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钢结构单管通信塔钢管桩基础设计探讨_论文

浙江建筑,第 35卷,第 6期,2018年 6月 ZhejiangConstruction,Vol.35,No.6,Jun.2018 钢结构单管通信塔钢管桩基础设计探讨 DiscussiononDesignofSteelStructureSinglePipe CommunicationTowerSteelPipePileFoundation 岳 军,董轶 YUEJun,DONGYiyun (华信咨询设计研究院有限公司,浙江 杭州 310014) 摘 要:钢结构单管通信塔塔脚反力以弯矩为主,轴力和水平剪力较小。当基础符合刚性短桩要求时,钢管桩基础整体变形近 似刚体转动。对应不同的桩土应力分析方法,规范分别采用了极限平衡法、弹性地基反力法(包括 m法、C值法);通过对以上方法进 行梳理,结合算例归纳比较,总结出钢管桩基础设计流程和要点。 关键词:钢结构单管通信塔;刚性短柱基础;单桩基础;钢管桩基础 中图分类号:TU473    文献标志码:A     文章编号:1008 3707(2018)06 0019 06   随着移动通信行业的发展,通信基站更加密集, 塔桅高度 需 求 降 低,30m 以 下 单 管 通 信 塔 占 比 增 加。其对应的基础设计也发生变化:传统的现浇钢 筋混凝土浅基础、多桩基础由于占地面积大且施工 周期长而受限;预制拼装式基础、单根钢管桩基础逐 渐增多,特别是钢管桩基础因施工速度快、占地面积 小而被广泛应用。目前,指导钢管桩基础设计的规 范主要 有 《建 筑 桩 基 技 术 规 范 (JGJ94—2008)》(以 下简称《桩基规范》)[1]、《钢结构单管通信塔技术规 程(CECS236—2008)》(以 下 简 称 《单 管 塔 规 程》) [2]、《单管塔钢 桩 基 础 技 术 规 程 》征 求 意 见 稿 (以 下 简称《钢桩基础规程》)[3],本文对钢管桩基础的设计 理论、规范方法、参数取值和设计流程做粗浅探讨。 1 设计原则 本文钢管桩基础是指满足刚性桩条件的单根大 直径钢管桩 基 础,其 桩 身 抗 弯 刚 度 大,入 土 深 度 较 小,桩基受力时整体变形近似刚体转动[4]。钢管桩 基础设计 应 按 照 极 限 状 态 设 计 方 法,验 算 内 容 见 表 1。 表 1 钢管桩基础设计验算内容 极限状态 验算内容 地基承载力验算 承载能力极限状态 桩身强度验算 整体稳定性验算 桩顶水平位移 正常使用极限状态 桩顶转角 荷载效应组合 标准组合 基本组合 标准组合 标准组合 标准组合 钢管桩桩身抗弯刚度大,桩身应力比很小,桩身 强度并非控制因素。地基承载力验算是避免桩侧及 桩底的土体发生破坏,这种破坏伴随桩基水平位移 而发生,位移的进一步扩大会导致整体稳定破坏即 倾覆。可见,钢管桩基不同于普通钢筋混凝土桩基 由桩身强度控制,而是由变形控制。 《桩基规范》及《单管塔规程》采用单桩基础水 平承载力特征值作为控制因素。 《桩基规范》5?7?1条,单桩基础中基桩应满足 下式要求: Hik≤ Rha. (1)   式中:Hik为 荷 载 效 应 标 准 组 合 下,作 用 于 基 桩 顶处的水平力;Rha为单桩基础水平承载力特征值, 收稿日期:2017 12 27 作者简介:岳军(1981—),男,陕西宝鸡人,工程师,从事通信行业结构设计。 20 浙 江 建 筑 2018年 第 35卷 对于缺少单桩水平静载试验资料时,按下式估算: Rha =0.75αν3ExIχ0a. (2) 式中,χ0a为桩顶允许水平位移,一般为 10mm。 按照《单管塔规程》6?3?6条,单桩水平承载力 特征值为估算单桩水平承载力设计值的 0?8倍。 钢结构单管通信塔属于高耸结构,控制荷载为 风荷载。以 30m外爬支架式单管塔为例,塔脚反力 标准组合为 N=47?1kN,V=27?9kN,M=590?2kN ·m。可见,通 信 塔 塔 脚 剪 力 和 轴 力 较 小、弯 矩 大。 公式(1)、(2)及《单管塔规程》6?3?6条以单桩水平 承载力特征值作为控制因素并不适用,而在弯矩影 响下的桩顶水平位移才是钢管桩基础设计的关键。 这点在《钢桩基础规程》4?2?6条有明确要求:桩顶 位移 δ0≤0.01m,转角 tanθ≤0.006。 2 设计理论依据 单桩在水平荷载作用下桩土共同作用分析,主 要是研究桩侧土体、桩底土体与桩基之间的应力分 布。目前分析理论主要有极限平衡法、弹性地基反 力法(包括张有龄法、m法、C值法)、弹塑性地基反 力法、p-y曲线法。 极限平衡法预先设定地基反力形式,按照土中 极限静力平衡来求解桩基内力及变形。电力行业 《架空送 电 线 路 基 础 设 计 技 术 规 定 (DL/T5219— 2014)》6?3?3条即采用该法进行无台阶深基础倾覆 稳定性验算[5]。《单管塔规程》6?2?2条引用了电力 行业规范,并给出了位移、转角和内力计算公式。 弹性地基反力法假定土体为各向同性半无限弹 性体,桩土应力按照温克勒弹性地基理论[6],深度 z 处土的水平抗力 σ为: σ(z,x) =kh(z)·x(z). (3) kh(z)为 地 基 反 力 系 数,x(z)为 深 度 z处 的 水 平 位移。 桩基作为一根竖放的弹性地基梁,其微分方程为: EIdd4zx4 +p(z,x) =0. (4) p(z,x) =b1σ(z,x) =b1kh(z)x(z). (5) kh(z) =c(z0 +z)n. (6) 当 n取某些特定值时,方程(4)有解析解。《钢桩基 础规 程 》采 用 C值 法,z0 =0,n=0.5,kh(z)= c(z)0.5。《桩基规范》采用 m法,c=m,z0=0,n=1,kh (z)=mz。 弹塑性地基反力法和 p-y曲线法在工程实践 中应用较少。 3 规

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