移動通信角鋼塔基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計.ppt
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,移動通信角鋼塔基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計第六設(shè)計所呂能鋒宋國濤張學(xué)斌,2006年11月06日,京移通信設(shè)計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)計的合理與否直接影響著通信設(shè)施的適用、安全、工程造價和工期,因此鐵塔的優(yōu)化設(shè)計也就成為工程建設(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(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計。我們?nèi)〉湫蛯嵗耗骋苿油ㄐ沤卿撍?8m,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??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(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-中風(fēng)化狀態(tài),巖體交破碎,fak=300kPa。,京移通信設(shè)計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,鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)屬于淺基礎(chǔ),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(yīng)優(yōu)先選用。移動通信鐵塔獨立基礎(chǔ)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(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)造價降低近20%,同時由于機房設(shè)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(shè)計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)面積擴大為3.33.3m,埋深會更深,達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。筏板的計算與普通筏板相同,按倒無梁樓蓋分柱,京移通信設(shè)計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(chǔ),應(yīng)按彈性地基梁計算,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+(0.816+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)計如下:地腳螺栓4M48等強等面積換為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,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(shè)計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(chǔ)形式。,京移通信設(shè)計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,安全可靠但造價較高。計算地基變形時采用的是不計入風(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,機房自重Gpf=440kN,梁寬B=1.4m,梁高h=0.7m,覆土d=0.8m?;A(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(shè)計中采用寬扁梁基礎(chǔ),同時將塔腳高度提高和機房室內(nèi)外高差加大,預(yù)留該部分沉降變形,將大大節(jié)省工程造價和縮短工期。,京移通信設(shè)計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)造價近20%,同時由于機房設(shè)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(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(包括二次搬運費用)、縮短施工周期。,京移通信設(shè)計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,有待試驗數(shù)據(jù)支持和積累經(jīng)驗。4、軟土地基時,我們習(xí)慣性一直采用樁基。由于建設(shè)鐵塔和機房而造成的下部土體的沉降很小可以忽略不計,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(shè)計中采用寬扁梁基礎(chǔ),同時將塔腳高度提高和機房室內(nèi)外高差加大,預(yù)留該部分沉降變形,將大大節(jié)省工程造價和縮短工期。同抗拔墩一樣,本方法還需進一步完善計算理論并積累工程經(jīng)驗。,京移通信設(shè)計院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,第20頁,京移通信設(shè)計院有限公司第十二屆新技術(shù)論壇,- 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