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On The Tower
認識鐵塔


No.27   1995 Apr.   p84~93,
by 文伯銓 Frank Wen, KM2X (寄自美國紐約)

Fig 00



    喜歡捉 DX 的同好們,大多希望有一座高聳雲霄的鐵塔,和一根強力的定向天線。一聲 CQ 遠達全球,不是很過癮嗎?經常 ON AIR 者當會發現,強大的遠地訊號,多數是從一根架得既高又好的天線發來。鐵塔雖然對電波的發射沒有直接的關係,但是好的天線大多都架設在鐵塔上來發揮其功能。

    在業餘史上,天線和鐵塔倒下的例子,不勝枚舉。傷亡的案例,亦時有所聞。究其原因,還不是由於鐵塔 (塔的材料有鐵、鋁、木等,為行文方便,本文統稱為鐵塔) 的架設屬於土木工程領域。

    有些地區架設鐵塔一如建築房屋般,尚需事先申請建築執照。我輩業餘玩家,涉及的學術範圍 (電子、法規,通訊等),已經太廣泛了,不一定每位都可能再兼有土木建築的專業知識和經驗。所以這件架設工作,應請專業人員來擔任,才是穩健安全之道。本文收集了多年的資料和實際架設的經驗,對鐵塔作一認識性的簡介,獻給鐵塔族火腿同好作參考:


鐵塔的剋星

    鐵塔有兩大剋星,即地震和風。地震威力太過於巨大,本文無法討論;風則隨時衝擊鐵塔。中國沿海地帶每年夏秋之交是颱風季節,內陸也有戈壁吹來的風暴。最起碼的颱風,其風速也有每秒 25 公尺 (相當於汽車每小時 90 公里的速度)。40~50 公尺的風速,可將大樹連根拔起,掃平房屋。風速高達每秒 70 公尺的超級颱風,也不時發生。

    巨大的強風固可一下子打垮鐵塔,普通的大風,在經年累月的情形下,也會將鐵塔的銜接處、著力點漸漸搖鬆。所以天線和鐵塔要裝得穩固,並作定期的體檢,以確保安全。


鐵塔的承風力、高度和材料

Fig 12     鐵塔能承受的風力是依據鐵塔 (加上天線) 吃風面的總面積和風的速度的平方成正比。請注意風的破壞力,此處所謂「平方成正比」的意思是風速每加強一倍,鐵塔所承受的力是原先的四倍!

    普通市售的鐵塔,大多會在廣告中加註「本產品可耐 50 哩風速」等字樣,這是最起碼的颱風速度,在更大的颱風來襲時會有問題,可得要預先加強處理。

    有很多專做鐵塔的廠家,美、日的廠商有現貨出售,產品的型式有單柱式、三柱式,四柱式、固定式、可昇降式、需要拉索的和不需要拉索的自立式等;再依其載重量和高度再分級。一般業餘用的高度不大會超過 60 公尺 (200 英呎),天線超過此高度者,將會影響航空安全。在美國,這般高的塔身要有特殊易識別的顏色和圖案,塔頂要裝紅燈;更要民用航空署 (FAA) 另案批准,方可豎立。

    專業廠家出售的鐵塔,都經過工程設計,這裡面包括材料的選擇、各部之連接法、地基的條件等,最後尚要經過專業工程師作「應力分析」 (STRESS ANALYSIS),測定每一環節的抗風力、載重力等能否符合設計的要求。

    在選材方面,不是看上去很堅固便可用。鐵有分熟鐵、生鐵;鋼有硬鋼、軟鋼;不袗也有不同品種;鋁也有軟硬之分,有些鋁合金很硬 (#7075),但不抗腐;有些不能焊接等等,很專門。鋁質的天線和塔都用硬度強且防腐的鋁合金 (#6061-T6);鐵質塔身如不加鍍鋅 (GALVANIZATION) 作處理,一定會生蛂C


鐵塔要配合天線

    一座鐵塔的荷載能力是以要架設的天線的總吃風面積 (WIND LOAD AREA 或 SURFACE AIREA,單位是平方公尺或平方英呎),在某一假定的風速 (通常是每小時 50 英哩或每秒 23 公尺) 來表示。舉例來說,有一鐵塔的最大荷載能力是 1.2 平方公尺,任何天線只要它的吃風面積少於 1.2 公尺,都可架設在塔頂上,而不致超載。鐵塔和天線的製造廠,都會將此面積,連同其他資料,表明在產品的說明書上。見圖一、圖二。

Fig 01
圖一:天線製造廠商會在說明書上註明天線的吃風面積 (SURFACE AREA 或 WIND LOAD AREA),如圖框所示。
Fig 02
圖二:鐵塔說明書上註明在某一風速下的荷載能力,如圖中粗線文字所示。例如 G-33MT2 型可承載圖一中任一種天線,因沒有一根的吃風面積超過 8.5 平方英呎並可耐抗每小時 50 英哩的風速打擊。但要注意這 50MPH 是最起碼的颱風風力。

    本文要提醒讀者要注意的是,在鐵塔的說明書上有沒有註明風速多少。一般廠商會說是每小時 50 英哩;要知道,這是最起碼的颱風。風力一轉大,鐵塔的荷載能力便打折扣了,在設計時,這些折扣都應在事前考慮計算之內。

    根據統計,鐵塔倒下或折斷的原因,最多是超載。有很多火腿,初時只裝一根基本的旋轉定向天線,採用剛好在合格範圍內的鐵塔。後來胃口大了,換裝大天線,再在上面加裝超短波天線,又掛一條 80 公尺波段的尾巴,鐵塔本來已是勉強支持,今又經風吹日曬二年多,也不去作定期體檢,一場強風暴雨經過。不倒下才怪!

    曾經有此傳云:有一位火腿在睡眠中,被倒下的天線元件,直穿屋頂,插透胸膛,一命嗚呼在床上。這個故事流傳多時,不敢說其有,亦不能說其無。總之,鐵塔這玩意兒要謹慎從事,不可等閒視之。


鐵塔的型式

    依型式來看,鐵塔可粗分為固定式、可昇降式、可彎下式。再細分為自立式或拉索式 (見圖三)。

    固定式是最普通的型式,其構造通常由三根粗約 2.5 公分、長 3~4 公尺的鐵管,組成三角形為一節。三角形每邊長約 30 公分,節與節之間可以銜接加長至需要的長度。這個尺碼是輕量級的鐵塔,總高度最好不要超過 11~12 公尺。如要再加高或載重更大,三角形的每邊要加長,鐵管要加粗。加長或加粗多少,美國 EIA 「電子工業協會」 (THE ELECTRONIC INDUSTRIES ASSOCIATION) 釐定了天線和鐵塔結構標準,詳細說明耐風力、材料、結構等資料。有意者可直接向 EIA 購買,價格約 20 餘美元:

    "STRUCTURAL STANDARDS FOR STEEL ANTENNA TOWERS AND ANTENNA SUPPORTING STRUCTURE", EIA STANDARD RS22C

    THE ELECTRONIC INDUSTRIES ASSOCIATION, 2001 EYE STREET,N.W., WASHINGTON D.C. 20006,U.S.A.

    這三大型式的鐵塔各有其優劣,一半是設計和製造的問題,另一半則是使用者的人為因素。選用時,這二項因素都應在考慮範圍之內。


固定式鐵塔

    固定式鐵塔的長處是可以加到很高,而本身沒有活動部份,較為牢固,且可再加拉索,使之更穩固。短處則是架設天線時,要設法將天線吊上。有人用輔助起重桿 (GIN POLE),有人用吊車,亦有人用直昇飛機;調整或修理天線時得攀登鐵塔。在比較其優劣點之後,很多火腿皆選用這類固定式鐵塔 (見圖三 A),雖然攀登不方便,但基於它的安全性能比其他型式高,一年攀登一次又何妨?

    近年來有新製品,在塔身上、中、下三部位的外圈,加裝大型軸承 (BEARING)。軸承的內圈固定在塔身上,外圈接上拉索,轉動方向時,整座鐵塔連天線,一起同時同步轉動。

Fig 3a
A:這是常見的固定式鐵塔,普通成品約 3~4 公尺為一節,可加至所需要的高度。圖示為有拉索的鐵塔,自立式則無拉索,但其結構要相對加強。
Fig 3b
B:這是一座三節昇降式鐵塔,最下節不動,上二節可昇降,惜不易加裝拉索。此類鐵塔如疏忽大意,上面數節會突然衝下傷人,甚為危險,請看正文。
Fig 3c
C:這是筒式昇降鐵塔,筒的形狀有圓形和方形,操作情形和 B 式相似。

Fig 3d
D:這是中段可彎下的鐵塔,利於架設天線。上段昇直後可用拉索拉緊。
Fig 3e
E:這是底部可彎下的鐵塔,功能同 D 式。
圖三:各式典型的鐵塔


彎身式鐵塔

    另一類常見的鐵塔是固定式的改良型 (見圖三 D 及 E)。這是在鐵塔的中部或底部加裝一鉸鏈,整座或部份鐵塔可彎下傾向地面,裝好天線後再回昇;鐵塔各節亦可加裝拉索,確是方便。

    這類可彎身的鐵塔的缺點,也正是它的優點,就是裝有鉸鏈,使之豎直和彎下太過容易,萬一不小心,數百公斤的鋼鐵,借地心加速的助力,浮雲而下,其破壞力實不敢想像。所以在架設這類及任何一類鐵塔之前,對槓桿力學的原理最好能有實際應用的經驗,否則還是請專業人員來處理,是為上策。

    茲舉一個不易察覺,但具危險性的例子來說明:有人要將一根 100 公斤重,平放在地面上的鐵塔豎立起來。他將塔的一端提起 (另一端著地),當舉至接近直立前的某一角度時,這根重 100 公斤的鐵塔,加在其支持物 (如人的肩膀上) 的壓力,是其本身重量的數倍,肩膀能否承受得住?所以,事前多項應用器材、大小工具、額外幫手,都得準備週全。最怕架設到一半時,肩上的鐵塔不上不下,進退兩難,那真性命交關。出外遠征的電台,尤應注意,以免功虧一簣。


昇降式鐵塔

    可昇降式鐵塔的構造和固定式者相同,見圖三 B 及 C,只是最下一節的三角形較大,中節略小,再上一節更小,如套筒般套在一起,好像老式可伸縮的單筒望遠鏡,英文俚語稱為 "TELESCOPING"。鐵塔的昇降是由鋼纜來拉上拉下,有用手搖的,也有用電動馬達遙控的。電台 ON AIR 時昇高,不用時或大風時降下。調整天線或更換天線,可將鐵塔降下,甚為方便。也有廠商改用直徑不同的圓形或方形管子做塔身,功效相同。

    這類很吸引人的可伸縮鐵塔,其最大的優點是在縮下時,可避高處的強風;再者是調整或換裝天線時,工作可在靠近地面進行,以減低工作人員從高處摔下的危險度。昇降的機械更可用馬達來遙遠控制,方便之至。其短處則是基於操作和安全的條件,上昇的高度不敢太高。再者,只有最下的一節能固定在地基上,拉索也只能拉固這一節,如要在上方活動的數節加裝有效的拉索,事實上可不太容易。

    這些表面上的優劣點,固然要考慮,可是更要慎重賢明考慮的是整座鐵塔昇降部份的可靠性,和使用者對機械操作的常識和安全的警覺性。這類鐵塔最常見的故障是昇降部份卡死不動,其理由很多,如昇降的鋼索折斷、纏住、卡住、脫軌、昇降機械的齒輪卡住、生蛂B控制昇降的剎車失靈、昇降的軌道受強風扭曲而變形等原因。

    在進行檢查和修理這些故障之前,一定要採取適當的安全防衛措施,例如將活動的數節硬性鎖死等,務必要確知鐵塔不會突然自動降下,更不要將頭手伸進鐵塔內。已昇起的鐵塔,不論卡死與否,不要隨便攀登,萬一剎車或其他機械失靈,數百公斤重的鐵塔直衝而下,其勢比起法國大革命時的斷頭台何止厲害百倍。事實上,確有火腿因此受傷和喪命,萬不可魯莽。

    鐵塔的保養也很重要,使用者是否能有經年累月的恆心去照顧鐵塔,每次使用都要去昇上、降下,定期防蛂B加油等工作,這些都是選用這類鐵塔前所要考慮的因素。


Fig 04
圖四:鐵塔地基的構造舉例

地基很重要

    鐵塔的地基最最重要。當鐵塔被風吹時,迎風面的塔腳,其力是向上拉,順風面的腳,其力是向下壓。風向相反時,每腳受的力方向也相反。如此反反覆覆,地基和接合的螺絲等,經常被風的力搖鬆。所以,地基的構造不可偷工減料,一般都採用鋼筋水泥。

    地基的大小和入地的深度,要根據鐵塔的高度、重量、以及土壤的性質而定。原則上,高的鐵塔和鬆的土質需要較強較深的地基。不使用拉索的自立式鐵塔也需要更堅固的地基。圖四是一典型地基,適用於普通土壤和 20 公尺高的鐵塔。混凝土內的鋼筋不要碰到支持塔腳的大螺絲,也不要碰到塔身的金屬體。因為在打雷閃電時,若是雷電的大量電流由塔身引至鋼筋,地基會爆炸,整座鐵塔會因而倒下。


拉索

    非自立式的鐵塔,需要加裝拉索 (GUY WIRE),以加強其抗風力。裝置拉索有二項主要原則,第一是三根拉索彼此相隔 120 °,如圖五 A。第二是此三根的拉力 (TENSION) 要彼此相等。

    低於 10 公尺高的鐵塔,可以僅裝三根拉索;更高的鐵塔要類推多加,如圖五 B 至 F 所示。每一組拉索之間的垂直距離儘量不要超過 10 公尺。一般業餘用的拉索最少要能承受 500 公斤的拉力,並要有抗腐處理。更高更大的鐵塔所使用的拉索應照比例加強,如圖五 E 及 F 所示。

Fig 05
圖五:拉索的佈置

    拉索穿入螺絲眼時,要加裝「護索環」 (THIMBLE),避免拉索因磨損而受傷。處理拉索尾端要使之不能鬆滑,最少要用三枚 U 形夾緊螺釘 (U-BOLT 或 U-CLAMP)。其裝置的方向很重要,第一枚 U 字向上,第二枚向下,第三枚又再向上。餘下的拉索尾巴,可將拉索每股分散,然後將逐股繞回拉索本身上,如圖六。

Fig 06
圖六:拉索末端處理法

    要將拉索拉緊到某一程度的張力 (TENSION),電力公司等專業行號有其專門的工具使用。簡單的鐵塔,我們業餘家可用簡單的「拉緊雙螺絲環」 (TURN BUCKLE),如圖七。拉緊後,一定要將兩端的「定鎖螺絲帽」 (SAFETY NUT) 上緊,否則該環因拉索張力的關係,會自動反轉而鬆脫。

Fig 07
圖七:拉緊雙螺絲環 (TURN BUCKLE)

    拉索的長度不能和所用任何波段的週率的主波副波起諧振 (RESONANCE),否則拉索會吸收寶貴的發射電能,混擾天線的指向性,造成電波干擾等不良後果。補救之法是將拉索切成數段,每段的長度都不在諧振範圍之內。段與段之間以絕緣子分開。絕緣子也應選用能耐所用拉力的強度。瓷質的比玻璃者強。

    近來有人用電腦作模擬試驗,認為拉索不必切成數段來防止諧振。我個人認為,既然花了大工程去架設一座鐵塔和天線,寧可在事前多花一些功夫加裝絕緣子,免得日後有問題時,花數倍的精力和時間去尋求補救之道。


拉索的地錨

Fig 08
圖八:地錨的裝置

    拉索的一端縛住鐵塔塔身,另一端則牽牢在埋於地下的「地錨」上 (GROUND ANCHOR)。普通業餘用的鐵塔多不超過 20 公尺高,可用 30 公分厚、1 公尺見方的水泥混凝土 (最好加鋼筋),埋入地下最少有 1 公尺半深,見圖八,這是普通含有砂石泥土的土地。如果地質鬆弛或使用更高更大的鐵塔,地錨要加大加深。

    原則上,地錨的耐拉力要比拉索者多一倍以上。假定拉索的耐拉力是 500 公斤,地錨的耐拉力要在 1000 公斤以上。附在地錨身上一起埋入地下的金屬物體,都要經過良好耐久的防腐蝕處理。


屋頂上的鐵塔

    上文所述的是鐵塔裝置在地面的種種要點。有很多火腿住在公寓大樓,可利用地緣因素,將鐵塔架裝在屋頂上,盡佔先天高度的便宜,甚為理想。我個人也曾經有過多次美麗的夢,希望皇天不負苦心人,中個大彩券 (紐約有一幸運兒獨中七千萬美元獎券),然後在郊外購置一塊土地,或者在世界第二高的紐約世界貿易中心雙子塔 (WORLD TRADE CENTER, TWIN TOWER) 頂上,架設一座高高的鐵塔,好好地享受一下追捉 DX 之樂。界於鄉郊與都市兩者之間,我選後者,取其餐館多也。

    從無線電的立場來看,架在屋頂的鐵塔要注意的是高度。不論該樓有多高,天線離屋面最少要有 1/4 波長的距離 (1/2 波長更好),輸電纜一定要垂直而下,碰到屋面時再轉彎。換句話說,一根 10-15-20 米波的天線所用的鐵塔,最少要有 5 公尺高,否則會發生電波方向、發射功能、干擾等不正常情形。

Fig 09
圖九:紐約聯合國大廈。聯合國的業餘電台 4U1UN 只裝了一根多波段的垂直天線在屋頂上。

    從建築工程立場來看,架在屋頂的鐵塔要注意的是屋頂的堅固度。一般房屋構造最弱的一環,可能就是屋頂了。因為在最初設計時,其要求所載重的物體,只不過是一層積雪或結成冰的雨水和風壓而已。而今在一塊小小的面積上,突然加裝一座沈重的鐵塔和天線組合,並且要吸收經年積月鐵塔因風擺動的震動力。這屋頂是否能承受這些額外的打擊,會不會坍下去,或者開一個大天窗,都應嚴格考慮。為慎重計,理應找建築師查閱原設計藍圖,尋覓其能承力點,或作加強處理等。如果隨便找外行的大力士來幫忙,未知數太大,風險也大。基本上,鐵塔的 廠商只能對他們的產品負責,地基是電台主人的責任。

    尚有一點易為人忽略的是高處風勢較強且頻繁,上屋頂時,要預防風力突然而來的危險性。紐約聯合國的業餘電台,呼號 4U1UN 的天線便架在聯合國總部大廈的屋頂上。平日地面風平浪靜,屋頂上風勢猛烈,未身歷其境,真不相信差別如此之大。風強時,放置在屋頂地面上候裝的一段段鐵塔會被風吹動,人會被吹落。4UlUN 只「敢」裝一根垂直天線。見圖九。更有人在其屋頂借用煙囪,將天線或其支桿 (鐵塔或圓柱)靠在煙囪旁。乍看起來是一物兩用,經濟實惠,可是過了不久,整座煙囪垮了下來。這是由於煙囪的功用只是將沒有重量的煤煙,導向 天空,所以它的構造不需要很堅固。其雄偉的外表會給人一個錯覺,以為和房屋其他部份的強度相同。借用煙囪裝天線時,要注意這一陷阱。

    架在屋頂上的鐵塔最好加裝拉索,以保安全。地面鐵塔的拉索是縛在深埋地下的地錨上。屋頂上無地可埋錨,一般都是在牆上打入扣環,拉索即繫在該環上。這時務要確知,這片牆,尤其是年久的磚牆,能否承受 1000 公斤的拉力,不要將整片牆拉垮了。以我的寡見陋聞所親眼見到,在屋頂架設的鐵塔中,令我嘆為觀止的有二,特誌於此,作為本文的結束。

    其一是日本東京,有一商用天線高塔利用大樓一角支柱加長而成,直上雲霄,好像英文字母 d 字,設計奇特,富創造性,甚為壯觀。所屬何公司行號,記不起來,從成田機場坐車進東京,可以見到。

    其次是紐約世界貿易中心大樓屋頂。見圖十、十一。世貿中心是由兩幢同型大樓,分別為一號和二號,各有 110 層,高達 412 公尺所組成 (實際上是由七座大樓所組成,餘五座較矮而已),是為世界第二高大樓 (最高的在芝加哥,僅多高數尺)。每天有十餘萬人進出,是一個很忙碌的商業樞鈕。

Fig 10
圖十:紐約世界貿易中心的雙子塔。左方塔頂豎立一根 110 公尺高的電視天線。很多火腿也夢想在上面架設業餘天線。
Fig 11
圖十一:該天線塔全身照片。箭頭所指是屋頂上的工作人員,比起該塔顯得微小難予辨認。

    一號大樓屋頂上豎立了一支 110 公尺高的天線塔,上面安裝了十個電視台和數不清的天線。該塔在建築時早已設計在內,似堡壘般,很是壯觀。大樓的屋頂在天氣晴朗時,開放參觀,風大時則關閉,可證高處風力強。這座世界大樓的建築,貨真價實,錦上添花猶來不及,更絕無偷工減料之情,真可算是金剛不壞身。前數年有不良份子將一輛裝滿炸藥的卡車,駛入地下停車場內引爆,炸藥之猛烈,將三層地下車場炸穿,可是大樓屹立不動,其餘各層的遊客根本不覺得吃過炸彈,只以為是火警發出濃煙而已。有機會來紐約的火腿同好們,請不要錯過參觀遊覽。 END



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