史國富 屠海明 陳晨

(同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院集團(有限)公司 上海200092)

引言

單管塔廣泛應(yīng)用于通信基站、輸電塔、燈桿等高聳構(gòu)筑物，其傳統(tǒng)基礎(chǔ)形式可分為獨立基礎(chǔ)、群樁承臺基礎(chǔ)兩大類型。在軟土地區(qū)，群樁承臺基礎(chǔ)得到了廣泛的應(yīng)用，其樁型常為鉆孔灌注樁，采用四樁承臺或三樁承臺的形式。

近年來，隨著征地難度的加大，對單管塔的基礎(chǔ)占地面積提出了更高的要求，單樁基礎(chǔ)單管塔逐漸興起。按樁型種類可分為混凝土灌注樁、單管鋼樁兩種類型。單管鋼樁的樁及塔體均可工廠預(yù)制，鋼樁因具備無需養(yǎng)護、施工期短、造價低等優(yōu)點得到了更為廣泛的應(yīng)用。

1 單管塔及樁基礎(chǔ)設(shè)計現(xiàn)狀

傳統(tǒng)分析方法將上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)分別考慮、分開計算，不考慮上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、土體的相互作用和影響。對于群樁承臺基礎(chǔ)，基礎(chǔ)頂面單管塔底部傳遞的彎矩、剪力通過承臺轉(zhuǎn)換為單樁的抗壓和抗拔，樁體受力模式為樁豎向承載力，其剛度大，基礎(chǔ)頂部可作為單管塔的嵌固端，這種上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)分開計算的方法是符合工程設(shè)計精度的。

然而，單樁基礎(chǔ)由于其水平剛度、抗彎剛度的限制，僅靠周圍土體和樁身剛度并不能對單管塔底部形成嵌固，單樁基礎(chǔ)的位移、轉(zhuǎn)角均會對單管塔的結(jié)構(gòu)特性、整體性能帶來一定的影響，需考慮將上部結(jié)構(gòu)及單樁基礎(chǔ)整體分析。

2 單管塔單樁基礎(chǔ)分析方法

單管塔單樁基礎(chǔ)主要承受水平力和彎矩，與一般承受水平力的單樁不同，其頂部彎矩往往較大。單樁水平承載力不僅取決于樁側(cè)土質(zhì)的橫向抗力，還取決于樁的彎曲剛度、強度、樁頂約束條件等因素。目前單樁水平承載力計算方法主要有理論計算和數(shù)值計算方法。理論計算方法主要有極限地基反力法、線性彈性地基反力法、非線性彈性地基反力法以及彈塑性地基反力法。線性彈性地基反力法假定樁基礎(chǔ)周圍土為Winkler離散線性彈簧，不考慮基礎(chǔ)與土之間的粘著力和摩阻力。根據(jù)地基的基床系數(shù)假定不同，又分為張有齡法、C法、K法、m法等[1，2]?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)[3]中采用基于線性彈性地基反力的m法計算單樁水平承載力，基床系數(shù)隨深度線性增加。

本文水平向樁土之間相互作用采用m法，整體分析計算采用有限單元法。將水平向土體對樁身之間的作用離散為線性彈簧，彈簧剛度采用m值進行計算，整體分析時作為彈簧支座約束于樁體。彈簧剛度計算公式[1]如下:

式中:Ki為土體集中彈簧剛度，kN/m；m為樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，kN/m4；b0為樁身計算寬度，m；zi為自地面至第i個集中彈簧的距離，m；l為樁單元劃分長度，m。

3 工程實例

3.1 工程概況

單管通信塔上部結(jié)構(gòu)為插接外爬單管塔，塔高40m，截面為正十八邊形，塔體為錐形漸變結(jié)構(gòu)，自下而上外接圓直徑為1.12m～0.45m，筒體壁厚10mm～6mm；基礎(chǔ)采用等直徑鋼管單樁基礎(chǔ)，鋼樁直徑1.25m，壁厚12mm，樁長10m。結(jié)構(gòu)設(shè)計基本風(fēng)壓0.45kN/m2，地貌類別B類，共設(shè)置4層天線，每層設(shè)置3副天線支架，每幅天線擋風(fēng)面積不超過0.6m2，RRU擋風(fēng)面積不超過0.2m2。單管塔及基礎(chǔ)立面如圖1所示。

圖1 單管塔及樁基礎(chǔ)立面Fig.1 Elevation view of monopole

擬建場地地形較平緩，地貌單元為沖海積平原。地基巖土分為2個工程地質(zhì)層，4個亞層，主要土層參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)Tab.1 Soil layer parameters

3.2 整體分析法和獨立分析法計算比較

整體分析時采用結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000，塔體采用變截面錐形梁單元，樁土相互作用采用彈簧支座模擬，彈簧剛度計算采用公式(1)。單管塔靜力分析考慮P-△效應(yīng)進行非線性分析。

獨立模型樁基采用《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[3]附錄C的計算規(guī)定，采用單樁基礎(chǔ)的計算公式，計算步驟詳見規(guī)范表C.0.3-1，系數(shù)查表C.0.3-4。

兩種計算方法主要計算結(jié)果見表2。

表2 兩種計算方法的主要計算結(jié)果Tab.2 The main results of the two calculation methods

二者塔頂位移相差較大的主要原因在于獨立分析法是基于基礎(chǔ)對上部結(jié)構(gòu)的嵌固的假定，不考慮樁頂位移和轉(zhuǎn)角對上部結(jié)構(gòu)的影響。對于單管塔而言，樁頂?shù)霓D(zhuǎn)角會造成塔頂較大的水平位移，二者關(guān)系可用近似公式表達為:

式中:Δ為樁頂轉(zhuǎn)角引起的塔頂位移，mm；θ為樁頂轉(zhuǎn)角，rad；H為塔高，mm。

故當(dāng)采用獨立分析方法時，考慮樁頂變形的單管塔塔頂位移近似計算公式應(yīng)為:

式中:D0為獨立分析時塔頂位移；D1為樁頂位移。

因此考慮樁頂變形時單管塔塔頂位移為D=927.3+7.55+0.00306×40000=1057.2mm。

由表2可知，整體分析模型較獨立分析模型結(jié)構(gòu)基本周期增大9.34%，塔頂位移增大4.65%，樁頂位移增大37.3%，樁頂轉(zhuǎn)角增大21.9%；整體指標(biāo)均有較大的增加，其影響不可忽視，樁頂變形差異較大的原因主要是規(guī)范計算方法與軟件有限元數(shù)值計算方法的差異所致，規(guī)范方法計算結(jié)果偏小。整體模型較獨立模型塔身彎矩增大2.27%，樁身最大彎矩增大4.58%，對結(jié)構(gòu)內(nèi)力相對而言影響較小。

在實際設(shè)計過程中，采用獨立分析法進行上部結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)考慮不同的基礎(chǔ)形式對上部結(jié)構(gòu)的影響，尤其是對同一種塔型必須充分考慮樁頂變形對整體結(jié)構(gòu)頂部位移的影響，對同一種塔型的應(yīng)用要結(jié)合基礎(chǔ)形式綜合考慮其頂部位移指標(biāo)。

4 增大鋼管單樁基礎(chǔ)剛度措施探討

當(dāng)塔頂位移不滿足規(guī)范要求時可通過增大上部或下部結(jié)構(gòu)剛度來實現(xiàn)，本文僅討論增大下部結(jié)構(gòu)剛度。上述分析表明，單管鋼樁基礎(chǔ)頂部的轉(zhuǎn)角對結(jié)構(gòu)的頂部位移影響較大。這主要是單樁基礎(chǔ)抗彎剛度較弱及樁頂彎矩較大所致，應(yīng)采取措施增大樁身抗彎剛度以減小樁頂轉(zhuǎn)角，進而減小對單管塔頂部位移的影響。常規(guī)方法可通過增大鋼樁鋼管直徑、壁厚等來實現(xiàn)，但這些方法均會較大地增加基礎(chǔ)造價，更好的方式應(yīng)是鋼樁用鋼量不變的前提下，采用鋼樁內(nèi)部填充混凝土，以此方法增加樁身剛度。本文探討采用等直徑鋼-混凝土和變直徑鋼-混凝土復(fù)合截面樁基兩種形式。在保持用樁基鋼量不變的情況下，變直徑錐形鋼樁頂部直徑采用1.6m，底部直徑為0.9m，并對混凝土不同澆筑高度時分別建模整體分析。計算樁身混凝土填充高度(距樁頂)變化時對結(jié)構(gòu)整體性能的影響，主要計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 混凝土不同填充高度對結(jié)構(gòu)的影響Fig.2 Effect on structure of different filling height in steel pile

由圖2可知，鋼-混凝土復(fù)合截面樁基可有效減小塔頂位移和樁頂變形，比較而言變直徑鋼-混凝土復(fù)合截面樁基效果更為顯著，塔頂位移最大可減少9.5%。從圖2a、b、c中位移、轉(zhuǎn)角的變化趨勢看，當(dāng)混凝土填充高度(距樁頂距離)大于主要影響深度hm=2(d+1)[3](d為樁徑)時，其位移及轉(zhuǎn)角衰減趨于平緩。因此在實際工程中，可采取鋼樁內(nèi)部混凝土的填充高度為影響深度值以節(jié)約造價。

5 結(jié)語

1.采用單管鋼樁基礎(chǔ)時，對于以位移控制為主的單管塔，須考慮樁土共同作用，采用整體模型分析，考慮基礎(chǔ)剛度對結(jié)構(gòu)整體性能的影響。

2.當(dāng)采用傳統(tǒng)獨立式方法進行分析時，應(yīng)考慮樁頂變形對結(jié)構(gòu)的影響，可采用近似公式計算塔頂位移。

3.針對單樁基礎(chǔ)抗彎剛度較弱的特點，應(yīng)采用必要的措施以增大樁身剛度，控制樁頂轉(zhuǎn)角變形，分析表明變直徑鋼-混凝土復(fù)合截面是經(jīng)濟有效的方式。

4.由于變直徑錐形鋼樁其樁身剛度隨填充混凝土高度變化，通過數(shù)值計算得到填充高度以主要影響深度為佳。