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通信铁塔基础选型与设计初探
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内容提示：通过对工程中常见的两种通信铁塔工程实例的分析,详细阐述了针对不同地质情况时,基础选型的一般原则和方法,通过合理选择基础形式,达到了减少投资、便于施工的效果。
0 引言
通信铁塔是装设通信天线的一种高耸结构,其特点是结构较高,横截面相对较小,横向荷载(主要是风荷载和地震作用)起主要作用。通信铁塔基础将上部结构的全部荷载安全可靠地传递到地基,并保证结构的整体稳定,是构成通信铁塔结构的重要组成部分。通信铁塔基础选型与上部结构形式、结构布置、外部荷载作用类别、建筑场地以及所在区域的地质条件等有着非常密切的关系。合理的基础选型和设计,对于降低工程造价,缩短工程建设周期,保证结构安全可靠至关重要。（参考《建筑中文网》）
由于风荷载属于随机荷载,风力的大小和方向具有任意性和脉动性,基础受力同样也具有任意性和脉动性的特征,所以基础设计选用荷载取值时,需根据不同的铁塔形式,选用最不利方向的荷载组合标准值进行设计。通信铁塔所采用的空间桁架结构自重相对较轻,而且挂设通信天线的平台竖向荷载也不大,因此三角形或四边形桁架塔塔下基础顶面的拉力或压力呈交变性,拉力值一般可达压力值的以上故桁架塔的基础抗拔计算特别重要,很多时候基础的抗拔设计起主导作用。
根据河北联通近几年来通信基站建设中的常用两种类型铁塔的基础设计,笔者针对四角塔和三管塔简要分析如何进行铁塔基础的选型与设计。
1 四边形角钢塔的基础选型与设计
四边形角钢塔简称四角塔,是近几年常见的通信塔形式。铁塔跟开一般约为铁塔高度的1/7,基础形式通常采用钢筋混凝土独立基础、灌注桩基础,计算基础所选用的荷载组合,一般取上部结构传至塔脚下最不利的第二方向(即45°角方向),在正常使用极限状态荷载效应的标准组合荷载,有下压力,上拔力和水平剪力,基础形式需依据基站所在位置的岩土工程勘察报告和周围建筑物情况,场地平整情况等综合选定。
1.1 钢筋混凝土独立基础
此种基础形式适用于地基持力层承载力较好,一般基础持力土层承载力特征值要大于80 kPa,且土质比较均匀的情况下适用。其优点是施工简便,投资费用较低,施工速度快。塔体柱脚一般与基础柱墩铰接,同时连接在柱脚上的构件还有斜杆,柱内轴向力(压力或拉力)以及斜杆内轴向力(压力或拉力)通过柱脚构造传递给柱墩。柱墩一方面将上部结构的竖向力传递至基底,同时柱墩和独立基础还共同承受上部结构传递下来的水平力。独立基础之间设置连梁,连梁能平衡大部分由柱和斜杆传来的水平力分量,仅由风荷载累加的水平力不能由连梁平衡,必须由柱墩承担。设计连梁后,大多数基础柱墩所承受的最大水平力约为未设连梁的1/3,所以连梁的设置是十分必要的。
以河北联通清河徐家阁基站为例, 52 m角钢塔,跟开7 m×7 m,地质条件描述为:①层杂填土,层厚约1. 5 m,②层粉质粘土,层底埋深约5 m,③层粉土,本层土揭露深度7 m,勘察深度范围内未见地下水。本基站所在区域比较开阔,基坑开挖不受限制,宜采用独立基础,以③层粉质粘土为基底持力层,地基承载力特征值fak=120 kPa,经抗压和抗拔验算,基础采用3 m×3 m,埋深3 m,即能满足要求,这种情况下持力层承载力较好,基础的大小由抗拔控制。另外,如果基础持力层承载力较小时,可以扩大基础底面积,而不必加大埋置深度,以减小基础自重,满足地基承载力的抗压要求,此种情况下基础的大小由抗压控制。以河北联通黄骅市王官庄村基站为例, 52 m角钢塔,跟开7 m×7 m,勘察期间场地地下水埋深为2. 6 m,①层粉质粘土,承载力90 kPa,层底埋深约5 m,地下水对混凝土具弱腐蚀性。本基站地下水埋藏较浅,基坑开挖不宜太深,否则需要降水,增加施工成本和难度,宜采用独立基础,以①层粉土为基底持力层,地基承载力特征值按fak=90 kPa进行抗压计算,基础采用3. 4 m×3. 4 m,埋深2. 5 m,即能满足抗压要求。为便于施工垫层,可以在基底垫0. 2 m厚级配碎石,每边宽出基础边0. 15 m。由于地下水对混凝土具弱腐蚀性,故本基站搅拌混凝土时应采用矿渣硅酸盐水泥。
1.2 钢筋混凝土灌注桩基础
当场地地基表层的软弱土层较厚时,或者地下水埋藏较浅且降水又很困难,上部荷载大而且集中,铁塔结构基础采用浅基础已不能满足地基承载力和变形的要求,采用桩基础,将荷载通过桩传递至深层的坚硬持力层。桩基础承载力高,稳定性好,沉降量小,而且还可以有效地抵抗水平荷载和上拔力。
根据荷载情况、工程地质条件,可以选用钢筋混凝土预制桩、钻孔灌注桩、人工挖孔灌注桩、钢管桩等桩型。以唐山联通丰南区黄各庄镇扬家泊村基站为例: 57m角钢塔,跟开7. 9m×7. 9m。地质条件见表1。
本基站地下水埋藏较浅,②层粉质粘土承载力较低,以每个塔脚下一根直径0. 9 m的桩为例,桩净长14. 4 m,进入⑥层细砂约1 m,采用一柱一桩,桩与桩之间设置拉梁,这样承台采用1 m×1 m,节省混凝土用量。如果采用两根桩,如两根0. 6 m直径的桩,承台最小做到1. 4 m×4. 0 m,给施工带来很大不便,增加了投资,施工周期长。确定桩基方案时,必须根据岩土工程勘察报告,设计合理的桩径和桩数,做到既不浪费又安全可靠,以达到最优化的设计目的。
2 三角形钢管塔的基础选型与设计
三角形钢管塔的塔柱即主材采用钢管,钢管每个方向的回转半径相同,符合铁塔受力要求,平面形式做成正三角形,通常称为三管塔。由于四角塔占地面积较大,在城市里建造受场地影响较大,于是为节约用地,近几年通信铁塔设计采用三管塔的非常普遍。三管塔跟开较小,塔柱斜率小,故每个塔柱下的拉应力相对较大,基础形式可以根据基站的岩土工程勘察报告和所在区域场地情况采用钢筋混凝土筏板整体基础,或者采用桩基础。
2.1 钢筋混凝土筏板整体基础
由于三角形钢管塔(三管塔)的跟开一般不会太大,塔重较小,但由于铁塔较高,所以塔体弯矩和水平力较大,因此,常采用筏板整体基础,筏板基础属于柔性基础,由于底板配置了钢筋,以承受由地基反力引起的弯矩和剪力,底板的悬挑部分任一截面均具有足够的强度,它可以不受刚性角的限制,所以底板厚度可以较小,而悬挑部分尺寸可以较大,以便于抵抗弯矩。此类基础形式适用于场地较开阔,基坑开挖不受限制,地下水埋藏较深,持力层承载力不宜小于110 kPa。
其优点是施工速度快,成本低,一般采用商品混凝土一次浇筑完成,不容易出现质量问题,整体性较强。
以河北电信新乐市东张村基站为例,47m角钢塔,跟开3.65m×3.65m×3.65m,地质条件描述为:①层粉质粘土,层底埋深约5 m,地基承载力特征值fak=120 kPa,②层粉土,地基承载力特征值fak=90 kPa,本层土揭露深度7 m,本基站所在区域比较开阔,基坑开挖不受限制,宜采用筏板基础,以①层粉质粘土为基底持力层,用圆形基础,直径7. 2 m,基底最大压应力107 kPa,最小压应力5 kPa,并对第②层粉土进行软弱下卧层验算,满足抗压承载力要求。
2.2 钢筋混凝土灌注桩基础
当场地地基表层的软弱土层较厚时,或者地下水埋藏较浅,采用桩基础,可以有效地抵抗垂直荷载和上拔力。
根据工程地质条件,一般选用钢筋混凝土钻孔灌注桩,每个塔柱下一根桩,也可以一个塔柱下两根桩,需要根据计算确定。以唐山联通滦南县胡各庄镇南圈基站为例: 42 m三管塔,跟开3. 3 m×3. 3 m×3. 3 m,地质条件见表2。
本基站地下水埋藏较浅,以每个塔脚下一根直径0. 9 m的桩为例,桩净长11m,进入⑥层粉土约1m,采用一柱一桩,桩与桩之间设置拉梁,承台采用1 m×1 m,单桩抗压极限承载力标准值1 637 kN,抗拔极限承载力标准值734 kN,满足设计要求。
3 结语
通过以上基础设计的实例分析,无论是哪种形式的铁塔,必须根据岩土工程勘察报告和场地情况进行分析,决定采取的基础形式,当建设场地位于地质条件比较好的地方,尽量设计成独立浅基础形式,基础投资也比较经济;当建设场地的持力层承载力较低,或者地下水埋藏较浅时,尽量设计成深基础,但是建设投资相对来说要大一些。
参考文献:
[1] 王肇民,马人乐.塔式结构[M].北京:科学出版社, 2004.
[2] 沈之容.钢结构通信铁塔设计与施工[M].北京:机械工业出版社, 2006.
[3] 张勤武.CFG桩复合地基在冷却塔工程中的应用[J].山西建筑, 2009, 35(11): 85-86. 来源: 《建筑中文网》.
通信铁塔是装设通信天线的一种高耸结构,其特点是结构较高,横截面相对较小,横向荷载(主要是风荷载和地震作用)起主要作用。通信铁塔基础将上部结构的全部荷载安全可靠地传递到地基,并保证结构的整体稳定,是构成通信铁塔结构的重要组成部分。通信铁塔基础选型与上部结构形式、结构布置、外部荷载作用类别、建筑场地以及所在区域的地质条件等有着非常密切的关系。合理的基础选型和设计,对于降低工程造价,缩短工程建设周期,保证结构安全可靠至关重要。（参考《建筑中文网》）
由于风荷载属于随机荷载,风力的大小和方向具有任意性和脉动性,基础受力同样也具有任意性和脉动性的特征,所以基础设计选用荷载取值时,需根据不同的铁塔形式,选用最不利方向的荷载组合标准值进行设计。通信铁塔所采用的空间桁架结构自重相对较轻,而且挂设通信天线的平台竖向荷载也不大,因此三角形或四边形桁架塔塔下基础顶面的拉力或压力呈交变性,拉力值一般可达压力值的以上故桁架塔的基础抗拔计算特别重要,很多时候基础的抗拔设计起主导作用。
根据河北联通近几年来通信基站建设中的常用两种类型铁塔的基础设计,笔者针对四角塔和三管塔简要分析如何进行铁塔基础的选型与设计。
1 四边形角钢塔的基础选型与设计
四边形角钢塔简称四角塔,是近几年常见的通信塔形式。铁塔跟开一般约为铁塔高度的1/7,基础形式通常采用钢筋混凝土独立基础、灌注桩基础,计算基础所选用的荷载组合,一般取上部结构传至塔脚下最不利的第二方向(即45°角方向),在正常使用极限状态荷载效应的标准组合荷载,有下压力,上拔力和水平剪力,基础形式需依据基站所在位置的岩土工程勘察报告和周围建筑物情况,场地平整情况等综合选定。
1.1 钢筋混凝土独立基础
此种基础形式适用于地基持力层承载力较好,一般基础持力土层承载力特征值要大于80 kPa,且土质比较均匀的情况下适用。其优点是施工简便,投资费用较低,施工速度快。塔体柱脚一般与基础柱墩铰接,同时连接在柱脚上的构件还有斜杆,柱内轴向力(压力或拉力)以及斜杆内轴向力(压力或拉力)通过柱脚构造传递给柱墩。柱墩一方面将上部结构的竖向力传递至基底,同时柱墩和独立基础还共同承受上部结构传递下来的水平力。独立基础之间设置连梁,连梁能平衡大部分由柱和斜杆传来的水平力分量,仅由风荷载累加的水平力不能由连梁平衡,必须由柱墩承担。设计连梁后,大多数基础柱墩所承受的最大水平力约为未设连梁的1/3,所以连梁的设置是十分必要的。
以河北联通清河徐家阁基站为例, 52 m角钢塔,跟开7 m×7 m,地质条件描述为:①层杂填土,层厚约1. 5 m,②层粉质粘土,层底埋深约5 m,③层粉土,本层土揭露深度7 m,勘察深度范围内未见地下水。本基站所在区域比较开阔,基坑开挖不受限制,宜采用独立基础,以③层粉质粘土为基底持力层,地基承载力特征值fak=120 kPa,经抗压和抗拔验算,基础采用3 m×3 m,埋深3 m,即能满足要求,这种情况下持力层承载力较好,基础的大小由抗拔控制。另外,如果基础持力层承载力较小时,可以扩大基础底面积,而不必加大埋置深度,以减小基础自重,满足地基承载力的抗压要求,此种情况下基础的大小由抗压控制。以河北联通黄骅市王官庄村基站为例, 52 m角钢塔,跟开7 m×7 m,勘察期间场地地下水埋深为2. 6 m,①层粉质粘土,承载力90 kPa,层底埋深约5 m,地下水对混凝土具弱腐蚀性。本基站地下水埋藏较浅,基坑开挖不宜太深,否则需要降水,增加施工成本和难度,宜采用独立基础,以①层粉土为基底持力层,地基承载力特征值按fak=90 kPa进行抗压计算,基础采用3. 4 m×3. 4 m,埋深2. 5 m,即能满足抗压要求。为便于施工垫层,可以在基底垫0. 2 m厚级配碎石,每边宽出基础边0. 15 m。由于地下水对混凝土具弱腐蚀性,故本基站搅拌混凝土时应采用矿渣硅酸盐水泥。
1.2 钢筋混凝土灌注桩基础
当场地地基表层的软弱土层较厚时,或者地下水埋藏较浅且降水又很困难,上部荷载大而且集中,铁塔结构基础采用浅基础已不能满足地基承载力和变形的要求,采用桩基础,将荷载通过桩传递至深层的坚硬持力层。桩基础承载力高,稳定性好,沉降量小,而且还可以有效地抵抗水平荷载和上拔力。
根据荷载情况、工程地质条件,可以选用钢筋混凝土预制桩、钻孔灌注桩、人工挖孔灌注桩、钢管桩等桩型。以唐山联通丰南区黄各庄镇扬家泊村基站为例: 57m角钢塔,跟开7. 9m×7. 9m。地质条件见表1。
本基站地下水埋藏较浅,②层粉质粘土承载力较低,以每个塔脚下一根直径0. 9 m的桩为例,桩净长14. 4 m,进入⑥层细砂约1 m,采用一柱一桩,桩与桩之间设置拉梁,这样承台采用1 m×1 m,节省混凝土用量。如果采用两根桩,如两根0. 6 m直径的桩,承台最小做到1. 4 m×4. 0 m,给施工带来很大不便,增加了投资,施工周期长。确定桩基方案时,必须根据岩土工程勘察报告,设计合理的桩径和桩数,做到既不浪费又安全可靠,以达到最优化的设计目的。
2 三角形钢管塔的基础选型与设计
三角形钢管塔的塔柱即主材采用钢管,钢管每个方向的回转半径相同,符合铁塔受力要求,平面形式做成正三角形,通常称为三管塔。由于四角塔占地面积较大,在城市里建造受场地影响较大,于是为节约用地,近几年通信铁塔设计采用三管塔的非常普遍。三管塔跟开较小,塔柱斜率小,故每个塔柱下的拉应力相对较大,基础形式可以根据基站的岩土工程勘察报告和所在区域场地情况采用钢筋混凝土筏板整体基础,或者采用桩基础。
2.1 钢筋混凝土筏板整体基础
由于三角形钢管塔(三管塔)的跟开一般不会太大,塔重较小,但由于铁塔较高,所以塔体弯矩和水平力较大,因此,常采用筏板整体基础,筏板基础属于柔性基础,由于底板配置了钢筋,以承受由地基反力引起的弯矩和剪力,底板的悬挑部分任一截面均具有足够的强度,它可以不受刚性角的限制,所以底板厚度可以较小,而悬挑部分尺寸可以较大,以便于抵抗弯矩。此类基础形式适用于场地较开阔,基坑开挖不受限制,地下水埋藏较深,持力层承载力不宜小于110 kPa。
其优点是施工速度快,成本低,一般采用商品混凝土一次浇筑完成,不容易出现质量问题,整体性较强。
以河北电信新乐市东张村基站为例,47m角钢塔,跟开3.65m×3.65m×3.65m,地质条件描述为:①层粉质粘土,层底埋深约5 m,地基承载力特征值fak=120 kPa,②层粉土,地基承载力特征值fak=90 kPa,本层土揭露深度7 m,本基站所在区域比较开阔,基坑开挖不受限制,宜采用筏板基础,以①层粉质粘土为基底持力层,用圆形基础,直径7. 2 m,基底最大压应力107 kPa,最小压应力5 kPa,并对第②层粉土进行软弱下卧层验算,满足抗压承载力要求。
2.2 钢筋混凝土灌注桩基础
当场地地基表层的软弱土层较厚时,或者地下水埋藏较浅,采用桩基础,可以有效地抵抗垂直荷载和上拔力。
根据工程地质条件,一般选用钢筋混凝土钻孔灌注桩,每个塔柱下一根桩,也可以一个塔柱下两根桩,需要根据计算确定。以唐山联通滦南县胡各庄镇南圈基站为例: 42 m三管塔,跟开3. 3 m×3. 3 m×3. 3 m,地质条件见表2。
本基站地下水埋藏较浅,以每个塔脚下一根直径0. 9 m的桩为例,桩净长11m,进入⑥层粉土约1m,采用一柱一桩,桩与桩之间设置拉梁,承台采用1 m×1 m,单桩抗压极限承载力标准值1 637 kN,抗拔极限承载力标准值734 kN,满足设计要求。
3 结语
通过以上基础设计的实例分析,无论是哪种形式的铁塔,必须根据岩土工程勘察报告和场地情况进行分析,决定采取的基础形式,当建设场地位于地质条件比较好的地方,尽量设计成独立浅基础形式,基础投资也比较经济;当建设场地的持力层承载力较低,或者地下水埋藏较浅时,尽量设计成深基础,但是建设投资相对来说要大一些。
参考文献:
[1] 王肇民,马人乐.塔式结构[M].北京:科学出版社, 2004.
[2] 沈之容.钢结构通信铁塔设计与施工[M].北京:机械工业出版社, 2006.
[3] 张勤武.CFG桩复合地基在冷却塔工程中的应用[J].山西建筑, 2009, 35(11): 85-86. 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201109/15050.htm
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