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,移動通信角鋼塔基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)第六設(shè)計(jì)所呂能鋒宋國濤張學(xué)斌,2006年11月06日,京移通信設(shè)計(jì)院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,第2頁,前言,移動通信鐵塔做為移動通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施，因其建設(shè)面廣、量大，所以設(shè)計(jì)的合理與否直接影響著通信設(shè)施的適用、安全、工程造價(jià)和工期，因此鐵塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)也就成為工程建設(shè)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(jì)適用，是最常用的塔型，本文結(jié)合具體工程實(shí)例，來討論其組成部分之一的地下部分即基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。我們?nèi)〉湫蛯?shí)例：某移動通信角鋼塔高48m，根開7m，設(shè)2層平臺，每層平臺均按加掛6副GSM（或CDMA）定向天線設(shè)計(jì)。考慮到天線間距（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?；撅L(fēng)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(diǎn)是水平力起控制作用，一般取兩種風(fēng)向，如圖1所示。,京移通信設(shè)計(jì)院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,第3頁,前言,圖1角鋼塔風(fēng)荷載示意,京移通信設(shè)計(jì)院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,第4頁,前言,基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)受地質(zhì)條件，我們?nèi)追N典型的地質(zhì)條件予以討論。普通地基地下水位較淺的普通地基巖石地基軟土地基,京移通信設(shè)計(jì)院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,第5頁,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(chǔ)持力層；第二層為粘土，黃褐色，可塑，光滑，中等干強(qiáng)度，高韌性，分布普遍，且厚度適宜3000-3200mm，fak=150kPa，適合作為淺基礎(chǔ)持力層；第三層為粉質(zhì)粘土，褐黃色，稍有光滑，中等干強(qiáng)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(chǔ)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(qiáng)-中風(fēng)化狀態(tài)，巖體交破碎，fak=300kPa。,京移通信設(shè)計(jì)院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,第6頁,一.普通地基,經(jīng)計(jì)算，45受風(fēng)作用下的各支座標(biāo)準(zhǔn)組合反力如表1所示。表145受風(fēng)作用下的各支座標(biāo)準(zhǔn)組合反力（kN）,京移通信設(shè)計(jì)院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,第7頁,一.普通地基,鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)屬于淺基礎(chǔ)，由于比較經(jīng)濟(jì)、施工簡便，在地基承載力較好、土質(zhì)比較均勻的情況下應(yīng)優(yōu)先選用。移動通信鐵塔獨(dú)立基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)是豎向壓力較小，而豎向拔力較大，與普通的獨(dú)立基礎(chǔ)不同的是，其基礎(chǔ)面積及埋深受如下條件控制：1、基礎(chǔ)受拔脫開面積不得超過基礎(chǔ)面積的1/4；2、抗拔穩(wěn)定性。經(jīng)計(jì)算，基礎(chǔ)面積確定為3.03.0m，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(shè)在塔下，構(gòu)造上將其自重傳至塔腳下，基礎(chǔ)受力狀況得到改善，相同條件基礎(chǔ)面積可以縮小到2.62.6m，基礎(chǔ)造價(jià)降低近20%，同時(shí)由于機(jī)房設(shè)在塔下，機(jī)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(jià)因此降低近30%。,京移通信設(shè)計(jì)院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,第8頁,二.地下水位較淺的普通地基,工程中也經(jīng)常碰到這樣一類地基情況，基本情況與第一類差不多，地基持力層較淺，沒有軟弱下臥層及不良地質(zhì)作用，不同的是地勢低洼，地下水位較淺低。假設(shè)土層分布與上一節(jié)相同，地下水位為-2.0m。若仍采用獨(dú)立基礎(chǔ)，由于地下水位較淺，一方面其對基礎(chǔ)的浮力又使基礎(chǔ)受拔的受力狀況雪上加霜，基礎(chǔ)面積擴(kuò)大為3.33.3m，埋深會更深，達(dá)3.3m；另一方面基坑開挖需要降水施工，對于鐵塔等小型工程顯然是不經(jīng)濟(jì)的，并且工期延長很多。為此，可以考慮筏板基礎(chǔ)，選擇高于地下水位的土層做為基礎(chǔ)持力層。筏板的計(jì)算與普通筏板相同，按倒無梁樓蓋分柱,京移通信設(shè)計(jì)院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,第9頁,二.地下水位較淺的普通地基,上板帶和柱中板帶計(jì)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(jià)，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(shí)的受力模式已不是筏板，實(shí)質(zhì)上扁寬的條形基礎(chǔ)，應(yīng)按彈性地基梁計(jì)算，我們稱之為寬扁梁基礎(chǔ)（圖2）?；A(chǔ)面積和埋深的確定基本上由基礎(chǔ)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(dān)拉力的一半，即,京移通信設(shè)計(jì)院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,第10頁,二.地下水位較淺的普通地基,圖2寬扁梁基礎(chǔ)示意,京移通信設(shè)計(jì)院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,第11頁,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(jī)房的重量Gjf＝440kN。此外，梁寬B=1.4m，梁高h(yuǎn)＝0.7m，覆土d＝0.8m。N+G=－37.5+179.4+(0.816+0.722)8.41.4=473.5kNM=(37.5+179.4)7/2=759.2kNm偏心距e＝M/(N+G)=759.2/473.5=1.6ma=l/2-e=8.4/2-1.6=2.63a=32.6＝7.8>0.75b=0.758.4＝6.3,京移通信設(shè)計(jì)院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,第12頁,三.巖石地基,該類型地基多分布于山區(qū)或丘陵地帶，地勢起伏較大，一般地下水位較低，可不考慮地下水對工程的影響。該類型典型的地層結(jié)構(gòu)一般如下：第一層為素填土，即地表土，松散，雜色，主要成份為粉質(zhì)粘土，含碎石、塊石等，為基巖風(fēng)化及坡積形成，厚度較小，不宜作為基礎(chǔ)持力；第二層為花崗巖，中風(fēng)化狀態(tài)，塊狀結(jié)構(gòu)，巖芯呈短柱狀，厚度較大，一般不會穿透，需要爆破開挖，fak=500kPa，適合作為淺基礎(chǔ)持力層。,京移通信設(shè)計(jì)院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,第13頁,三.巖石地基,按照常理，優(yōu)先應(yīng)考慮做錨桿基礎(chǔ)。試設(shè)計(jì)如下：地腳螺栓4M48等強(qiáng)等面積換為8Φ32，沿基礎(chǔ)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(chǔ)錨入巖石500mm，基礎(chǔ)厚度為1100+500=1600mm，混凝土用量4.1m3，并不經(jīng)濟(jì)，同時(shí)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(shè)計(jì)院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,第14頁,三.巖石地基,但是如仍采用獨(dú)立基礎(chǔ)，為滿足零應(yīng)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(shí)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(jià)（包括二次搬運(yùn)費(fèi)用）、縮短施工周期。由于巖石掘進(jìn)困難，經(jīng)常采用爆破的施工方法，4個獨(dú)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(chǔ)形式。,京移通信設(shè)計(jì)院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,第15頁,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(yīng)中等，無光澤反應(yīng)，低干強(qiáng)度，低韌性，fak＝70kPa，極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)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(qiáng)度，中等韌性，fak＝60kPa，極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)持力層；第三層為粉質(zhì)粘土，黃褐色，稍有光滑，中等強(qiáng)度干，中等韌性，fak＝50kPa，極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值為25kN/m2，層厚3.2m，工程性質(zhì)較差，不宜作基礎(chǔ)持力層；,京移通信設(shè)計(jì)院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,第16頁,四.軟土地基,第四層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，灰色，流塑，稍有光滑，低干強(qiáng)度，中等韌性，fak＝80kPa，極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值為20kN/m2，層厚2.6m，工程性質(zhì)較差，不宜作基礎(chǔ)持力層；第五層為粉砂，灰色，飽和，松散，成份為長英質(zhì)，含零星貝殼碎屑，fak＝130kPa，極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值為30kN/m2，層厚4m，工程性質(zhì)一般，不宜作基礎(chǔ)持力層；第六層為粉土，灰黃色，很濕，稍密，低干強(qiáng)度，低韌性，含鈣質(zhì)結(jié)核，fak＝130kPa，極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值為40kN/m2，層厚3m，工程性質(zhì)較好，可作為基礎(chǔ)持力層；第七層為中砂，灰黃色，飽和，稍密，成份為長英質(zhì)，含貝殼碎屑，fak＝130kPa，極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值為40kN/m2，層厚5m，工程性質(zhì)較好，可作為基礎(chǔ)下臥層。地下水位為－2.0m。,京移通信設(shè)計(jì)院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,第17頁,四.軟土地基,此時(shí)應(yīng)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(jià)較高。計(jì)算地基變形時(shí)采用的是不計(jì)入風(fēng)荷載作用的正常使用極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的準(zhǔn)永久組合。以第二節(jié)談到的寬扁梁基礎(chǔ)為例，塔自重Gt＝150kN，機(jī)房自重Gpf＝440kN，梁寬B=1.4m，梁高h(yuǎn)＝0.7m，覆土d＝0.8m。基礎(chǔ)面積A=7.77.22-6.36.3＝19.6m2，基底的附加應(yīng)力pk＝(150+440＋(0.722-0.716)19.6)/19.6=34.3kN/m2。由于建設(shè)鐵塔和機(jī)房而造成的下部土體的沉降不足5mm，可以忽略不計(jì)。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(shè)計(jì)中采用寬扁梁基礎(chǔ)，同時(shí)將塔腳高度提高和機(jī)房室內(nèi)外高差加大，預(yù)留該部分沉降變形，將大大節(jié)省工程造價(jià)和縮短工期。,京移通信設(shè)計(jì)院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,第18頁,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(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的討論，得到如下結(jié)論：1、將做為基站的磚混平房設(shè)在塔下，利用其重量可以改善的基礎(chǔ)受力狀況，從而可以縮小基礎(chǔ)面積，降低基礎(chǔ)造價(jià)近20%，同時(shí)由于機(jī)房設(shè)在塔下，機(jī)房的接地系統(tǒng)可以和鐵塔的接地系統(tǒng)一起實(shí)施，接地的造價(jià)因此降低近30%。2、地下水位較淺時(shí)，選擇高于地下水位的土層做為基礎(chǔ)持力層，采用寬扁梁基礎(chǔ)，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(jià)（包括二次搬運(yùn)費(fèi)用）、縮短施工周期。,京移通信設(shè)計(jì)院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,第19頁,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(yīng)用的嵌巖深度較小的研究還不夠深入，有待試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持和積累經(jīng)驗(yàn)。4、軟土地基時(shí)，我們習(xí)慣性一直采用樁基。由于建設(shè)鐵塔和機(jī)房而造成的下部土體的沉降很小可以忽略不計(jì)，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(shè)計(jì)中采用寬扁梁基礎(chǔ)，同時(shí)將塔腳高度提高和機(jī)房室內(nèi)外高差加大，預(yù)留該部分沉降變形，將大大節(jié)省工程造價(jià)和縮短工期。同抗拔墩一樣，本方法還需進(jìn)一步完善計(jì)算理論并積累工程經(jīng)驗(yàn)。,京移通信設(shè)計(jì)院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,第20頁,京移通信設(shè)計(jì)院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,