■徐漢平 ■同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092

1 概述

4G網(wǎng)絡(luò)［1，2］是通訊建設(shè)的熱點(diǎn)，預(yù)計(jì)2014年至2015年期間，我國(guó)的4G基站建設(shè)［3］總投資將達(dá)到1100億元。單管塔作重要通訊塔形式［4］，必將得到大量的實(shí)踐應(yīng)用，因此針對(duì)單管設(shè)計(jì)、制造和施工研究具有重要的工程實(shí)踐意義。

目前我國(guó)常見的單管塔基礎(chǔ)為普通多樁基礎(chǔ)和板式獨(dú)立基礎(chǔ)［5］等。基礎(chǔ)的混凝土和鋼筋用量比較大，混凝土澆筑的工期長(zhǎng)，施工質(zhì)量受到現(xiàn)場(chǎng)人員技術(shù)水平和現(xiàn)場(chǎng)施工條件的影響較大。

PHC管樁單樁基礎(chǔ)能很好的彌補(bǔ)上述傳統(tǒng)基礎(chǔ)的不足。PHC管樁全稱是預(yù)制預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁［6，7］，是預(yù)先張拉預(yù)應(yīng)力筋，再通過離心力讓管樁成型，之后經(jīng)過高溫高壓養(yǎng)護(hù)最終制成的一種圓管型的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，管樁混凝土強(qiáng)度不低于C80，常見管樁直徑為300mm到800mm，樁身通長(zhǎng)布置預(yù)應(yīng)力筋。

2 管樁基礎(chǔ)和預(yù)應(yīng)力方案

單管塔基礎(chǔ)和塔身連接采用預(yù)應(yīng)力法蘭節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。塔筒底部法蘭為設(shè)有加勁肋的普通剛性法蘭，法蘭通過預(yù)應(yīng)力錨栓和樁體錨固在一起。樁體節(jié)點(diǎn)部分與普通PHC管樁有所區(qū)別，樁身中預(yù)埋有下錨板、預(yù)應(yīng)力錨栓套管、防裂鋼筋網(wǎng)等構(gòu)件。錨栓底部通過螺母錨固于下錨板上，錨栓頂側(cè)在安裝塔筒前錨固于上錨板上，安裝塔筒后錨固于塔筒法蘭板上。樁身下錨板以上位置不設(shè)預(yù)應(yīng)力筋和螺旋箍筋，預(yù)應(yīng)力筋通過JLM精軋螺紋鋼錨具錨固于下錨板上，預(yù)應(yīng)力錨栓和預(yù)應(yīng)力鋼筋逐一間隔排布。節(jié)點(diǎn)區(qū)外側(cè)設(shè)有防裂鋼筋網(wǎng)，防止周圍混凝土崩裂。

圖1 底法蘭和基礎(chǔ)平面圖與剖面示意圖

管樁生產(chǎn)完成后，錨栓頂端用螺母錨固于上錨板上，管樁在倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸和施工階段中，均保持有預(yù)應(yīng)力的狀態(tài)?；A(chǔ)施工完成后，放張預(yù)應(yīng)力錨栓，取下螺母，安裝上部塔筒，重新張拉預(yù)應(yīng)力錨栓錨固于法蘭板上，即完成了預(yù)應(yīng)力法蘭節(jié)點(diǎn)的安裝。

3 有限元分析

由于新型預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)構(gòu)造較為復(fù)雜，許多構(gòu)造無法通過常規(guī)的研究方法分析，本文采用ABAQUS軟件對(duì)管樁節(jié)點(diǎn)區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。分析模型選取法蘭以上0.5m到法蘭以下2m范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)區(qū)，共建立1.0P、0.9P、0.8P、0.7P、0.6P 和 0.5P，6 個(gè)實(shí)體模型分別驗(yàn)算不同預(yù)應(yīng)力水平下的節(jié)點(diǎn)性能。模型中鋼材的本構(gòu)關(guān)系為雙線性模型，混凝土采用的是塑性損傷本構(gòu)模擬，預(yù)應(yīng)力采用降溫法施加。共設(shè)置有4個(gè)荷載工況，工況P表示預(yù)應(yīng)力施加完成工況，工況M1表示10年一遇風(fēng)壓荷載作用工況，工況M2表示50年一遇風(fēng)壓荷載作用工況，工況U表示模型最后一次收斂工況。

4 分析結(jié)果對(duì)比比較

4.1 錨栓應(yīng)力

1.0 P模型四個(gè)工況下錨栓Mises應(yīng)力如表1所示。在預(yù)應(yīng)力施加完成階段所有錨栓的應(yīng)力值均為490MPa左右。施加外荷載之后，錨栓應(yīng)力不再相同，各個(gè)錨栓之間的應(yīng)力值差距逐漸變大，M1工況下應(yīng)力變化幅值為5.71%，M2工況下應(yīng)力變化幅值為7.87%。

表1 預(yù)應(yīng)力錨栓應(yīng)力幅

4.2 混凝土應(yīng)力

新型預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的混凝土樁身部分受拉側(cè)和受壓側(cè)內(nèi)外應(yīng)力分別如下圖2所示。四張圖分別是樁身受壓一側(cè)外表面(CO)，樁身受壓一側(cè)內(nèi)表面(CI)，樁身受拉一側(cè)內(nèi)表面(TI)，樁身受拉一側(cè)外表面(TO)的主壓應(yīng)力。圖2中可以看出，在預(yù)應(yīng)力施加完成階段(曲線P)，節(jié)點(diǎn)處混凝土通長(zhǎng)均受壓，下錨板所處的位置混凝土應(yīng)力水平有所降低，這是由下錨板變形造成的預(yù)應(yīng)力損失引起的。在下錨板所處位置，混凝土主壓應(yīng)力值為7.82MPa。配有錨栓的節(jié)點(diǎn)部分混凝土主壓應(yīng)力較大，達(dá)到了11.04MPa。隨著荷載的施加受壓側(cè)樁身主壓應(yīng)力逐漸增大，受拉側(cè)混凝土主壓應(yīng)力逐漸減小，節(jié)點(diǎn)破壞的原因是受拉側(cè)下錨板外側(cè)混凝土受拉開裂，裂縫擴(kuò)展，導(dǎo)致此處節(jié)點(diǎn)喪失承載力。

圖2 節(jié)點(diǎn)混凝土部分主壓應(yīng)力曲線

4.3 法蘭接觸面積分析

不同預(yù)應(yīng)力作用下法蘭和上錨板接觸面積如表2所示?？梢钥闯?，初始預(yù)應(yīng)力的減小會(huì)導(dǎo)致在預(yù)應(yīng)力施加完成階段法蘭和上錨板接觸面積減小。在預(yù)應(yīng)力施加完成工況P，預(yù)應(yīng)力值每相差10%，接觸面積平均相差1.17%。各個(gè)模型的接觸面積與彎矩外荷載作用基本呈線性關(guān)系，隨著彎矩的增大，接觸面積逐漸減小。還可觀察到曲線的發(fā)散現(xiàn)象，即預(yù)應(yīng)力值越低，接觸面積隨荷載作用增大降低的越快。

表2 法蘭板與上錨板接觸面積表

5 結(jié)論

通過有限元分析，可以得到如下結(jié)論:

節(jié)點(diǎn)具有一定的承載力，能夠?qū)碜运淼暮奢d傳遞到基礎(chǔ)。在預(yù)應(yīng)力施加完成工況，各個(gè)錨栓的Mises應(yīng)力大小相等，而在M1、M2和U工況下，受拉側(cè)錨栓Mises應(yīng)力增大，受壓側(cè)錨栓Mises應(yīng)力減小，錨栓應(yīng)力分布規(guī)律近似正弦曲線。

下錨板處的預(yù)應(yīng)力損失造成下錨板附近的樁身混凝土主壓應(yīng)力值與其他位置相比較小。節(jié)點(diǎn)區(qū)破壞是由于下錨板外側(cè)混凝土受拉開裂，因此減少下錨板周圍混凝土預(yù)應(yīng)力損失有利于提高節(jié)點(diǎn)承載力性能。

節(jié)點(diǎn)法蘭接觸面積隨外加彎矩的增大不斷減小。施加于節(jié)點(diǎn)的初始預(yù)應(yīng)力越大，同樣外荷載作用下的法蘭接觸面積越大。

［1］楊娟，顏彪，陳萬培等.4G中的新技術(shù)及其與3G的比較［J］.信息技術(shù)，2004∶98－101.

［2］吳薇，王晟.第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)［J］.電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2002∶42－45.

［3］龐思亮.中國(guó)移動(dòng)2015年謀定百萬4G基站進(jìn)一步拉大4G競(jìng)爭(zhēng)差距［J］.通信世界，2014(34).

［4］艾鵬.基于能量原理的通信單管塔P－Δ效應(yīng)分析方法研究［D］.武漢理工大學(xué)，2007.

［5］屠海明.單管塔擴(kuò)展基礎(chǔ)反力探討［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2013∶64－66.

［6］王成啟，谷坤鵬，王春明等.免蒸壓PHC管樁的研制與工程應(yīng)用［J］.混凝土與水泥制品，2011∶29－34.

［7］Kim Y S，Lee J B，Kim S－K 等.Development of an automated machine for PHC pile head grinding and crushing work［J］.Automation in Construction，2009，18(6):737－750.