钢结构单管通信塔钢管桩基础设计探讨

岳　军,董轶赟

YUE Jun，DONG Yiyun

(华信咨询设计研究院有限公司,浙江 杭州 310014)

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,30 m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

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,对于缺少单桩水平静载试验资料时,按下式估算：

(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30 m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/T 5219—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：

(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　规范设计方法

按照规范方法进行设计时,所需的地基参数、规范使用条件及极限状态控制指标见表2,计算简图见图1。

表2　规范设计方法参数表

相关公式如下：

《桩基规范》表C.0.3-1要求：

水平位移x0=H0δHH+M0δHM.

(7)

转角φ0=-(H0δMH+M0δMM).

(8)

(9)

(10)

(11)

其中,b0为计算桩径,h为桩长。

《单管塔规程》6.2.2要求：

(12)

k0=m×h×D0

.

(13)

(14)

其中,D0为桩径,h为桩长。

《钢桩基础规程》4.2.6条要求：

桩顶位移δ0=b/(C·D0)≤0.01m.

(15)

(16)

转角tanθ=-a/(C·D0)≤0.006.

(17)

(18)

其中,D0为桩径,H为桩长。

影响钢管桩基础受力性能的因素包括桩侧土体模量、桩顶约束条件、桩身截面抗弯刚度(桩径、壁厚)、桩长、材料强度等。结合通信塔受力特点,根据规范条文,忽略剪力影响,仅考虑弯矩影响,推导得到各项参数与水平位移的比例关系如下式：

由式(7)可知,m法计算的水平位移

(19)

由式(12)、(13)可知,极限平衡法计算的短柱顶位移

(20)

由式(15)、(16)可知,C值法计算的桩顶位移

(21)

下面根据规范编制计算程序进行实例计算,并对结果进行比较归纳分析。

4　实例计算分析

20 m路灯通信杆塔,W0=0.45kPa(B类),天线共2层,每层3副,每副天线迎风面积0.8m2,塔体为Q235B,截面为正十二边型。塔脚反力标准组合为Nk=26.4kN,Vk=18.7kN,Mk=269.0kN·m。

地基土为软塑状粉质粘土,土的黏聚力C=25.6kPa,土的内摩擦角φ=11.6°,土的重度γ=18.78kN/m3,桩侧土水平抗力系数的比例系数m=6 mN/m4,地基土比例系数C=10 600kN/m3.5。钢管桩采用Q235B钢材。

4.1　土体模量的影响

通信基站勘察报告一般不提供土体模量取值,设计时对于m值、C值的选取,主要依据《桩基规范》表5.7.5及《钢桩基础规程》表4.2.8。

假定桩径为1.2m,壁厚10mm,桩长为5m,计算不同土体模量取值的影响见图2、3。

图2　m值-桩顶位移变化曲线

图3　C值-桩顶位移变化曲线

图4　流塑状粘土土体模量-桩顶位移变化曲线

可见,随着土体模量的增大,桩顶水平位移呈指数型减小,曲线渐趋平滑。

再以流塑状粘土为例,《桩基规范》m值取值范围为4.5～6.0 MN/m4,《钢桩基础规程》C值取值范围为4000～7000kN/m3.5,计算桩顶位移变化曲线见图4。

可见,1)流塑状粘土土体模量按照规范建议取值,C值法计算的变形更大,偏于安全。同时C值选取时,考虑了弹性模量Ee的因素,取值更为精确,因此推荐采用。2)m法因为假设桩顶与承台为刚性连接(固接),所以变形最小。设计时注意须设置刚度较大的混凝土桩帽方能适用。

4.2　桩径的影响

由式(19)、(20)、(21)公式可知,水平位移与桩径呈线性负相关。

实例计算时，假定桩长为5.5 m不变,桩径自0.8 m变为1.8m,见图5，计算结果见图6～8。

图5　考虑桩径影响计算简图

图6　桩径-桩顶位移变化曲线

图7　桩径-桩顶转角变化曲线

图8　桩径-桩身应力变化曲线

可见,1)随着桩径增大,桩顶水平位移、桩顶转角都近似线性减小；2)桩身弯矩极值无变化,应力随桩径增大呈指数型减小。

4.3　桩长的影响

由式(19)、(20)、(21)公式可知,水平位移与桩长呈指数型负相关。

实例计算时，假定桩径统一为1.6m,桩长自4.0 m变为7.5m,见图9，计算结果见图10～12。

图9　考虑桩长影响计算简图

图10　桩长-桩顶位移变化曲线

图11　桩长-桩顶转角变化曲线

图12　桩长-桩身极值内力变化曲线

可见,1)随着桩长增大,桩顶水平位移、桩顶转角呈指数型减小,且极限平衡法减小幅度最大。(2)桩身内力极值点的出现位置随桩长增大而下移,极值内力缓慢增大。

4.4　设计时用钢量的效用分析

假定初始桩径1.2m,桩长4.0m,壁厚不变。桩径按照每次0.1 m的梯级变化递增,作“增大桩径”曲线。同时,按照用钢量等量增加原则计算每个梯级的桩长增量,作为“增大桩长”曲线,比较结果见图13～15。

图13　C值法计算用钢量-桩顶位移变化曲线

图14　m法计算用钢量-桩顶位移变化曲线

图15　极限平衡法计算用钢量-桩顶位移变化曲线

可见,在同等用钢量条件下,增大桩长比增大桩径能更为有效地控制桩顶位移。

因此,钢管桩基础设计时应尽可能增加桩长,在桩长增长至表2中的限制条件H≤2.5/α、H≤2.5/λ时仍不能满足要求时再增加桩径,如此迭代得到最优解。

4.5　壁厚的影响

由式(19)、(20)、(21)公式可知,壁厚仅在m法中影响刚度EI的计算。

实例计算时，假定桩径为1.0m,桩长为5.5m,壁厚从8mm变至18mm,见图16,计算结果见图17、18。

4.6　各项极限状态控制指标的相互关系

在钢管桩基础设计时,除了对桩顶位移和桩顶转角的限值外,极限平衡法要求进行抗倾覆计算；C值法要求对桩侧及桩端土压力进行验算。为了解各项极限状态控制指标的相互关系，假定桩径0.8 m～1.1 m逐渐增大,径厚比≤140,验算不同设计参数下的控制指标，结果见表3。

图16　考虑壁厚影响计算简图

图17　壁厚-桩顶位移变化曲线

图18　壁厚-桩顶转角变化曲线

表3　各项极限状态控制指标

可见,1)桩顶位移限值要求更严格,桩顶转角限值相对容易满足；2)部分桩基虽然桩顶位移和转角都满足要求,但不满足极限平衡法的倾覆验算要求。

5　结　语

1)增加桩长与桩径均能减少桩基变形,同等用钢量条件下,增加桩长比增加桩径更为有效。

3)土体模量的合理取值对桩基设计影响较大,根据土层分类取值时,考虑弹性模量Ee影响的C值法更为安全合理。

4)钢管桩基础设计建议流程：初定桩径-按径厚比确定壁厚-计算限制桩长,尽可能增加桩长,按照C值法计算变形、土压力-不满足要求时增加桩径后迭代计算-极限平衡法抗倾覆验算。