中美歐通訊桿塔標準中風荷載設計的對比研究

武海鵬 孫云龍 劉鑫燚 張云峰 謝鐵秦

摘 要 5G建設對通訊桿塔的承載提出更高要求，風載荷是通訊桿塔承載力的重要設計組成，對不同標準下風荷載參數的研究分析有著重要的工程意義。本文通過對中、美、歐不同標準中風載荷的參數如地形地貌、荷載動態參數、風壓高度變化系數等進行對比，為相關涉外通訊工程的風荷載計算提供參考。同時，探討了復合材料在通訊桿塔領域中應用的優勢。

關鍵詞 5G；風載荷；通訊桿塔；標準；復合材料

Comparative Analysis of Wind Load Specifications for

Communication Towers in Chinese， American，

and European Standards

WU Haipeng， SUN Yunlong， LIU Xinyi， ZHANG Yunfeng， XIE Tieqin

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.，Harbin 150028）

ABSTRACT The 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 parameters， and wind pressure height variation coefficient， to provide reference for wind load calculation in related foreign communication engineering. At the same time，the advantages of composite materials in the field of communication towers were explored.

KEYWORDS 5G;wind loads; communication tower; standard; composite materials

基金項目：非金屬材料創新中心研發類項目（2022TDA4-1）

通訊作者：武海鵬，碩士研究生，正高級工程師。研究方向為復合材料結構設計及仿真分析。E-mail：wu_effort@163.com

1 引言

隨著5G時代的到來，5G建設和新基建領域讓桿塔建設迎來“新春”。5G通訊塔相比3G、4G的網絡平臺建設，對通訊塔的高度、天線數量和迎風面積都有了較大的增加，使用地點也要求在曠野、山脈、沼澤、沿海等惡劣地區，這給通訊桿塔整體架構的承載力提出更高的要求［1］。復合材料以比剛度、比強度高、耐腐蝕、便于安裝、電絕緣等優點，可以在通訊桿塔領域取代傳統的金屬材料推廣應用。目前，我國通訊塔的高度在20～42 m甚至更高，對于這類高聳結構，風荷載是重要的設計荷載之一，同時風荷載標準也是各國建筑工程設計的重要依據，深入掌握并正確運用不同地區的標準，尤其是對歐美境外通訊桿塔設計時，工程設計人員應重點關注。

本文從中標《建筑結構荷載規范（GB50009－2012）》［2］、歐標《Eurocode 1：Actions on structures-Part 1-4：General actions-Wind actions（EN 1991-1-4-2005）》［3］、美標《Structural Standard for Antenna Supporting Structures， Antennas and Small Wind Turbine Support Structures （TIA-222-H-2018）》［4］出發（以下簡稱中標、美標、歐標），針對不同標準中關于通訊桿塔風荷載的設計參數進行對比分析。將復合材料應用于通訊桿塔設計，可以根據不同風速下、不同高度桿塔的承載能力，調整鋪層角度、鋪層數量、鋪層順序等，更好的體現了復合材料桿塔的可設計性。

2 風壓計算原理

風壓是指垂直于桿塔結構表面上的風荷載標準值。在利用不同標準進行風荷載設計時， 通常需要注意對基本風壓進行兩個方面的換算，時距和重現期。中標標準基本風壓對應的基本風速為B類地貌離地10 m處的10 min時距，歐標同樣采用的10 min時距，美標則采用C類地貌離地10 m處的3s時距。不同時距風速與3s時距風速對比如表1所示。

中、美、歐標中重現期均為50年［5-6］，這樣保證率基本相同，不會影響到最大風速的統計數值。對于年最大風速概率分布類型，中、美、歐標中均采用極值Ⅰ型概率分布函數分析天氣的極端天氣現象［7-8］。

3 風荷載計算公式

風荷載值是作為一個獨立且重要設計指標，直接參與結構設計中，是一個多參數的表達式，其內部參數相互關聯［9-11］。中標標準風荷載值計算公式如公式（1）所示。

Wk=βZ×μs×μz×W0（1）

式（1）中，Wk、W0分別為風荷載標準值和基本風壓值，KPa；βZ為高度z處的風振系數；μs、μz分別為風荷載體型系數和風壓高度變化系數。

美標標準基本風壓計算公式如公式（2）所示。

qZ=0.613×KZ×KZt×Kd×V2×I（2）

式（2）中，Kz為風壓變化系數；Kzt為地形系數；Kd為風向系數；V：基本風速；I：結構等級重要性系數。

歐標風速壓力計算公式如公式（3）所示。

qp=＼[1+7×IV （z）＼]×0.5×ρ×V2m

（3）

式（3）中，Iv（Z）為湍流強度；ρ為空氣密度；V2m為參考高度處的平均速度。

中、美、歐標的風荷載計算公式中，主要涉及到的參數有體型系數、地形地貌、載荷動態參數、風壓高度變化系數以及荷載組合系數等。其中對通訊桿塔的體型系數差異有限，以下對其他參數進行分析。

3.1 地形地貌參數

地形的粗糙程度、平整程度直接影響著風速，隨著地貌越復雜，越粗糙，平均風速一般會較小，而對于開闊平坦的地形，平均風速相對較大。中標中將地貌分為四類（A/B/C/D），A類主要指海岸、近海面、沙漠無人地帶、湖泊及海島地區，B類主要指房屋相對稀疏的鄉村鎮、田野、丘陵及叢林等，C類主要指擁有一定密集建筑群的市區，D類主要指房屋很高以及擁有密集建筑群的一些城市區域。粗糙度分別為0.12，0.15，0.22，0.30。美標中同樣將地貌分為四類，不過A/B/C/D與中標中的D/C/B/A對應；歐標將地面粗糙度分為0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ五類，其中0和Ⅰ類與中標A類對應，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類則對應B、C、D。

3.2 荷載動態參數

自然風的脈動性對結構是一種典型的動力作用，由平均作用和脈動成分組成。同時通訊桿塔的振型、高度、阻尼特性都會影響此動態作用，且幅值隨體表位置變化。所以在不同標準中均需考慮風荷載動力的綜合響應。荷載動態參數是考慮在風動力作用下響應的等效靜態放大綜合系數，中、美、歐中的放大系數［12-13］分別為風振系數βZ、陣風影響系數Gf、結構系數CsCd。中標標準中的風振系數βZ，考慮脈動風振的影響，根據隨機振動理論計算如公式（4）～公式（7）所示。

βZ=1+2gI10BZ1+R2（4）

BZ=kHα1 ρx ρzφ（z）μZ （5）

R=π6ξx21（1+x21）43（6）

x1=30f1kw W0，x1>5 （7）

式中，Bz是脈動風荷載的背景分量因子，I10是10 m高度名義揣流強度，ζ1是結構阻尼比，ρx、ρz是脈動風荷載水平、豎直方向相關系數。

美標標準中的陣風影響系數Gf，針對通訊桿塔類柔性或動力敏感結構計算規定如公式（8）～公式（11）所示。

Gf=0.925（1+1.7gQ Izg2Q Q2+g2R R2 ）（1+1.7gv Iz ）（8）

Q=1（1+0.63（B+hLz ）0.63）（9）

Iz=C（33Z）16（10）

gR=＼[2ln（3600n1）]0.5+0.577＼[2 ln（3600n1 ）＼]0.5 （11）

式中， gQ、gR為背景響應影響系數，R為共振相應參數。

歐標標準中動力影響采用結構系數CsCd如公式（11）和（12）所示。

Cs Cd=1+2×KP×Iv×（Ze ）×B2+R21+7×Iv×（Ze）? （12）

R2=π22×δ SL （Ze，n1，x）×Ks （n1，x）（13）

式中， Iv是紊流度，KP是峰值系數，B2是背景系數，R2共振相應系數。

荷載動態參數與風速時距相關，時距越短，陣風特性在風荷載響應影響越大。中標和歐標的時距是10 min，美標的時距是3 s，相應考慮調整系數。對于高度較低的通訊桿塔，相同的地形地貌下，荷載動態參數對比是風振系數（中標）>結構系數（歐標）>陣風系數（美標）。

3.3 風壓高度變化系數

風壓高度變化系數，反映了作用在桿塔結構上的風壓在不同地形地貌高度的變化規律，中美標準采用指數，歐標采用對數描述風速和高度的變化關系如公式（15）～公式（17）所示。

中標 μBZ=1.000（Z10）0.30，10m≤z≤350m（15）

美標KCz=2.01（zzg）2α，4.57m≤z≤zg（16）

歐標Cr （z）=Kr×ln（zZ0），zmin≤z≤ zmax（17）

同樣地貌下，50 m桿塔的不同標準下的風壓高度變化系數比較如圖1所示。

圖1 不同標準風壓高度變化系數與高度的關系

從圖1可以看出，相同地形地貌環境下，中標的風壓高度變化系數最大，而歐標最小，這主要是不同標準中關于地貌粗糙度參數差異而造成的。

3.4 不同標準荷載組合值

本文主要分析通訊桿塔的承載力極限狀態，下表為中、美、歐標準中起控制的自重靜荷載和風荷載的組合進行比較，如表2所示。

從表2可以看出，通訊桿塔承載中控制作用的風荷載，美標最大1.6，中標最小1.4，載荷中的風載荷系數不同標準中差異較大，對最終風荷載產生較大影響。這是由于各國標準建立的體系不同，各個系數的參考的依據不同造成的。

從中、美、歐標中風荷載計算公式參數對比可以看出，對于高度較低的通訊桿塔，地形地貌參數在不同標準中規定大致相同，對桿塔承載力影響較??；荷載動態參數中標最大，美標最??；風壓高度變化系數則中標最大，歐標最??；但荷載組合系數中，美標風荷載的分項系數最大，中標最小。綜合考慮，不同標準對通訊桿塔承載力的影響需具體計算分析。

4 計算對比

為對比不同標準對通訊桿塔變形的影響，分別采用中、美、歐標準對50 m單管塔進行風荷載計算。單管塔基本參數，H=50 m，D=1000 mm，阻尼比1%。按照中標B類粗糙度的開闊地形地貌，基本風速25 m/s，重現期為50年，不同標準下單管塔的風荷載計算值如表3所示。

根據表3的計算結果，對于高度小于50 m的通訊桿塔，歐標風荷載計算值最大，中標計算值最小，美標居中。尤其是在高度較低時，歐標計算值近似是中標的3倍，隨著高度的增加，二者的比值逐漸降低。這主要原因是中標的風振系數沿高度變化趨勢要高于美、歐標準。所以對高度小于50 m的桿塔，不同標準風荷載的差異不容忽視。

通過對中美歐通訊桿塔標準中風載荷設計公式的風壓、地形地貌參數、載荷動態參數、高度變化系數和載荷組合值相對比得出，不同標準中參數值差異較大，工程設計人員不能忽略，同時設計人員可以充分發揮復合材料桿塔的可設計性，以便滿足不同標準下的桿塔需求。

5 結語

中、美、歐標準中均采用多參數的形式表征風荷載，主要參數的規定和使用原則基本一致，通過算例結果分析，研究可得以下結論：

（1）中標采用基本風壓，美、歐標采用基本風速；

（2）中、美、歐標中風作用的動力影響參數分別是風振系數、陣風影響系數、結構系數，該參數受到結構分類、模態振型等影響，動力參數中標>歐標>美標；

（3）荷載組合值，風荷載分項系數美標>歐標>中標，美中標準比值1.14；

（4）相同地形地貌下，對于高度較低的通訊桿塔，風荷載計算值歐標>美標>中標，但隨著高度的增加比值逐漸減少；

結構風荷載標準值作為多參數表達式，單個參數的差異并不能真實反映荷載標準值的差異。綜上所述，對于高低較低通訊桿塔，中、美、歐不同標準下計算風荷載差異較大，不可忽略。

參 考 文 獻

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