通訊單管塔管樁基礎新型預應力節點性能研究

■徐漢平 ■同濟大學土木工程學院，上海 200092

1 概述

4G網絡［1，2］是通訊建設的熱點，預計2014年至2015年期間，我國的4G基站建設［3］總投資將達到1100億元。單管塔作重要通訊塔形式［4］，必將得到大量的實踐應用，因此針對單管設計、制造和施工研究具有重要的工程實踐意義。

目前我國常見的單管塔基礎為普通多樁基礎和板式獨立基礎［5］等。基礎的混凝土和鋼筋用量比較大，混凝土澆筑的工期長，施工質量受到現場人員技術水平和現場施工條件的影響較大。

PHC管樁單樁基礎能很好的彌補上述傳統基礎的不足。PHC管樁全稱是預制預應力高強混凝土管樁［6，7］，是預先張拉預應力筋，再通過離心力讓管樁成型，之后經過高溫高壓養護最終制成的一種圓管型的預應力混凝土構件，管樁混凝土強度不低于C80，常見管樁直徑為300mm到800mm，樁身通長布置預應力筋。

2 管樁基礎和預應力方案

單管塔基礎和塔身連接采用預應力法蘭節點，如圖1所示。塔筒底部法蘭為設有加勁肋的普通剛性法蘭，法蘭通過預應力錨栓和樁體錨固在一起。樁體節點部分與普通PHC管樁有所區別，樁身中預埋有下錨板、預應力錨栓套管、防裂鋼筋網等構件。錨栓底部通過螺母錨固于下錨板上，錨栓頂側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預應力筋和螺旋箍筋，預應力筋通過JLM精軋螺紋鋼錨具錨固于下錨板上，預應力錨栓和預應力鋼筋逐一間隔排布。節點區外側設有防裂鋼筋網，防止周圍混凝土崩裂。

圖1 底法蘭和基礎平面圖與剖面示意圖

管樁生產完成后，錨栓頂端用螺母錨固于上錨板上，管樁在倉儲、運輸和施工階段中，均保持有預應力的狀態。基礎施工完成后，放張預應力錨栓，取下螺母，安裝上部塔筒，重新張拉預應力錨栓錨固于法蘭板上，即完成了預應力法蘭節點的安裝。

3 有限元分析

由于新型預應力節點構造較為復雜，許多構造無法通過常規的研究方法分析，本文采用ABAQUS軟件對管樁節點區進行數值模擬分析。分析模型選取法蘭以上0.5m到法蘭以下2m范圍內的節點區，共建立1.0P、0.9P、0.8P、0.7P、0.6P 和 0.5P，6 個實體模型分別驗算不同預應力水平下的節點性能。模型中鋼材的本構關系為雙線性模型，混凝土采用的是塑性損傷本構模擬，預應力采用降溫法施加。共設置有4個荷載工況，工況P表示預應力施加完成工況，工況M1表示10年一遇風壓荷載作用工況，工況M2表示50年一遇風壓荷載作用工況，工況U表示模型最后一次收斂工況。

4 分析結果對比比較

4.1 錨栓應力

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

表1 預應力錨栓應力幅

4.2 混凝土應力

新型預應力節點的混凝土樁身部分受拉側和受壓側內外應力分別如下圖2所示。四張圖分別是樁身受壓一側外表面(CO)，樁身受壓一側內表面(CI)，樁身受拉一側內表面(TI)，樁身受拉一側外表面(TO)的主壓應力。圖2中可以看出，在預應力施加完成階段(曲線P)，節點處混凝土通長均受壓，下錨板所處的位置混凝土應力水平有所降低，這是由下錨板變形造成的預應力損失引起的。在下錨板所處位置，混凝土主壓應力值為7.82MPa。配有錨栓的節點部分混凝土主壓應力較大，達到了11.04MPa。隨著荷載的施加受壓側樁身主壓應力逐漸增大，受拉側混凝土主壓應力逐漸減小，節點破壞的原因是受拉側下錨板外側混凝土受拉開裂，裂縫擴展，導致此處節點喪失承載力。

圖2 節點混凝土部分主壓應力曲線

4.3 法蘭接觸面積分析

不同預應力作用下法蘭和上錨板接觸面積如表2所示。可以看出，初始預應力的減小會導致在預應力施加完成階段法蘭和上錨板接觸面積減小。在預應力施加完成工況P，預應力值每相差10%，接觸面積平均相差1.17%。各個模型的接觸面積與彎矩外荷載作用基本呈線性關系，隨著彎矩的增大，接觸面積逐漸減小。還可觀察到曲線的發散現象，即預應力值越低，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 結論

通過有限元分析，可以得到如下結論:

節點具有一定的承載力，能夠將來自塔身的荷載傳遞到基礎。在預應力施加完成工況，各個錨栓的Mises應力大小相等，而在M1、M2和U工況下，受拉側錨栓Mises應力增大，受壓側錨栓Mises應力減小，錨栓應力分布規律近似正弦曲線。

下錨板處的預應力損失造成下錨板附近的樁身混凝土主壓應力值與其他位置相比較小。節點區破壞是由于下錨板外側混凝土受拉開裂，因此減少下錨板周圍混凝土預應力損失有利于提高節點承載力性能。

節點法蘭接觸面積隨外加彎矩的增大不斷減小。施加于節點的初始預應力越大，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中的新技術及其與3G的比較［J］.信息技術，2004∶98－101.

［2］吳薇，王晟.第四代移動通信系統［J］.電信工程技術與標準化，2002∶42－45.

［3］龐思亮.中國移動2015年謀定百萬4G基站進一步拉大4G競爭差距［J］.通信世界，2014(34).

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

［5］屠海明.單管塔擴展基礎反力探討［J］.工程建設與設計，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.