移動通信角鋼塔基礎的優(yōu)化設計課件

移動通信角鋼塔基礎的優(yōu)化設計

第六設計所

呂能鋒宋國濤張學斌2006年11月06日第十二屆新技術(shù)論壇前言

移動通信鐵塔做為移動通信網(wǎng)絡的基礎設施，因其建設面廣、量大，所以設計的合理與否直接影響著通信設施的適用、安全、工程造價和工期，因此鐵塔的優(yōu)化設計也就成為工程建設的重要環(huán)節(jié)需要引起足夠重視。角鋼塔制作安裝簡便、經(jīng)濟適用，是最常用的塔型，本文結(jié)合具體工程實例，來討論其組成部分之一的地下部分即基礎的優(yōu)化設計。我們?nèi)〉湫蛯嵗耗骋苿油ㄐ沤卿撍?8m，根開7m，設2層平臺，每層平臺均按加掛6副GSM（或CDMA）定向天線設計?？紤]到天線間距（同扇區(qū)天線間距大于4m，相鄰扇區(qū)天線間距大于1m）的要求及天線安裝調(diào)試方便，平臺直徑確定為4m，平臺高度為45m及40m。基本風壓取0.4kN/m2，地面粗糙度為B類。鐵塔屬于高聳構(gòu)筑物，其受力特點是水平力起控制作用，一般取兩種風向，如圖1所示。

京移通信設計院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇2前言圖1角鋼塔風荷載示意京移通信設計院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇3一.普通地基工程中常見的多數(shù)地基情況是場地地勢平坦，地下水位較深，沒有軟弱下臥層及不良地質(zhì)作用存在。典型的地層結(jié)構(gòu)：第一層為素填土，多為耕地，松散，成份以粉質(zhì)粘土為主，厚度較淺300-400mm，不適宜作為基礎持力層；第二層為粘土，黃褐色，可塑，光滑，中等干強度，高韌性，分布普遍，且厚度適宜3000-3200mm，fak=150kPa，適合作為淺基礎持力層；第三層為粉質(zhì)粘土，褐黃色，稍有光滑，中等干強度，中等韌性，含鐵錳氧化物，fak=160kPa，厚度較大6000-6200mm，但埋深較深，可作為良好的基礎下臥層；第四層為泥質(zhì)砂巖，灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，強-中風化狀態(tài)，巖體交破碎，fak=300kPa。

京移通信設計院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇5一.普通地基經(jīng)計算，45°受風作用下的各支座標準組合反力如表1所示。

表145°受風作用下的各支座標準組合反力（kN）支座1234Nxk

-26.8-2.0

-36.0

8.3Nyk

-26.8

8.3

-36.0-2.0Nzk-185.0

32.8248.732.8京移通信設計院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇6一.普通地基鋼筋混凝土獨立基礎屬于淺基礎，由于比較經(jīng)濟、施工簡便，在地基承載力較好、土質(zhì)比較均勻的情況下應優(yōu)先選用。移動通信鐵塔獨立基礎的受力特點是豎向壓力較小，而豎向拔力較大，與普通的獨立基礎不同的是，其基礎面積及埋深受如下條件控制：1、基礎受拔脫開面積不得超過基礎面積的1/4；2、抗拔穩(wěn)定性。經(jīng)計算，基礎面積確定為3.0×3.0m，埋深2.8m。如果減小拔力，比如可以把做為基站的磚混平房設在塔下，構(gòu)造上將其自重傳至塔腳下，基礎受力狀況得到改善，相同條件基礎面積可以縮小到2.6×2.6m，基礎造價降低近20%，同時由于機房設在塔下，機房的接地系統(tǒng)可以和鐵塔的接地系統(tǒng)一起來作，接地的造價因此降低近30%。京移通信設計院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇7二.地下水位較淺的普通地基

上板帶和柱中板帶計算，由于筏板的剛度很大，而受到的鐵塔傳來的反力很小，筏基的厚度和配筋基本為構(gòu)造確定。為降低造價，把受力上不需要的的核心區(qū)域清除掉，變成“回”字型筏板，但此時的受力模式已不是筏板，實質(zhì)上扁寬的條形基礎，應按彈性地基梁計算，我們稱之為寬扁梁基礎（圖2）?；A面積和埋深的確定基本上由基礎脫開面積條件的限制。四條梁的尺寸完全相同，剛度相同，梁1-2和1-4分別承擔拉力的一半，即

京移通信設計院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇9二.地下水位較淺的普通地基圖2寬扁梁基礎示意京移通信設計院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇10二.地下水位較淺的普通地基T1=-(Nzk1＋Gjf/4)/2=-(-185+440/4)/2=37.5kNT2=(Nzk2＋Gjf/4)/2=(248.7+440/4)/2=179.4kN這里，機房的重量Gjf＝440kN。此外，梁寬B=1.4m，梁高h＝0.7m，覆土d＝0.8m。N+G=－37.5+179.4+(0.8×16+0.7×22)×8.4×1.4

=473.5kNM=(37.5+179.4)×7/2=759.2kN·m偏心距e＝M/(N+G)=759.2/473.5=1.6ma=l/2-e=8.4/2-1.6=2.63a=3×2.6＝7.8>0.75b=0.75×8.4＝6.3

京移通信設計院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇11三.巖石地基

按照常理，優(yōu)先應考慮做錨桿基礎。試設計如下：地腳螺栓4M48等強等面積換為8Φ32，沿基礎四周布置，每邊3根，錨桿孔直徑d1=3d＝96，取100mm，間距≥6d1＝600mm，角筋距外邊200，邊長B＝2×(600+200)=1600mm，錨固長度1100mm，基礎錨入巖石500mm，基礎厚度為1100+500=1600mm，混凝土用量4.1m3，并不經(jīng)濟，同時由于錨桿孔鉆孔施工技術(shù)要求高，難度大，工期較長。京移通信設計院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇13三.巖石地基但是如仍采用獨立基礎，為滿足零應力面積限值、抗拔穩(wěn)定及抗滑移要求，底面積較大、埋深較深，同時還面臨開挖困難。為此，可以將鋼筋錨入巖石，做成錨墩，充分利嵌巖墩很高的抗拔和抗剪性能，可大大減少基坑開挖工程量和混凝土用量，降低施工難度，從而大大降低造價（包括二次搬運費用）、縮短施工周期。由于巖石掘進困難，經(jīng)常采用爆破的施工方法，4個獨立基坑已經(jīng)連成一片，工程中因而也常用筏基加錨墩的基礎形式。京移通信設計院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇14四.軟土地基在沿海地區(qū)，所屬地貌為沖積平原地錨，地貌形態(tài)單一，地下水位較淺，地層軟弱。典型的地層結(jié)構(gòu)：第一層為粉土，黃褐色，稍濕，松散，搖震反應中等，無光澤反應，低干強度，低韌性，fak＝70kPa，極限側(cè)阻力標準值為30kN/m2，層厚0.7-0.9m，該層工程性質(zhì)較差，埋深較淺，不宜作為基礎持力層；第二層為淤泥質(zhì)粘質(zhì)粉土，灰色，流塑，稍有光滑，中等干強度，中等韌性，fak＝60kPa，極限側(cè)阻力標準值為20kN/m2，層厚1.4-1.5m，該層工程性質(zhì)較差，埋深較淺，不宜作為基礎持力層；第三層為粉質(zhì)粘土，黃褐色，稍有光滑，中等強度干，中等韌性，fak＝50kPa，極限側(cè)阻力標準值為25kN/m2，層厚3.2m，工程性質(zhì)較差，不宜作基礎持力層；京移通信設計院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇15四.軟土地基此時應選擇第六層為持力層，采用鋼筋混凝土灌注樁，安全可靠但造價較高。計算地基變形時采用的是不計入風荷載作用的正常使用極限狀態(tài)下荷載效應的準永久組合。以第二節(jié)談到的寬扁梁基礎為例，塔自重Gt＝150kN，機房自重Gpf＝440kN，梁寬B=1.4m，梁高h＝0.7m，覆土d＝0.8m?；A面積A=7.7×7.22-6.3×6.3＝19.6m2，基底的附加應力pk＝(150+440＋(0.7×22-0.7×16)×19.6)/19.6=34.3kN/m2。由于建設鐵塔和機房而造成的下部土體的沉降不足5mm，可以忽略不計。真正的地基變形系原來的欠固結(jié)土體自身固結(jié)所造成的，這個過程將是漫長的。因此，設計中采用寬扁梁基礎，同時將塔腳高度提高和機房室內(nèi)外高差加大，預留該部分沉降變形，將大大節(jié)省工程造價和縮短工期。京移通信設計院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇17結(jié)論本文通過對不同地質(zhì)條件下移動通信角鋼塔基礎的優(yōu)化設計的討論，得到如下結(jié)論：1、將做為基站的磚混平房設在塔下，利用其重量可以改善的基礎受力狀況，從而可以縮小基礎面積，降低基礎造價近20%，同時由于機房設在塔下，機房的接地系統(tǒng)可以和鐵塔的接地系統(tǒng)一起實施，接地的造價因此降低近30%。2、地下水位較淺時，選擇高于地下水位的土層做為基礎持力層，采用寬扁梁基礎，可以避免降水施工、縮短工期、節(jié)省投資。3、巖石較淺情況下，可以將鋼筋錨入巖石，做成錨墩，充分利嵌巖墩很高的抗拔和抗剪性能，可大大減少基坑開挖工程量和混凝土用量，降低施工難度，從而大大降低造價（包括二次搬運費用）、縮短施工周期。京移通信設計院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇18結(jié)論但是目前抗拔墩的研究多限于嵌巖深度大于三倍直徑的情況，針對移動通信鐵塔拔力較小條件下應用的嵌巖深度較小的研究還不夠深入，有待試驗數(shù)據(jù)