通信塔中铝合金的应用与研究范文

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[摘要]目前通信塔主要为钢结构，为分析铝合金在通信塔中的应用，选用6082-T6铝材进行材性试验，确定材料强度，结合现有工程实际，运用SAP2000有限元软件建模分析对比铝材通信塔和钢结构通信塔，分析铝材通信塔受力特点；同时对铝材通信塔进行市场应用分析。分析结果表明：6082-T6铝材弹性模量为钢材的1/3，材料强度略低于Q345钢材；满足通信塔结构设计要求的前提下，铝合金塔的自重轻，塔顶位移小，便于施工安装；对铝合金塔进行市场应用分析，得到铝合金在通信塔市场的应用优势，为铝合金塔的应用提供了数据参考。

[关键词]铝合金；通信塔；材性试验；经济性分析

引言

近年来随着通信塔业务建设量的不断攀升，铝合金通信塔的使用呼声越来越高。铝合金材料的优点，诸如重量轻、可回收循环利用、维护成本低等和铁塔公司的需求不谋而合。滨州是全国闻名的铝都，滨州市政府近来大力支持在滨州以及山东、甚至全国推广铝合金结构在多个场景下的应用，加之今年以来铁塔公司大力推广微站建设[1]，如何尽快的将铝合金型材用于通信塔桅结构，并结合诸如配合市政、公安、城管等部门的照明、监控、宣传等需求，努力推动“通信塔”与“社会塔”的共享发展，形成规模效应，已成为急需解决的一个难题。

1铝合金材料特性分析

铝合金材料作为一种新型的材料，具有以下特点：自重轻，比强度高，密度约为钢材密度的1/3；耐腐蚀性好，低温韧性好；具有特殊的光泽和质感，塔身美化方面有着得天独厚的优势。但是现阶段通信塔中铝合金还未得到广泛应用，究其原因是因为其屈服强度、极限抗拉强度以及弹性模量因铝合金型号的不同而不同，因此本文首先根据《铝合金结构设计规范》GB50429-2007中的6082-T6铝合金型材进行材性试验[3-4]。考虑到本文的工程实际应用价值，选用厚度为6mm的6082-T6四组铝合金管材进行材性试验，采用英斯特朗300DX-C4A-G7F液压万能试验机进行材性试验，试件装置如图1所示。通过分析材性试验得到的数据及各个试样的荷载位移曲线，得出铝材经历了弹性阶段、屈服阶段，达到屈服阶段，荷载不再增加，但是试件伸长变形还在增大，到达极限强度后，构件瞬间被拉断，说明铝合金型材在使用过程中容易出现脆性破坏；但是荷载位移曲线中可以看出铝合金没有明显地屈服点，这与低碳钢、低合金钢有显著的区别。分析试验数据得到，去除试样1的试验数据后得到6082-T6铝合金型材的弹性模量为74718.8MPa，屈服强度为280.1MPa，极限抗拉强度为302.57MPa。

2铝合金通信塔应用分析

2.1模型数据

采用10m多功能杆塔为研究对象[1]，基本风压为0.55kNm/2，地面粗糙度考虑为B类。为对比现有钢结构塔，选取模型数据见表2[4]。运用SAP2000有限元建模软件对结构进行建模分析，结构大样图及模型图如图3所示。2.2边界条件采用SAP2000软件进行结构建模时，由于单管塔结构均是采用法兰盘与基础进行连接，因此在进行单管塔建模时底部采用固结的形式。

2.3荷载工况

多功能塔建模时，需将塔身微站设备、路灯、监控、广告牌以及光交一体箱重量简化成集中荷载加到塔身相应位置，各个功能构件的重量及迎风面积见表3。

2.4数据分析

进行有限元建模分析后得到铝材多功能塔和钢材多功能塔的数据见表4。按照试验所得材性数据，对比分析两种型材作用下的多功能塔，得到6082-T6铝材可以满足通信塔结构的设计要求，同时铝材的密度为2700kg/m3，因此10m铝合金通信塔重量约为钢材的一半，便于塔的运输和安装。相对于10m钢结构通信塔，前者的塔顶位移更小，塔身扰动更小，对塔身上的设备保护更好。

2.5铝合金通信塔应用分析

现有通信塔的材料大多是采用钢结构的单管塔或三管塔，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塔的不足[7-8]。（1）铝合金密度为钢材的1/3，通过以上有限元分析，铝合金可以满足通信塔的结构设计要求，铝合金杆体重量较轻，运输安装时可降低劳动力费用，简化施工和安装过程，方便运输大规模的预制件。（2）铝合金通信塔的耐腐蚀性好。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。从表5中可以看出钢材的耐腐蚀性最差，铝合金的耐腐蚀性最好，虽然现阶段的钢材在制作过程中均要求镀锌防腐，但铝合金不需要进行防腐处理，防腐能力大于镀锌的钢结构通信塔，后期维护成本更低，可回收利用率更高。（3）铝合金材料作为一种新型材料，现阶段的设计规范还不够成熟，材料种类多，同时每种类型的材性都是完全不同的。《铝合金结构设计规范》GB50429-2007规范的颁布，使铝合金通信塔的设计更加规范化，但是铝合金材料达到了几十种，而规范只提供了部分型号的材性数据。因此在实际应用过程中，需要针对应用的铝材型号进行材性试验，得到相应型号铝材的材性参数后才能准确的应用到实际工程中。

3工程应用市场分析

3.1铝合金通信塔的经济性指标

为了全面反应铝合金通信塔的经济性，笔者就铝合金和钢材列举了单位重量和价格、镀锌费用、加工安装、维护周期、抗腐蚀性等6个指标，具体见表6。

3.2经济性分析

表7反应了根据本课题研究的10m多功能铝塔和铁塔公司微站图集中的10m多功能钢塔的经济性比较。

3.3经济性结论及相关社会效益

通过表6和表7的两种多功能塔的经济性分析可以看出，尽管铝合金的材料价格是钢材的3倍多，但由于铝塔的重量只有钢塔的一半不到，因此铝合金塔的材料费上仅是钢塔的1.5倍。铝合金自重轻，则在加工安装以及运输等环节节约较大资金，而且铝合金不需要镀锌处理，在维护方面比钢材有很大优势；同时铝合金塔的基础可以做的小些，基础的费用也会相应降低。综合各方面的因素，铝合金塔的整体建造费用预计比钢通信塔节约10%，具有十分明显的经济效益。由于铝合金塔不需要热镀锌防腐，符合国家环保政策，因此也具有十分突出的社会效益。

4结论

（1）选用铝合金6082-T6材料进行材性试验，和滨州生产铝合金的厂家进行产学研合作，得到6082-T6铝材的弹性模量为74718.8MPa，屈服强度为280.1MPa，极限抗拉强度为302.57MPa。（2）选用铁塔公司10m多功能杆塔进行SAP2000有限建模分析，得到6082-T6铝材可以满足通信塔的结构设计要求，同时塔身自重轻，塔顶位移小，对前期的施工和安装以及后期的维护提供了很大便利。（3）针对现有通信塔的美化要求，铝合金材料具有特殊的光泽和质感，同时铝可以进行阳极氧化和电解着色，可以很容易起到美化通信塔的作用。（4）根据本文的研究分析结果，分析了10m多功能塔钢材和铝材的对比，并进行了市场应用前景分析，得到了铝合金通信塔市场应用的可行性和优越性，并为铝合金通信塔的量产提供了数据参考。

参考文献

[1]中国铁塔股份有限公司.微站杆塔标准图集V1.0：Q/ZTT1027-2018[S].

[2]移动通信工程钢塔桅结构设计规范：YD/T5131-2005[S]北京：北京邮电大学出版社，2006．

[3]铝合金结构设计规范：GB50429-2007[S].北京:中国计划出版社，2008．

[4]王祝堂，田荣璋.铝合金及其加工手册[M].长沙：中南大学出版社，2000.

[5]邵永松，王滨.铝合金微波通信塔结构设计分析[J].节能技术，1999，17（3）：16-17.

[6]阮左正，等.铝合金三管通信塔研究[J].轻金属，2017（3）.

[7]董震.关于铝合金通信塔的设计及试点工程介绍[J].特种结构，2012，29（14）.

[8]董震，等.关于开发铝合金通信塔的可行性研究报告[R].上海邮电设计院有限公司，2007.

作者：王进 孙玉桃 贾兴隆 单位：中通服咨询设计研究院有限公司