移动通信角钢塔基础的优化设计

移动通信角钢塔基础的优化设计第六设计所吕能锋宋国涛张学斌2006年11月06日京移通信设计院有限公司第十二届新技术论坛第2页前言移动通信铁塔做为移动通信网络的基础设施，因其建设面广、量大，所以设计的合理与否直接影响着通信设施的适用、安全、工程造价和工期，因此铁塔的优化设计也就成为工程建设的重要环节需要引起足够重视。角钢塔制作安装简便、经济适用，是最常用的塔型，本文结合具体工程实例，来讨论其组成部分之一的地下部分即基础的优化设计。我们取典型实例：某移动通信角钢塔高48m，根开7m，设2层平台，每层平台均按加挂6副GSM（或CDMA）定向天线设计。考虑到天线间距（同扇区天线间距大于4m，相邻扇区天线间距大于1m）的要求及天线安装调试方便，平台直径确定为4m，平台高度为45m及40m。基本风压取0.4kN/m2，地面粗糙度为B类。铁塔属于高耸构筑物，其受力特点是水平力起控制作用，一般取两种风向，如图1所示。京移通信设计院有限公司第十二届新技术论坛第3页前言图1角钢塔风荷载示意京移通信设计院有限公司第十二届新技术论坛第4页前言基础的设计受地质条件，我们取几种典型的地质条件予以讨论。▪普通地基▪地下水位较浅的普通地基▪岩石地基▪软土地基京移通信设计院有限公司第十二届新技术论坛第5页一.普通地基工程中常见的多数地基情况是场地地势平坦，地下水位较深，没有软弱下卧层及不良地质作用存在。典型的地层结构：▪第一层为素填土，多为耕地，松散，成份以粉质粘土为主，厚度较浅300-400mm，不适宜作为基础持力层；▪第二层为粘土，黄褐色，可塑，光滑，中等干强度，高韧性，分布普遍，且厚度适宜3000-3200mm，fak=150kPa，适合作为浅基础持力层；▪第三层为粉质粘土，褐黄色，稍有光滑，中等干强度，中等韧性，含铁锰氧化物，fak=160kPa，厚度较大6000-6200mm，但埋深较深，可作为良好的基础下卧层；▪第四层为泥质砂岩，灰色，泥质结构，块状构造，强-中风化状态，岩体交破碎，fak=300kPa。京移通信设计院有限公司第十二届新技术论坛第6页一.普通地基经计算，45°受风作用下的各支座标准组合反力如表1所示。表145°受风作用下的各支座标准组合反力（kN）支座1234Nxk-26.8-2.0-36.08.3Nyk-26.88.3-36.0-2.0Nzk-185.032.8248.732.8京移通信设计院有限公司第十二届新技术论坛第7页一.普通地基钢筋混凝土独立基础属于浅基础，由于比较经济、施工简便，在地基承载力较好、土质比较均匀的情况下应优先选用。移动通信铁塔独立基础的受力特点是竖向压力较小，而竖向拔力较大，与普通的独立基础不同的是，其基础面积及埋深受如下条件控制：1、基础受拔脱开面积不得超过基础面积的1/4；2、抗拔稳定性。经计算，基础面积确定为3.0×3.0m，埋深2.8m。如果减小拔力，比如可以把做为基站的砖混平房设在塔下，构造上将其自重传至塔脚下，基础受力状况得到改善，相同条件基础面积可以缩小到2.6×2.6m，基础造价降低近20%，同时由于机房设在塔下，机房的接地系统可以和铁塔的接地系统一起来作，接地的造价因此降低近30%。京移通信设计院有限公司第十二届新技术论坛第8页二.地下水位较浅的普通地基工程中也经常碰到这样一类地基情况，基本情况与第一类差不多，地基持力层较浅，没有软弱下卧层及不良地质作用，不同的是地势低洼，地下水位较浅低。假设土层分布与上一节相同，地下水位为-2.0m。若仍采用独立基础，由于地下水位较浅，一方面其对基础的浮力又使基础受拔的受力状况雪上加霜，基础面积扩大为3.3×3.3m，埋深会更深，达3.3m；另一方面基坑开挖需要降水施工，对于铁塔等小型工程显然是不经济的，并且工期延长很多。为此，可以考虑筏板基础，选择高于地下水位的土层做为基础持力层。筏板的计算与普通筏板相同，按倒无梁楼盖分柱京移通信设计院有限公司第十二届新技术论坛第9页二.地下水位较浅的普通地基上板带和柱中板带计算，由于筏板的刚度很大，而受到的铁塔传来的反力很小，筏基的厚度和配筋基本为构造确定。为降低造价，把受力上不需要的的核心区域清除掉，变成“回”字型筏板，但此时的受力模式已不是筏板，实质上扁宽的条形基础，应按弹性地基梁计算，我们称之为宽扁梁基础（图2）。基础面积和埋深的确定基本上由基础脱开面积条件的限制。四条梁的尺寸完全相同，刚度相同，梁1-2和1-4分别承担拉力的一半，即京移通信设计院有限公司第十二届新技术论坛第10页二.地下水位较浅的普通地基图2宽扁梁基础示意京移通信设计院有限公司第十二届新技术论坛第11页二.地下水位较浅的普通地基T1=-(Nzk1＋Gjf/4)/2=-(-185+440/4)/2=37.5kNT2=(Nzk2＋Gjf/4)/2=(248.7+440/4)/2=179.4kN这里，机房的重量Gjf＝440kN。此外，梁宽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＝7.80.75b=0.75×8.4＝6.3京移通信设计院有限公司第十二届新技术论坛第12页三.岩石地基该类型地基多分布于山区或丘陵地带，地势起伏较大，一般地下水位较低，可不考虑地下水对工程的影响。该类型典型的地层结构一般如下：▪第一层为素填土，即地表土，松散，杂色，主要成份为粉质粘土，含碎石、块石等，为基岩风化及坡积形成，厚度较小，不宜作为基础持力；▪第二层为花岗岩，中风化状态，块状结构，岩芯呈短柱状，厚度较大，一般不会穿透，需要爆破开挖，fak=500kPa，适合作为浅基础持力层。京移通信设计院有限公司第十二届新技术论坛第13页三.岩石地基按照常理，优先应考虑做锚杆基础。试设计如下：地脚螺栓4M48等强等面积换为8Φ32，沿基础四周布置，每边3根，锚杆孔直径d1=3d＝96，取100mm，间距≥6d1＝600mm，角筋距外边200，边长B＝2×(600+200)=1600mm，锚固长度1100mm，基础锚入岩石500mm，基础厚度为1100+500=1600mm，混凝土用量4.1m3，并不经济，同时由于锚杆孔钻孔施工技术要求高，难度大，工期较长。京移通信设计院有限公司第十二届新技术论坛第14页三.岩石地基但是如仍采用独立基础，为满足零应力面积限值、抗拔稳定及抗滑移要求，底面积较大、埋深较深，同时还面临开挖困难。为此，可以将钢筋锚入岩石，做成锚墩，充分利嵌岩墩很高的抗拔和抗剪性能，可大大减少基坑开挖工程量和混凝土用量，降低施工难度，从而大大降低造价（包括二次搬运费用）、缩短施工周期。由于岩石掘进困难，经常采用爆破的施工方法，4个独立基坑已经连成一片，工程中因而也常用筏基加锚墩的基础形式。京移通信设计院有限公司第十二届新技术论坛第15页四.软土地基在沿海地区，所属地貌为冲积平原地锚，地貌形态单一，地下水位较浅，地层软弱。典型的地层结构：▪第一层为粉土，黄褐色，稍湿，松散，摇震反应中等，无光泽反应，低干强度，低韧性，fak＝70kPa，极限侧阻力标准值为30kN/m2，层厚0.7-0.9m，该层工程性质较差，埋深较浅，不宜作为基础持力层；▪第二层为淤泥质粘质粉土，灰色，流塑，稍有光滑，中等干强度，中等韧性，fak＝60kPa，极限侧阻力标准值为20kN/m2，层厚1.4-1.5m，该层工程性质较差，埋深较浅，不宜作为基础持力层；▪第三层为粉质粘土，黄褐色，稍有光滑，中等强度干，中等韧性，fak＝50kPa，极限侧阻力标准值为25kN/m2，层厚3.2m，工程性质较差，不宜作基础持力层；京移通信设计院有限公司第十二届新技术论坛第16页四.软土地基▪第四层为淤泥质粉质粘土，灰色，流塑，稍有光滑，低干强度，中等韧性，fak＝80kPa，极限侧阻力标准值为20kN/m2，层厚2.6m，工程性质较差，不宜作基础持力层；▪第五层为粉砂，灰色，饱和，松散，成份为长英质，含零星贝壳碎屑，fak＝130kPa，极限侧阻力标准值为30kN/m2，层厚4m，工程性质一般，不宜作基础持力层；▪第六层为粉土，灰黄色，很湿，稍密，低干强度，低韧性，含钙质结核，fak＝130kPa，极限侧阻力标准值为40kN/m2，层厚3m，工程性质较好，可作为基础持力层；▪第七层为中砂，灰黄色，饱和，稍密，成份为长英质，含贝壳碎屑，fak＝130kPa，极限侧阻力标准值为40kN/m2，层厚5m，工程性质较好，可作为基础下卧层。▪地下水位为－2.0m。京移通信设计院有限公司第十二届新技术论坛第17页四.软土地基此时应选择第六层为持力层，采用钢筋混凝土灌注桩，安全可靠但造价较高。计算地基变形时采用的是不计入风荷载作用的正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合。以第二节谈到的宽扁梁基础为例，塔自重Gt＝150kN，机房自重Gpf＝440kN，梁宽B=1.4m，梁高h＝0.7m，覆土d＝0.8m。基础面积A=7.7×7.22-6.3×6.3＝19.6m2，基底的附加应力pk＝(150+440＋(0.7×22-0.7×16)×19.6)/19.6=34.3kN/m2。由于建设铁塔和机房而造成的下部土体的沉降不足5mm，可以忽略不计。真正的地基变形系原来的欠固结土体自身固结所造成的，这个过程将是漫长的。因此，设计中采用宽扁梁基础，同时将塔脚高度提高和机房室内外高差加大，预留该部分沉降变形，将大大节省工程造价和缩短工期。京移通信设计院有限公司第十二届新技术论坛第18页结论本文通过对不同地质条件下移动通信角钢塔基础的优化设计的讨论，得到如下结论：1、将做为基站的砖混平房设在塔下，利用其重量可以改善的基础受力状况，从而可以缩小基础面积，降低基础造价近20%，同时由于机房设在塔下，机房的接地系统可以和铁塔的接地系统一起实施，接地的造价因此降低近30%。2、地下水位较浅时，选择高于地下水位的土层做为基础持力层，采用宽扁梁基础，可以避免降水施工、缩短工期、节省投资。3、岩石较浅情况下，可以将钢筋锚入岩石，做成锚墩，充分利嵌岩墩很高的抗拔和抗剪性能，可大大减少基坑开挖工程量和混凝土用量，降低施工难度，从而大大降低造价（包括二次搬运费用）、缩短施工周期。京移通信设计院有限公司第十二届新技术论坛第19页结论但是目前抗拔墩的研究多限于嵌岩深度大于三倍直径的情况，针对移动通信铁塔拔力较小条件下应用的嵌岩深度较小的研究还不够深入，有待试验数据支持和积累经验。4、软土地基时，我们习惯性一直采用桩基。由于建设铁塔和机房而造成的下部土体的沉降很小可以忽略不计，真正的地基变形系原来的欠固结土体自身固结所造成的，这个过程将是漫长的。因此，设计中采用宽扁梁基础，同时将塔脚高度提高和机房室内外高差加大，预留该部分沉降变形，将大大节省工程造价和缩短工期。同抗拔墩一样，本方法还需进一步完善计算理论并积累工程经验。京移通信设计院有限公司第十二届新技术论坛第20页京移通信设计院有限公司第十二届新技术论坛