通信塔中鋁合金的應用與研究范文

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[摘要]目前通信塔主要為鋼結構，為分析鋁合金在通信塔中的應用，選用6082-T6鋁材進行材性試驗，確定材料強度，結合現有工程實際，運用SAP2000有限元軟件建模分析對比鋁材通信塔和鋼結構通信塔，分析鋁材通信塔受力特點；同時對鋁材通信塔進行市場應用分析。分析結果表明：6082-T6鋁材彈性模量為鋼材的1/3，材料強度略低于Q345鋼材；滿足通信塔結構設計要求的前提下，鋁合金塔的自重輕，塔頂位移小，便于施工安裝；對鋁合金塔進行市場應用分析，得到鋁合金在通信塔市場的應用優勢，為鋁合金塔的應用提供了數據參考。

[關鍵詞]鋁合金；通信塔；材性試驗；經濟性分析

引言

近年來隨著通信塔業務建設量的不斷攀升，鋁合金通信塔的使用呼聲越來越高。鋁合金材料的優點，諸如重量輕、可回收循環利用、維護成本低等和鐵塔公司的需求不謀而合。濱州是全國聞名的鋁都，濱州市政府近來大力支持在濱州以及山東、甚至全國推廣鋁合金結構在多個場景下的應用，加之今年以來鐵塔公司大力推廣微站建設[1]，如何盡快的將鋁合金型材用于通信塔桅結構，并結合諸如配合市政、公安、城管等部門的照明、監控、宣傳等需求，努力推動“通信塔”與“社會塔”的共享發展，形成規模效應，已成為急需解決的一個難題。

1鋁合金材料特性分析

鋁合金材料作為一種新型的材料，具有以下特點：自重輕，比強度高，密度約為鋼材密度的1/3；耐腐蝕性好，低溫韌性好；具有特殊的光澤和質感，塔身美化方面有著得天獨厚的優勢。但是現階段通信塔中鋁合金還未得到廣泛應用，究其原因是因為其屈服強度、極限抗拉強度以及彈性模量因鋁合金型號的不同而不同，因此本文首先根據《鋁合金結構設計規范》GB50429-2007中的6082-T6鋁合金型材進行材性試驗[3-4]?？紤]到本文的工程實際應用價值，選用厚度為6mm的6082-T6四組鋁合金管材進行材性試驗，采用英斯特朗300DX-C4A-G7F液壓萬能試驗機進行材性試驗，試件裝置如圖1所示。通過分析材性試驗得到的數據及各個試樣的荷載位移曲線，得出鋁材經歷了彈性階段、屈服階段，達到屈服階段，荷載不再增加，但是試件伸長變形還在增大，到達極限強度后，構件瞬間被拉斷，說明鋁合金型材在使用過程中容易出現脆性破壞；但是荷載位移曲線中可以看出鋁合金沒有明顯地屈服點，這與低碳鋼、低合金鋼有顯著的區別。分析試驗數據得到，去除試樣1的試驗數據后得到6082-T6鋁合金型材的彈性模量為74718.8MPa，屈服強度為280.1MPa，極限抗拉強度為302.57MPa。

2鋁合金通信塔應用分析

2.1模型數據

采用10m多功能桿塔為研究對象[1]，基本風壓為0.55kNm/2，地面粗糙度考慮為B類。為對比現有鋼結構塔，選取模型數據見表2[4]。運用SAP2000有限元建模軟件對結構進行建模分析，結構大樣圖及模型圖如圖3所示。2.2邊界條件采用SAP2000軟件進行結構建模時，由于單管塔結構均是采用法蘭盤與基礎進行連接，因此在進行單管塔建模時底部采用固結的形式。

2.3荷載工況

多功能塔建模時，需將塔身微站設備、路燈、監控、廣告牌以及光交一體箱重量簡化成集中荷載加到塔身相應位置，各個功能構件的重量及迎風面積見表3。

2.4數據分析

進行有限元建模分析后得到鋁材多功能塔和鋼材多功能塔的數據見表4。按照試驗所得材性數據，對比分析兩種型材作用下的多功能塔，得到6082-T6鋁材可以滿足通信塔結構的設計要求，同時鋁材的密度為2700kg/m3，因此10m鋁合金通信塔重量約為鋼材的一半，便于塔的運輸和安裝。相對于10m鋼結構通信塔，前者的塔頂位移更小，塔身擾動更小，對塔身上的設備保護更好。

2.5鋁合金通信塔應用分析

現有通信塔的材料大多是采用鋼結構的單管塔或三管塔，這兩種塔型主要優點是結構形式簡單、外形美觀、施工方便。但是在偏遠山區及腐蝕環境下，運輸和維護工作仍然比較困難。而鋁合金材料具有輕質、高強、耐腐蝕等優良性能，剛好可以彌補鋼結構塔的不足[7-8]。（1）鋁合金密度為鋼材的1/3，通過以上有限元分析，鋁合金可以滿足通信塔的結構設計要求，鋁合金桿體重量較輕，運輸安裝時可降低勞動力費用，簡化施工和安裝過程，方便運輸大規模的預制件。（2）鋁合金通信塔的耐腐蝕性好。鋁合金材料與大氣接觸時表面能形成一道致密的氧化膜，從而阻止內部的鋁合金被腐蝕，因此具有優良的抗腐蝕性能。從表5中可以看出鋼材的耐腐蝕性最差，鋁合金的耐腐蝕性最好，雖然現階段的鋼材在制作過程中均要求鍍鋅防腐，但鋁合金不需要進行防腐處理，防腐能力大于鍍鋅的鋼結構通信塔，后期維護成本更低，可回收利用率更高。（3）鋁合金材料作為一種新型材料，現階段的設計規范還不夠成熟，材料種類多，同時每種類型的材性都是完全不同的?！朵X合金結構設計規范》GB50429-2007規范的頒布，使鋁合金通信塔的設計更加規范化，但是鋁合金材料達到了幾十種，而規范只提供了部分型號的材性數據。因此在實際應用過程中，需要針對應用的鋁材型號進行材性試驗，得到相應型號鋁材的材性參數后才能準確的應用到實際工程中。

3工程應用市場分析

3.1鋁合金通信塔的經濟性指標

為了全面反應鋁合金通信塔的經濟性，筆者就鋁合金和鋼材列舉了單位重量和價格、鍍鋅費用、加工安裝、維護周期、抗腐蝕性等6個指標，具體見表6。

3.2經濟性分析

表7反應了根據本課題研究的10m多功能鋁塔和鐵塔公司微站圖集中的10m多功能鋼塔的經濟性比較。

3.3經濟性結論及相關社會效益

通過表6和表7的兩種多功能塔的經濟性分析可以看出，盡管鋁合金的材料價格是鋼材的3倍多，但由于鋁塔的重量只有鋼塔的一半不到，因此鋁合金塔的材料費上僅是鋼塔的1.5倍。鋁合金自重輕，則在加工安裝以及運輸等環節節約較大資金，而且鋁合金不需要鍍鋅處理，在維護方面比鋼材有很大優勢；同時鋁合金塔的基礎可以做的小些，基礎的費用也會相應降低。綜合各方面的因素，鋁合金塔的整體建造費用預計比鋼通信塔節約10%，具有十分明顯的經濟效益。由于鋁合金塔不需要熱鍍鋅防腐，符合國家環保政策，因此也具有十分突出的社會效益。

4結論

（1）選用鋁合金6082-T6材料進行材性試驗，和濱州生產鋁合金的廠家進行產學研合作，得到6082-T6鋁材的彈性模量為74718.8MPa，屈服強度為280.1MPa，極限抗拉強度為302.57MPa。（2）選用鐵塔公司10m多功能桿塔進行SAP2000有限建模分析，得到6082-T6鋁材可以滿足通信塔的結構設計要求，同時塔身自重輕，塔頂位移小，對前期的施工和安裝以及后期的維護提供了很大便利。（3）針對現有通信塔的美化要求，鋁合金材料具有特殊的光澤和質感，同時鋁可以進行陽極氧化和電解著色，可以很容易起到美化通信塔的作用。（4）根據本文的研究分析結果，分析了10m多功能塔鋼材和鋁材的對比，并進行了市場應用前景分析，得到了鋁合金通信塔市場應用的可行性和優越性，并為鋁合金通信塔的量產提供了數據參考。

參考文獻

[1]中國鐵塔股份有限公司.微站桿塔標準圖集V1.0：Q/ZTT1027-2018[S].

[2]移動通信工程鋼塔桅結構設計規范：YD/T5131-2005[S]北京：北京郵電大學出版社，2006．

[3]鋁合金結構設計規范：GB50429-2007[S].北京:中國計劃出版社，2008．

[4]王祝堂，田榮璋.鋁合金及其加工手冊[M].長沙：中南大學出版社，2000.

[5]邵永松，王濱.鋁合金微波通信塔結構設計分析[J].節能技術，1999，17（3）：16-17.

[6]阮左正，等.鋁合金三管通信塔研究[J].輕金屬，2017（3）.

[7]董震.關于鋁合金通信塔的設計及試點工程介紹[J].特種結構，2012，29（14）.

[8]董震，等.關于開發鋁合金通信塔的可行性研究報告[R].上海郵電設計院有限公司，2007.

作者：王進 孫玉桃 賈興隆 單位：中通服咨詢設計研究院有限公司