钢结构单管通信塔单桩基础的设计--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

钢结构单管通信塔单桩基础的设计

发表时间：2021/5/20 来源：《基层建设》2020年第35期作者：李争战

[导读] 摘要：由于占地面积少，单桩基础单管通信塔得到了广泛使用。钢结构单管通信塔采用单桩基础时，计算桩身内力和桩顶位移的方法较多。

        宁波华讯通信服务有限公司
        摘要：由于占地面积少，单桩基础单管通信塔得到了广泛使用。钢结构单管通信塔采用单桩基础时，计算桩身内力和桩顶位移的方法较多。论文结合规范推荐的m法，分析了单桩基础水平承载力的影响因素，包括截面刚度、桩顶约束形式、桩侧地基土水平抗力系数的比例系数取值和桩长等，并参照分析结果和其他行业规范，对各影响因素在设计时的合理取值提出建议。
        关键词：单管通信塔；单桩基础；影响因素；设计
        1引言
        随着国家大力发展通信产业，为了达到无线通信覆盖的需求，各地需要建设越来越多的通信基站。为了节约用地，钢结构单管通信塔凭借其占地面积少的优势，成了建设落地通信基站的首选方案。对于单管通信塔的设计，主要的控制荷载是风荷载，反应到基础设计时，其控制作用为风荷载下的塔脚弯矩、剪力。为了节约建设场地及投资成本，单管通信塔最广泛采用的基础形式是单桩基础。本文根据单管通信塔单桩基础的设计的常见问题进行了分析和讨论，对相关设计施工具有一定的参考意义。
        2设计依据和计算方法
        单管塔单桩基础设计可以遵循的行业规范《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》（YD/T5131—2019）中规定“单桩基础的设计，可根据桩顶水平位移允许值及桩身强度按下列规定计算：(1)桩顶水平位移允许值应小于10mm，桩身配筋率不宜少于0.65%，必要时还应验算桩身裂缝；(2)根据桩顶的水平力和力矩的大小，按m值法计算桩顶的变位及桩身内力，验算桩身的截面承载力时，可考虑作用于该截面上的轴压力，按压弯构件计算。”但此规范未给出具体计算公式。按m值法计算桩顶的变位及桩身内力的具体公式可以参见《建筑桩基技术规范》（JGJ94—2008）的附录C。笔者对比分析了道桥专业和港口专业的行业规范，两本规范均提到了按m值法计算桩基。其中《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63—2019）附录P的计算思路和《建筑桩基技术规范》附录C一致，而《港口工程桩基规范》（JTS167-4-2012）的附录D“水平力作用下桩的计算”中涉及到了3种理论计算方法：NL法、P-y法及m值法。目前，计算承受水平力的基桩桩身内力和桩顶位移的主要方法有m值法、NL法及P-Y曲线法。m值法是弹性地基反力法中应用较为广泛的一种，该方法推广时间较早，使用较为方便，但m值法的取值范围较大，在没有试桩的情况下，很难给出准确的m值法，且在桩身位移较大情况下，桩侧土体进入了非线性状态，会在很大程度上影响计算精度；NL法是我国某科研所通过多年现场试验的研究成果，其使用不受水平位移大小的限制，但不适用于循环往复荷载作用，可操作性相对较差；P-Y曲线法起源于美国，该方法考虑了土体的弹塑性变化，其使用不受水平位移大小的限制，也可用于循环往复荷载的作用，但该方法计算较为繁琐，在缺乏现场试桩资料时，使用范围有一定的局限性。由于m值法应用较为成熟，故本文遵循《建筑桩基技术规范》采用m值法进行讨论分析。
        3单管塔单桩基础水平承载力的影响因素
        影响单管塔单桩基础水平承载能力的主要因素包括：桩的截面刚度、桩顶的约束形式、桩侧地基土水平抗力系数的比例系数m值、桩长等。结合单管塔单桩基础的特性针对上面几个因素逐点分析。
        1）桩的截面刚度
        由于风荷载属于重复荷载，故单管塔单桩基础选用的混凝土强度等级一般为C30或以上，这样影响截面刚度的主要因素是桩径。由于单管塔所受的控制荷载是风荷载，而风荷载属于循环往复荷载，故地脚螺栓轴线距离基础边缘不应小于4d。D为桩径，D≥d0+8d，d0为螺栓圆直径，d为地脚螺栓直径。如果地基条件较好，单管塔塔脚参数不大时，桩径可以无需按D≥d0+8d取值，可以按图1设置柱头放置地脚螺栓。为避免桩基与柱头的连接出现在最大弯矩处，柱头长度应不小于3m，并严格控制桩的主筋在柱头内的锚固长度，桩的主筋与柱头中的主筋对应焊接连接。

                                  图1单管塔单桩基础（桩与柱头连接）
        2）桩顶的约束形式
        桩顶的约束形式是影响桩基水平承载能力的主要因素。按照JGJ94—2008中的m值法进行设计时，必须满足如下假定：“桩顶与承台刚性连接（固接）,承台的刚度视为无穷大”。m值法在受水平荷载作用下桩基计算分析过程中，将土体视作弹性变形介质，假定其具有沿深度成正比增长的地基系数，不考虑桩与土之间的黏着力和摩阻力，其内力与变形的计算原理是以弹性地基梁理论为基础，依据桩与地基土共同工作时的受力状态，用材料力学知识，建立弹性构件的挠曲线微分方程，并按微分方程解析理论，利用幂级数法，引入边界条件，推导出在桩顶弯矩和水平力作用下桩身内力与位移的一系列计算公式，进而得出内力和挠度的计算结果（见图2），具体计算公式可参见JGJ94—2008附录C。因此，只有满足上述假定，才能按照桩基规范中的方法进行设计。结合桩基规范，笔者认为单桩承台的构造尺寸不应小于2D，厚度不应小于400mm，此时承台与桩基刚度之比约为27，可近似满足JGJD63—2019中的假设。

               图2单桩的挠度x、弯矩M、剪力V和水平抗力p的分布曲线
        3）桩侧地基土水平抗力系数的比例系数m值对计算单管塔单桩基础的桩顶水平位移影响很大，由于一处建设场地内只建设一座单管塔，故不具备做单桩水平静载试验的条件，故需按照桩基规范查表选用m值。一方面，由于单管塔所受风荷载是长期且经常出现的荷载，故需要考虑桩基规范上的折减规定。另一方面，由于单管塔单桩基础主要控制荷载是弯矩，而承台的刚度无法达到无穷大，即因弯矩引起的转角无法满足为零，考虑安全储备，建议m值取规范所推荐的上下限的中间值。
        4）桩长
        单管塔单桩基础属于低承台桩基，其桩长几乎等于桩的入土深度。桩底刚接于承台的桩，其桩身所产生的弯矩和剪力的有效深度为

式中，α为桩的水平变形系数，

        式中，b0为桩身的计算宽度。
        单管塔单桩基础的桩径一般大于1m，那么桩身的计算宽度b0=0.9（d+1）。由于单管塔单桩基础所受竖向荷载较小，竖向荷载并非桩长的控制因素。在此情况下，桩顶的水平位移是控制桩长的关键因素。
        4单管塔单桩基础桩顶的控制位移
        YD/T5131—2019要求“桩顶水平位移允许值应小于10mm”，笔者认为有待商榷。JGJ94—2008中提出对于水平位移敏感的建筑物取控制位移为6mm。并且规范表5.7.5中灌注桩m值对应的单桩在地面处的水平位移基本上在6mm左右。其条文解释中提到“m值对于同一根桩并非定值，与荷载成非线性关系，低荷载水平下，m值较高；随荷载增加，桩侧土的塑性区逐渐扩展而降低。”低荷载水平意味着桩顶位移较小时，表中推荐的m值可信度较高。笔者建议单桩基础桩顶水平控制位移取6mm，这与TIJD63—2019和JTS167-4—2012相一致。
        5结论与建议
        本文对单管塔单桩基础设计的影响因素和计算方法进行了分析，结论与建议如下：
        1）设计单管塔单桩基础时，为了能更好的满足JGJ94—2008中承台刚度无穷大的假定，建议将承台埋置于地面以下，这样不仅只露出柱头，占地面积小，而且可以更好的控制桩顶水平位移。
        2）桩侧地基土水平抗力系数的比例系数m值按JGJ94—2008表5.7.5中的数值折中取用。
        3）由于桩顶水平位移是控制桩长的关键因素，因此建议桩顶水平位移的控制值取6mm。
        参考文献：
        [1]邱伟江.钢结构单管通信塔钢管桩基础设计探讨[J].现代物业(中旬刊),2019(05):80-81.
        [2]吕建春,史存炎.钢结构单管通信塔单桩基础的设计分析[J].工程建设与设计,2014(10):71-73.