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对于冷弯型钢在通信铁塔中应用与设计探讨
摘要：从通信铁塔的发展趋势和塔材的使用特点出发，从技术与经济两方面对冷弯型钢在通信铁塔中应用可行性进行探讨。以60°冷弯型钢三角形铁塔为设计实例，对其主柱截面参数、受力特点进行计算分析，论证了冷弯型钢应用在通信铁塔中的优势。
关键词：冷弯型钢；三角形铁塔；截面形式及参数；结构计算分析
中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1672—545X（2007）02— —
A study and designs on the formed Structural Steel used in steel tower
REN Wu zhu
（Hebei Telecom Industry Co.,Ltd,baoding 071000,China）
Abstract： Based on the development of the steel tower and the property of the tower material, this article carries on a study on the possibility of using formed Structural Steel for steel towers. Take the triangular tower made of 60Ｏ formed Structural Steel as an example, this article demonstrates the advantages of using formed Structural Steel for steel towers by analyzing the parameters on a section of the main tower body and its special points for supporting weight.
Key words：formed Structural Steel；triangular steel tower；the properties of section；structural calculation and analysis
我公司生产钢结构铁塔产品，主要应用于移动通信领域。铁塔截面多为四边形，用热轧等边角钢与板材螺栓连接，四角主柱用热轧角钢，作为主要受力结构。铁塔钢结构产品对防腐要求较高，要求使用年限为30年以上，所以必须采用热镀锌，不能进行现场焊接。采用传统的热轧角钢只能将铁塔设计成方形或矩形，铁塔的实现形式较为单一，已不能适应通信行业的发展与用户对铁塔经济性及结构形式多样化的要求。
钢管作为铁塔主柱可以将铁塔设计成三角形截面或作成独管结构，但钢管结构焊接量大且存在加工过程中的大量变形问题。所以，采用一种新型材料进行铁塔设计，解决铁塔形势单一，有效减轻重量、降低成本，使加工更易实现自动化，已经成为铁塔设计中的重要课题。
冷弯型钢是一种断面异型的钢材，具有重量轻、强度高、结构断面可以任意设计等优点，是国家大力推广应用的高效经济的新型材料。我国的冷弯型钢生产始于60年代，随着我国经济建设的发展，冷弯型钢已在各行业广泛应用并被市场接受。在国外，冷弯型钢已逐步代替传统的热轧角钢，提高铁塔综合性能，降低成本，进行各种个性化设计。
在我国，冷弯型钢生产能力已达每年1500万吨，同时具有各种连续冷弯型钢成型机组的生产能力。进行冷弯型钢生产，生产设备及工艺比较简单，一次性投资小。可以随意进行合理截面设计，加工尺寸精度高，表面光滑，性能稳定，加工不受批量限制，易于实现自动化生产。虽然单价稍高于热轧钢材，但工程造价低于常用材料。所以，用冷弯型钢代替普通热轧钢材应用于铁塔设计中已经成为可能。
为了有效降低重量，提高经济性能，我们设计开发了60°冷弯型钢三角形铁塔。用60°冷弯型钢作为铁塔主柱，代替普通90°热轧角钢，其横材、斜材、辅材仍使用传统的热轧等边角钢、板材，与主柱采用紧固件连接，共同组成两连接面成60°角，横截面为正三角形的这样一种新型结构，见图1。60°主柱可以用热轧钢带或90°热轧角钢经辊弯机辊弯或采用折弯机进行折弯，由于定宽热轧钢带的起轧吨位较高，我们实践中采用了用90°热轧角钢经过辊弯机辊弯，为保证制弯后材料性能改变较小及螺栓连接方便，我们作成了图示形式，见图2。
选择合理的截面形状，可以有效提高材料的强度和稳定性。对于铁塔构件，受力计算主要考虑自重荷载及风荷载，其工作状态多为大长细比的压弯杆失稳。普通碳素钢、合金钢及高强钢的弹性模量相差不大，因此对于细长杆，选用高强钢对压弯杆的临界力影响甚微，反而造成材料的浪费。当杆件两端在各个方向的挠曲平面内具有相同的约束条件时，压弯杆将在最小的主轴平面内失稳，如果只增加截面某个方向的惯性矩，并不能提高其承载能力。设计时，应尽量使杆件截面沿主轴方向的惯性矩接近，从而在不增加截面积的前提下提高其承载能力。
我们对主柱的截面参数进行了计算，见图３（b）。按图示在截面形心（Ｘc，0）处建立直角坐标系，Ｘ－Ｘ、Ｙ－Ｙ轴即为主惯性轴，制弯点处b值在满足制造要求的条件下事先给定，准线为与辅材螺栓连接位置线。计算方法主要为将图形分块，分别计算每小块参数，然后采用平行移轴公式、转轴公式进行叠加。计算公式如下：
Ｘc＝ Ｙc＝０
Ｊxc＝
Ｊyc＝
ix＝ iy＝
式中：A—截面面积
Ｘc—角钢楞点至制弯后形心距离，形心横坐标
Ｙc—形心纵坐标，在图示坐标系下为0
Ｊxc、Ｊyc—对X－Ｘ轴、Y－Y轴总惯性矩
Ix、iy—对X－Ｘ轴、Y－Y轴惯性半径
下标i—对相应每小块图形i的相应参量
通过计算公式，编制计算机计算程序，得出计算结果，以∠90X8、∠125X10、∠140X12制弯后截面参数为例进行列表，并与90°同规格角钢参数比较，见表1：
表1 截面参数对照表
基本数据（cm） 90°热轧角钢参数 60°冷弯型钢参数
角钢
肢宽 厚度 尺寸b X－X轴惯性矩
Jx(cm ) Y－Y轴惯性矩
Jy(cm ) 形心坐标Xc
(cm) X－X轴惯性矩
Jx(cm ) X－Ｘ轴惯性半径ix(cm) Y－Y轴惯性矩
Jy(cm ) Y－Y轴惯性半径iy(cm)
9.0 0.8 3 168.97 43.97 3.89 118.22 2.91 60.65 2.09
12.5 1.0 4 573.89 149.46 5.36 397.34 4.04 207.25 2.92
14.0 1.2 4 958.79 248.57 6.12 639.16 4.43 350.37 3.28
从表中我们可以看出，制弯前后同截面积材料的参数变化：制弯后Jx下降了约30%，Jy提高了将近40%。对X、Y轴的惯性矩更趋于合理，有效提高了弱轴（Y－Y轴）的抗弯能力。
铁塔主柱在正常工作时，承受的固定荷载为自身及上部结构的重量，可变荷载主要为风荷载。结构自重对结构主要产生轴向压力（还有一部分偏心产生的弯矩），风荷载为横向荷载，对结构产生横向弯矩作用。通过对铁塔主柱的基本受力分析，在进行结构计算时，可以将其时为压弯构件处理。对压弯构件，需计算强度、整体稳定、局部稳定、刚度四个方面。
计算公式如下：
（１）强度： + ≤
（２）整体稳定：弯矩作用平面内 + ≤
弯矩作用平面外 + ≤
（３）局部稳定：主要控制截面的宽厚比来保证。
（４）刚度：压弯构件用控制长细比来保证刚度。长细比： ≤
式中：N—所计算构件范围内的轴心压力设计值
Ａ—截面面积
Ｍx—所计算构件范围内的最大弯矩设计值
Ｗx—截面模量
—许用强度设计值
、 、 —稳定系数
、 —等效弯矩系数
Ｗ1x—弯矩作用
关键词：冷弯型钢；三角形铁塔；截面形式及参数；结构计算分析
中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1672—545X（2007）02— —
A study and designs on the formed Structural Steel used in steel tower
REN Wu zhu
（Hebei Telecom Industry Co.,Ltd,baoding 071000,China）
Abstract： Based on the development of the steel tower and the property of the tower material, this article carries on a study on the possibility of using formed Structural Steel for steel towers. Take the triangular tower made of 60Ｏ formed Structural Steel as an example, this article demonstrates the advantages of using formed Structural Steel for steel towers by analyzing the parameters on a section of the main tower body and its special points for supporting weight.
Key words：formed Structural Steel；triangular steel tower；the properties of section；structural calculation and analysis
我公司生产钢结构铁塔产品，主要应用于移动通信领域。铁塔截面多为四边形，用热轧等边角钢与板材螺栓连接，四角主柱用热轧角钢，作为主要受力结构。铁塔钢结构产品对防腐要求较高，要求使用年限为30年以上，所以必须采用热镀锌，不能进行现场焊接。采用传统的热轧角钢只能将铁塔设计成方形或矩形，铁塔的实现形式较为单一，已不能适应通信行业的发展与用户对铁塔经济性及结构形式多样化的要求。
钢管作为铁塔主柱可以将铁塔设计成三角形截面或作成独管结构，但钢管结构焊接量大且存在加工过程中的大量变形问题。所以，采用一种新型材料进行铁塔设计，解决铁塔形势单一，有效减轻重量、降低成本，使加工更易实现自动化，已经成为铁塔设计中的重要课题。
冷弯型钢是一种断面异型的钢材，具有重量轻、强度高、结构断面可以任意设计等优点，是国家大力推广应用的高效经济的新型材料。我国的冷弯型钢生产始于60年代，随着我国经济建设的发展，冷弯型钢已在各行业广泛应用并被市场接受。在国外，冷弯型钢已逐步代替传统的热轧角钢，提高铁塔综合性能，降低成本，进行各种个性化设计。
在我国，冷弯型钢生产能力已达每年1500万吨，同时具有各种连续冷弯型钢成型机组的生产能力。进行冷弯型钢生产，生产设备及工艺比较简单，一次性投资小。可以随意进行合理截面设计，加工尺寸精度高，表面光滑，性能稳定，加工不受批量限制，易于实现自动化生产。虽然单价稍高于热轧钢材，但工程造价低于常用材料。所以，用冷弯型钢代替普通热轧钢材应用于铁塔设计中已经成为可能。
为了有效降低重量，提高经济性能，我们设计开发了60°冷弯型钢三角形铁塔。用60°冷弯型钢作为铁塔主柱，代替普通90°热轧角钢，其横材、斜材、辅材仍使用传统的热轧等边角钢、板材，与主柱采用紧固件连接，共同组成两连接面成60°角，横截面为正三角形的这样一种新型结构，见图1。60°主柱可以用热轧钢带或90°热轧角钢经辊弯机辊弯或采用折弯机进行折弯，由于定宽热轧钢带的起轧吨位较高，我们实践中采用了用90°热轧角钢经过辊弯机辊弯，为保证制弯后材料性能改变较小及螺栓连接方便，我们作成了图示形式，见图2。
选择合理的截面形状，可以有效提高材料的强度和稳定性。对于铁塔构件，受力计算主要考虑自重荷载及风荷载，其工作状态多为大长细比的压弯杆失稳。普通碳素钢、合金钢及高强钢的弹性模量相差不大，因此对于细长杆，选用高强钢对压弯杆的临界力影响甚微，反而造成材料的浪费。当杆件两端在各个方向的挠曲平面内具有相同的约束条件时，压弯杆将在最小的主轴平面内失稳，如果只增加截面某个方向的惯性矩，并不能提高其承载能力。设计时，应尽量使杆件截面沿主轴方向的惯性矩接近，从而在不增加截面积的前提下提高其承载能力。
我们对主柱的截面参数进行了计算，见图３（b）。按图示在截面形心（Ｘc，0）处建立直角坐标系，Ｘ－Ｘ、Ｙ－Ｙ轴即为主惯性轴，制弯点处b值在满足制造要求的条件下事先给定，准线为与辅材螺栓连接位置线。计算方法主要为将图形分块，分别计算每小块参数，然后采用平行移轴公式、转轴公式进行叠加。计算公式如下：
Ｘc＝ Ｙc＝０
Ｊxc＝
Ｊyc＝
ix＝ iy＝
式中：A—截面面积
Ｘc—角钢楞点至制弯后形心距离，形心横坐标
Ｙc—形心纵坐标，在图示坐标系下为0
Ｊxc、Ｊyc—对X－Ｘ轴、Y－Y轴总惯性矩
Ix、iy—对X－Ｘ轴、Y－Y轴惯性半径
下标i—对相应每小块图形i的相应参量
通过计算公式，编制计算机计算程序，得出计算结果，以∠90X8、∠125X10、∠140X12制弯后截面参数为例进行列表，并与90°同规格角钢参数比较，见表1：
表1 截面参数对照表
基本数据（cm） 90°热轧角钢参数 60°冷弯型钢参数
角钢
肢宽 厚度 尺寸b X－X轴惯性矩
Jx(cm ) Y－Y轴惯性矩
Jy(cm ) 形心坐标Xc
(cm) X－X轴惯性矩
Jx(cm ) X－Ｘ轴惯性半径ix(cm) Y－Y轴惯性矩
Jy(cm ) Y－Y轴惯性半径iy(cm)
9.0 0.8 3 168.97 43.97 3.89 118.22 2.91 60.65 2.09
12.5 1.0 4 573.89 149.46 5.36 397.34 4.04 207.25 2.92
14.0 1.2 4 958.79 248.57 6.12 639.16 4.43 350.37 3.28
从表中我们可以看出，制弯前后同截面积材料的参数变化：制弯后Jx下降了约30%，Jy提高了将近40%。对X、Y轴的惯性矩更趋于合理，有效提高了弱轴（Y－Y轴）的抗弯能力。
铁塔主柱在正常工作时，承受的固定荷载为自身及上部结构的重量，可变荷载主要为风荷载。结构自重对结构主要产生轴向压力（还有一部分偏心产生的弯矩），风荷载为横向荷载，对结构产生横向弯矩作用。通过对铁塔主柱的基本受力分析，在进行结构计算时，可以将其时为压弯构件处理。对压弯构件，需计算强度、整体稳定、局部稳定、刚度四个方面。
计算公式如下：
（１）强度： + ≤
（２）整体稳定：弯矩作用平面内 + ≤
弯矩作用平面外 + ≤
（３）局部稳定：主要控制截面的宽厚比来保证。
（４）刚度：压弯构件用控制长细比来保证刚度。长细比： ≤
式中：N—所计算构件范围内的轴心压力设计值
Ａ—截面面积
Ｍx—所计算构件范围内的最大弯矩设计值
Ｗx—截面模量
—许用强度设计值
、 、 —稳定系数
、 —等效弯矩系数
Ｗ1x—弯矩作用
