通信鐵塔基礎選型與設計初探

劉巧英 穆宇亮

0 引言

通信鐵塔是裝設通信天線的一種高聳結構，其特點是結構較高，橫截面相對較小，橫向荷載(主要是風荷載和地震作用)起主要作用。通信鐵塔基礎將上部結構的全部荷載安全可靠地傳遞到地基，并保證結構的整體穩定，是構成通信鐵塔結構的重要組成部分。通信鐵塔基礎選型與上部結構形式、結構布置、外部荷載作用類別、建筑場地以及所在區域的地質條件等有著非常密切的關系。合理的基礎選型和設計，對于降低工程造價，縮短工程建設周期，保證結構安全可靠至關重要。

由于風荷載屬于隨機荷載，風力的大小和方向具有任意性和脈動性，基礎受力同樣也具有任意性和脈動性的特征，所以基礎設計選用荷載取值時，需根據不同的鐵塔形式，選用最不利方向的荷載組合標準值進行設計。通信鐵塔所采用的空間桁架結構自重相對較輕，而且掛設通信天線的平臺豎向荷載也不大，因此三角形或四邊形桁架塔塔下基礎頂面的拉力或壓力呈交變性，拉力值一般可達壓力值的 70%以上，故桁架塔的基礎抗拔計算特別重要，很多時候基礎的抗拔設計起主導作用。

根據河北聯通近幾年來通信基站建設中的常用兩種類型鐵塔的基礎設計，筆者針對四角塔和三管塔簡要分析如何進行鐵塔基礎的選型與設計。

1 四邊形角鋼塔的基礎選型與設計

四邊形角鋼塔簡稱四角塔，是近幾年常見的通信塔形式。鐵塔跟開一般約為鐵塔高度的 1/7，基礎形式通常采用鋼筋混凝土獨立基礎、灌注樁基礎，計算基礎所選用的荷載組合，一般取上部結構傳至塔腳下最不利的第二方向(即 45°角方向)，在正常使用極限狀態荷載效應的標準組合荷載，有下壓力，上拔力和水平剪力，基礎形式需依據基站所在位置的巖土工程勘察報告和周圍建筑物情況，場地平整情況等綜合選定。

1.1 鋼筋混凝土獨立基礎

此種基礎形式適用于地基持力層承載力較好，一般基礎持力土層承載力特征值要大于 80 kPa，且土質比較均勻的情況下適用。其優點是施工簡便，投資費用較低，施工速度快。塔體柱腳一般與基礎柱墩鉸接，同時連接在柱腳上的構件還有斜桿，柱內軸向力(壓力或拉力)以及斜桿內軸向力(壓力或拉力)通過柱腳構造傳遞給柱墩。柱墩一方面將上部結構的豎向力傳遞至基底，同時柱墩和獨立基礎還共同承受上部結構傳遞下來的水平力。獨立基礎之間設置連梁，連梁能平衡大部分由柱和斜桿傳來的水平力分量，僅由風荷載累加的水平力不能由連梁平衡，必須由柱墩承擔。設計連梁后，大多數基礎柱墩所承受的最大水平力約為未設連梁的 1/3，所以連梁的設置是十分必要的。

以河北聯通清河徐家閣基站為例，52m角鋼塔，跟開 7m× 7m，地質條件描述為:①層雜填土，層厚約1.5m，②層粉質粘土，層底埋深約5m，③層粉土，本層土揭露深度 7m，勘察深度范圍內未見地下水。本基站所在區域比較開闊，基坑開挖不受限制，宜采用獨立基礎，以③層粉質粘土為基底持力層，地基承載力特征值fak=120 kPa，經抗壓和抗拔驗算，基礎采用3m×3m，埋深3m，即能滿足要求，這種情況下持力層承載力較好，基礎的大小由抗拔控制。另外，如果基礎持力層承載力較小時，可以擴大基礎底面積，而不必加大埋置深度，以減小基礎自重，滿足地基承載力的抗壓要求，此種情況下基礎的大小由抗壓控制。以河北聯通黃驊市王官莊村基站為例，52m角鋼塔，跟開 7m×7m，勘察期間場地地下水埋深為2.6 m，①層粉質粘土，承載力90 kPa，層底埋深約 5m，地下水對混凝土具弱腐蝕性。本基站地下水埋藏較淺，基坑開挖不宜太深，否則需要降水，增加施工成本和難度，宜采用獨立基礎，以①層粉土為基底持力層，地基承載力特征值按fak=90 kPa進行抗壓計算，基礎采用3.4m×3.4m，埋深2.5m，即能滿足抗壓要求。為便于施工墊層，可以在基底墊 0.2m厚級配碎石，每邊寬出基礎邊 0.15m。由于地下水對混凝土具弱腐蝕性，故本基站攪拌混凝土時應采用礦渣硅酸鹽水泥。

1.2 鋼筋混凝土灌注樁基礎

當場地地基表層的軟弱土層較厚時，或者地下水埋藏較淺且降水又很困難，上部荷載大而且集中，鐵塔結構基礎采用淺基礎已不能滿足地基承載力和變形的要求，采用樁基礎，將荷載通過樁傳遞至深層的堅硬持力層。樁基礎承載力高，穩定性好，沉降量小，而且還可以有效地抵抗水平荷載和上拔力。

根據荷載情況、工程地質條件，可以選用鋼筋混凝土預制樁、鉆孔灌注樁、人工挖孔灌注樁、鋼管樁等樁型。以唐山聯通豐南區黃各莊鎮揚家泊村基站為例:57m角鋼塔，跟開7.9m×7.9m。地質條件見表 1。

表1 豐南區揚家泊村基站地質條件

本基站地下水埋藏較淺，②層粉質粘土承載力較低，以每個塔腳下一根直徑0.9m的樁為例，樁凈長14.4m，進入⑥層細砂約1m，采用一柱一樁，樁與樁之間設置拉梁，這樣承臺采用1m× 1m，節省混凝土用量。如果采用兩根樁，如兩根 0.6m直徑的樁，承臺最小做到1.4m×4.0m，給施工帶來很大不便，增加了投資，施工周期長。確定樁基方案時，必須根據巖土工程勘察報告，設計合理的樁徑和樁數，做到既不浪費又安全可靠，以達到最優化的設計目的。

2 三角形鋼管塔的基礎選型與設計

三角形鋼管塔的塔柱即主材采用鋼管，鋼管每個方向的回轉半徑相同，符合鐵塔受力要求，平面形式做成正三角形，通常稱為三管塔。由于四角塔占地面積較大，在城市里建造受場地影響較大，于是為節約用地，近幾年通信鐵塔設計采用三管塔的非常普遍。三管塔跟開較小，塔柱斜率小，故每個塔柱下的拉應力相對較大，基礎形式可以根據基站的巖土工程勘察報告和所在區域場地情況采用鋼筋混凝土筏板整體基礎，或者采用樁基礎。

2.1 鋼筋混凝土筏板整體基礎

由于三角形鋼管塔(三管塔)的跟開一般不會太大，塔重較小，但由于鐵塔較高，所以塔體彎矩和水平力較大，因此，常采用筏板整體基礎，筏板基礎屬于柔性基礎，由于底板配置了鋼筋，以承受由地基反力引起的彎矩和剪力，底板的懸挑部分任一截面均具有足夠的強度，它可以不受剛性角的限制，所以底板厚度可以較小，而懸挑部分尺寸可以較大，以便于抵抗彎矩。此類基礎形式適用于場地較開闊，基坑開挖不受限制，地下水埋藏較深，持力層承載力不宜小于110 kPa。

其優點是施工速度快，成本低，一般采用商品混凝土一次澆筑完成，不容易出現質量問題，整體性較強。

以河北電信新樂市東張村基站為例，47m角鋼塔，跟開3.65m× 3.65m×3.65m，地質條件描述為:①層粉質粘土，層底埋深約5m，地基承載力特征值fak=120 kPa，②層粉土，地基承載力特征值fak= 90 kPa，本層土揭露深度7m，本基站所在區域比較開闊，基坑開挖不受限制，宜采用筏板基礎，以①層粉質粘土為基底持力層，用圓形基礎，直徑7.2m，基底最大壓應力107 kPa，最小壓應力5 kPa，并對第②層粉土進行軟弱下臥層驗算，滿足抗壓承載力要求。

2.2 鋼筋混凝土灌注樁基礎

當場地地基表層的軟弱土層較厚時，或者地下水埋藏較淺，采用樁基礎，可以有效地抵抗垂直荷載和上拔力。

根據工程地質條件，一般選用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，每個塔柱下一根樁，也可以一個塔柱下兩根樁，需要根據計算確定。以唐山聯通灤南縣胡各莊鎮南圈基站為例:42m三管塔，跟開3.3m× 3.3m×3.3m，地質條件見表2。

表2 灤南南圈基站地質條件

本基站地下水埋藏較淺，以每個塔腳下一根直徑 0.9m的樁為例，樁凈長11m，進入⑥層粉土約1m，采用一柱一樁，樁與樁之間設置拉梁，承臺采用 1m×1 m，單樁抗壓極限承載力標準值1 637 kN，抗拔極限承載力標準值 734 kN，滿足設計要求。

3 結語

通過以上基礎設計的實例分析，無論是哪種形式的鐵塔，必須根據巖土工程勘察報告和場地情況進行分析，決定采取的基礎形式，當建設場地位于地質條件比較好的地方，盡量設計成獨立淺基礎形式，基礎投資也比較經濟;當建設場地的持力層承載力較低，或者地下水埋藏較淺時，盡量設計成深基礎，但是建設投資相對來說要大一些。

[1] 王肇民，馬人樂.塔式結構[M].北京:科學出版社，2004.

[2] 沈之容.鋼結構通信鐵塔設計與施工[M].北京:機械工業出版社，2006.

[3] 張勤武.CFG樁復合地基在冷卻塔工程中的應用[J].山西 建筑，2009，35(11):85-86.