/C/D),A类主要指海岸㊁近海面㊁沙漠无人地带㊁湖泊及海岛地区,B类主要指房屋相对稀疏的乡村镇㊁田野㊁丘陵及丛林等,C类主要指拥有一定密集建筑群的市区,D类主要指房屋很高以及拥有密集建筑群的一些城市区域㊂粗糙度分别为0.12,0.15,0.22,0.30㊂美标中同样将地貌分为四类,不过A/B/C/D与中标中的D/C/B/A对应;欧标将地面粗糙度分为0㊁Ⅰ㊁Ⅱ㊁Ⅲ㊁Ⅳ五类,其中0和Ⅰ类与中标A类对应,Ⅱ㊁Ⅲ㊁Ⅳ类则对应B㊁C㊁D㊂3.2㊀荷载动态参数自然风的脉动性对结构是一种典型的动力作用,由平均作用和脉动成分组成㊂同时通讯杆塔的振型㊁高度㊁阻尼特性都会影响此动态作用,且幅值随体表位置变化㊂所以在不同标准中均需考虑风荷载动力的综合响应㊂荷载动态参数是考虑在风动力作用下响应的等效静态放大综合系数,中㊁美㊁欧中的放大系数[12-13]分别为风振系数βZ㊁阵风影响系数G f㊁结构系数C s C d㊂中标标准中的风振系数βZ,考虑脉动风振的影响,根据随机振动理论计算如公式(4)~公式(7)所示㊂βZ=1+2gI10B Z1+R2(4)B Z=kHα1ρxρzφ(z)μZ(5)R=π6ξx21(1+x21)43(6)73纤维复合材料2024年㊀x1=30f1k w W0,x1>5(7)式中,Bz是脉动风荷载的背景分量因子,I10是10m高度名义揣流强度,ζ1是结构阻尼比,ρx㊁ρz 是脉动风荷载水平㊁竖直方向相关系数㊂美标标准中的阵风影响系数G f,针对通讯杆塔类柔性或动力敏感结构计算规定如公式(8)~公式(11)所示㊂G f=0.925(1+1.7g Q I z g2Q Q2+g2R R2)(1+1.7g v I z)(8)Q=1(1+0.63(B+h Lz )0.63)(9)I z=C(33Z)16(10) g R=[2ln(3600n1)〛0.5+0.577[2ln(3600n1)]0.5(11)式中,g Q㊁g R为背景响应影响系数,R为共振相应参数㊂欧标标准中动力影响采用结构系数C s C d如公式(11)和(12)所示㊂C s C d=1+2ˑK PˑI vˑ(Z e)ˑB2+R21+7ˑI vˑ(Z e)(12)R2=π22ˑδS L(Z e,n1,x)ˑK s(n1,x)(13)式中,I v是紊流度,K P是峰值系数,B2是背景系数,R2共振相应系数㊂荷载动态参数与风速时距相关,时距越短,阵风特性在风荷载响应影响越大㊂中标和欧标的时距是10min,美标的时距是3s,相应考虑调整系数㊂对于高度较低的通讯杆塔,相同的地形地貌下,荷载动态参数对比是风振系数(中标)>结构系数(欧标)>阵风系数(美标)㊂3.3㊀风压高度变化系数风压高度变化系数,反映了作用在杆塔结构上的风压在不同地形地貌高度的变化规律,中美标准采用指数,欧标采用对数描述风速和高度的变化关系如公式(15)~公式(17)所示㊂中标μB Z=1.000(Z10)0.30,10mɤzɤ350m(15)美标K C z=2.01(z z g)2α,4.57mɤzɤz g(16)欧标C r(z)=K rˑln(z Z0),z minɤzɤz max(17)同样地貌下,50m杆塔的不同标准下的风压高度变化系数比较如图1所示㊂图1㊀不同标准风压高度变化系数与高度的关系从图1可以看出,相同地形地貌环境下,中标的风压高度变化系数最大,而欧标最小,这主要是不同标准中关于地貌粗糙度参数差异而造成的㊂3.4㊀不同标准荷载组合值本文主要分析通讯杆塔的承载力极限状态,下表为中㊁美㊁欧标准中起控制的自重静荷载和风荷载的组合进行比较,如表2所示㊂表2㊀不同标准下静载和风载荷的组合对比标准组合公式静载系数风载系数风载分项对比中标 1.2D+1.4W o 1.2 1.41美标 1.2D+1.6W o 1.2 1.6 1.143欧标1.35D+1.5W o 1.35 1.5 1.071㊀㊀注:D表示通讯杆塔及其附件的自重,W o表示作用的通讯杆塔的风荷载㊂从表2可以看出,通讯杆塔承载中控制作用的风荷载,美标最大1.6,中标最小1.4,载荷中的风载荷系数不同标准中差异较大,对最终风荷载产生较大影响㊂这是由于各国标准建立的体系不同,各个系数的参考的依据不同造成的㊂从中㊁美㊁欧标中风荷载计算公式参数对比可以看出,对于高度较低的通讯杆塔,地形地貌参数在不同标准中规定大致相同,对杆塔承载力影响较小;荷载动态参数中标最大,美标最小;风压高度变化系数则中标最大,欧标最小;但荷载组合系数中,美标风荷载的分项系数最大,中标最小㊂综合83㊀1期中美欧通讯杆塔标准中风荷载设计的对比研究考虑,不同标准对通讯杆塔承载力的影响需具体计算分析㊂4㊀计算对比为对比不同标准对通讯杆塔变形的影响,分别采用中㊁美㊁欧标准对50m单管塔进行风荷载计算㊂单管塔基本参数,H=50m,D=1000mm,阻尼比1%㊂按照中标B类粗糙度的开阔地形地貌,基本风速25m/s,重现期为50年,不同标准下单管塔的风荷载计算值如表3所示㊂表3㊀中美欧标准风荷载计算值对比类别15m20m30m40m50m中标/N30003250380082759550美标/N4050610766741330015349欧标/N9075937598002007520675根据表3的计算结果,对于高度小于50m的通讯杆塔,欧标风荷载计算值最大,中标计算值最小,美标居中㊂尤其是在高度较低时,欧标计算值近似是中标的3倍,随着高度的增加,二者的比值逐渐降低㊂这主要原因是中标的风振系数沿高度变化趋势要高于美㊁欧标准㊂所以对高度小于50m 的杆塔,不同标准风荷载的差异不容忽视㊂通过对中美欧通讯杆塔标准中风载荷设计公式的风压㊁地形地貌参数㊁载荷动态参数㊁高度变化系数和载荷组合值相对比得出,不同标准中参数值差异较大,工程设计人员不能忽略,同时设计人员可以充分发挥复合材料杆塔的可设计性,以便满足不同标准下的杆塔需求㊂5㊀结语中㊁美㊁欧标准中均采用多参数的形式表征风荷载,主要参数的规定和使用原则基本一致,通过算例结果分析,研究可得以下结论:(1)中标采用基本风压,美㊁欧标采用基本风速;(2)中㊁美㊁欧标中风作用的动力影响参数分别是风振系数㊁阵风影响系数㊁结构系数,该参数受到结构分类㊁模态振型等影响,动力参数中标>欧标>美标;(3)荷载组合值,风荷载分项系数美标>欧标>中标,美中标准比值1.14;(4)相同地形地貌下,对于高度较低的通讯杆塔,风荷载计算值欧标>美标>中标,但随着高度的增加比值逐渐减少;结构风荷载标准值作为多参数表达式,单个参数的差异并不能真实反映荷载标准值的差异㊂综上所述,对于高低较低通讯杆塔,中㊁美㊁欧不同标准下计算风荷载差异较大,不可忽略㊂参考文献[1]曲方明.5G建设过程中通信铁塔的承载能力分析[J].电子技术与软件工程,2021(07):3-4.[2]GB50009-2012,‘建筑结构荷载规范“[S].2012.[3]EN1991-1-4-2005,‘Eurocode1:Actions on structures-Part 1-4:General actions-Wind actions“[S].2005. 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