三管塔基礎設計方案探討

田 畾，梁 俊，黃佑能

（1.中廣電廣播電影電視設計研究院，北京 100045；2.廣西廣播電視技術中心，廣西 南寧 530000）

0 引言

近年來，隨著無線數字化覆蓋工程的推進，各省、市、自治區均開展了鄉鎮臺站的建設，為切實保障城鄉居民聽好廣播、看好電視的重要舉措，有效解決無線模擬技術條件下傳輸節目較少、質量有待提高等問題，進一步提升廣播電視公共服務水平和質量。鄉鎮臺站的建設內容主要包括發射機房和發射塔，發射塔作為無線傳輸設備的載體，承擔著發射任務，然而，發射塔的建設難點往往在于塔的基礎施工，傳統的基礎形式為方形獨立基礎，現場施工周期長、基坑開挖面積大、巖石地質難以開挖等問題突出。

基于以上的問題，本文主要從改變基礎形式和埋深等角度思考，提出了幾種三管塔基礎設計方案，并給出技術經濟對比。

1 三管塔基礎形式

三管塔常用的基礎主要有獨立基礎、樁基礎和錨桿基礎等形式，獨立基礎主要以方形基礎形式居多，樁基礎主要是以剛性短樁基礎為主，錨桿基礎主要用于巖石地基。

方形基礎結構簡單，主要由①基礎墊層、②方形底板、③基礎柱，三部分構成（見圖 1），底部基礎筏板與地基接觸面積較大，可以減少單位面積地基土層的荷載，基礎混凝土用量相對較少，適用于軟土地基和上部荷載比較大的塔型。

圖1 方形基礎

圖2 剛性短樁基礎

圖3 圓形筏板基礎

剛性短樁基礎形式比較簡單，如圖 2 所示，基礎占地面積小，直徑超過 800 mm 可進行人工開挖，圓形截面慣性矩I和樁身直徑D成 4 次方比例關系，增加樁徑可有效提高抗彎能力和抵抗水平變形能力，剛性短樁直徑增加一倍，基礎的混凝土用量增加 4 倍，經濟性較差。

三管塔圓形筏板基礎方案，如圖 3 所示，本方案是一種新型的基礎形式，以往工程案例應用較少，主要由①基礎墊層、②圓形底板、③基礎反梁、④基礎柱和⑤基礎連系梁等部分組成，該基礎底板被反梁和連系梁分割成幾個小區域，底板剛度較大，抗彎能力較強，整個基礎剛性較強，可以有效抵抗水平力和傾覆彎矩，同時還可以減小基礎柱頭尺寸，減少混凝土用量。

2 基礎選型影響因素

影響三管塔基礎選型的因素，主要可歸納為建設地點的風壓和離地高度（荷載因素）、工程地質情況、結構形式等。

2.1 風壓和離地高度影響

圖4 基底傾覆彎矩與風壓、離地高度變化趨勢

圖5 基底剪力與風壓、離地高度變化趨勢

對于鋼塔桅結構來說，風荷載一般設計的是主要控制荷載，不同風壓、不同離地高度（相對于設計基本風壓取值的參考高度），基礎所受到的傾覆彎矩不同，圖 4、圖 5 分別列出了三種不同風壓下基底傾覆彎矩和基底剪力的變化趨勢，傾覆彎矩和基底剪力與離地高度呈現出大致的線性遞增趨勢，風壓越大的地區，傾覆彎矩越大，基礎所需埋深越大，對于大風壓區，采用剛性短樁基礎方案，短樁直徑和埋深相應會增加很多，混凝土用量遞增，越不經濟。

2.2 工程地質情況影響

工程地質情況對基礎選型影響較大，地基持力層承載力特征值的大小、不利地質情況（如土洞、溶洞、軟弱土、地下水情況）、基礎開挖難易程度均影響基礎的埋深。

對于較易開挖的地質可以選擇圖 1～圖 3 三種方案中的任何一種，然而對于我國云南、廣西等地區高山臺站，這些臺站分布基本位于東南沿海風壓較大的區域且海拔較高，塔身受到風荷載較大，基礎設計也較為困難，經過相關工程現場勘察發現大多數地層以硬質黏土、砂巖、礫巖、泥巖為主，一般開挖地下 0.5～1.5 m 范圍即可見巖石地層，巖石地基承載力高，均勻性好，厚度較大，是塔基良好的天然持力層，對于巖石地基開挖基礎往往需要借助于風鎬或爆破的方法，實施起來較為困難，當遇到這種地質情況時，一般只能將基礎開挖至所見巖石深度，基礎形式選用圖 1～圖 3 均很難滿足基礎的抗傾覆要求，此時需要對基礎方案進行改進，通過基礎回填的（輔以回填土、碎石或素混凝土等）形式，可以選用圖 6、圖 7 的基礎回填方案，通過增加配重來實現基礎的抗傾覆設計，周邊回填材料取材困難時，一般可用素混凝土回填。對于巖石錨桿基礎雖然基礎混凝土用量較少，但對于承受一定水平荷載的塔桅結構來說，并不太適用，本文暫不討論。

剛性短樁基礎不太合適再回填，圖 6 為方形筏板基礎回填方案，圖 7 為設置擋墻的回填形式，在基礎底板上砌筑回填擋墻，根據受力的大小計算擋墻內部進行素混凝土回填高度。

圖6 方形筏板基礎回填

圖7 圓形筏板基礎回填

2.3 結構形式影響

三管塔一般主要有鋼管塔、鋼管－角鋼組合塔、角鋼塔等結構形式。角鋼塔塔身自重較輕，連接簡單，角鋼方便采購，生產工藝簡單，效率高，但角鋼塔缺點是風阻大，構件穩定性較差；鋼管塔一般采用無縫鋼管或直縫管，鋼管風荷載體形系數小，抗風能力強，截面呈雙軸對稱，回轉半徑大，穩定性較好，鋼管塔塔柱連接一般采用外法蘭盤連接，塔底根開小。對于荷載不大，地基土質較好時，可采用剛性短樁基礎，當地基較差且較均勻時，宜采用筏板基礎。

3 不同基礎類型受力機理分析

3.1 方形基礎

對于圖 1 所述的三柱基礎，在設計時，基底的脫開面積應滿足 GB 50135－2019《高聳結構設計規范》第 7.1.2.5 條，基底脫開面積不大于底部全面積的 1/4。圖 8、9 為偏心荷載（e≤b/6）和（e＞b/6）下基底壓力計算示意圖，Pkmax、Pkmin［4］按照式（1）～（3）計算。圖 10 為三柱筏板基礎最不利破壞模式，基礎底板彎矩可參照倒置的三樁承臺按照代表性的破壞模式 I-I 破壞屈服線開展，利用鋼筋混凝土板的屈服線理論，計算底板的最大彎矩Mmax按照式（4）、式（5）計算，此外，基底Pkmax需滿足式（6）要求。

圖8 偏心荷載（e≤b/6）下基底壓力

圖9 偏心荷載（e＞b/6）下基底壓力

圖10 三柱筏板基礎最不利破壞模式

偏心荷載作用時（e≤b/6）：

式中：Pkmax、Pkmin分別為相應于作用的標準組合時，基礎底面邊緣的最大、最小壓力值，kPa；Mmax為基礎底板計算彎矩，kN·m；fa為修正后的地基承載力特征值，kPa；Nmax為單柱柱頂豎向作用力最大值，kN；N為作用于三柱頂豎向合作用力，kN；M為作用于三柱頂合作用彎矩，kN·m；S為塔底根開，m。

3.2 剛性短樁基礎

對于圖 2 所述的剛性短樁基礎主要適用于h/D0＜10 的情況，圖 11 為剛性短樁計算示意圖，其設計承載力主要由樁側土的強度及穩定性控制，主要需滿足以下條件［5］：

抗傾覆力矩極限值Mu按照式（7）、（8）計算：

式中：Mu為抗傾覆力矩極限值，kN·m；M0為傾覆力矩值，kN·m；Mk為短樁頂部彎矩標準值，kN·m；Vk為短樁頂部剪力標準值，kN；h為短樁地面以下總長度，m；h0為短樁露出地面高度；E為總的土側向抗力標準值，kN；μ為土與樁之間的摩擦系數；D0為短樁直徑，m；e為短樁豎向反力偏心距，m；β為無量綱的中間系數。

圖11 剛性短樁計算示意圖

3.3 圓形筏板基礎

圓筏形基礎受力機理與矩形有所不同［6］，圖 12 為偏心荷載下圓筏形基礎基底脫開壓力示意圖，基礎底面脫開面積按照式（15）計算，需要滿足不大于底部全部面積的 1/4，脫開面積為圖 12 非陰影部分面積所示，基底的最大壓力值Pkmax按照式（13）、（14）計算，基底Pkmax也需滿足式（6）要求。

式中：r1為基礎底板半徑，m；ac為基礎底板受壓面積寬度，m；ξ、τ為系數，與e/r1的比值有關；AT為脫開面積，m2，如圖 13 所示，非陰影部分面積。

圖12 偏心荷載下圓筏形基礎基底脫開壓力示意圖

圖13 基底脫開壓力三維示意圖

表1 不同基礎形式混凝土用量比較

表2 回填方案混凝土用量比較

4 技術經濟性對比

4.1 不同基礎形式混凝土用量比較

基礎混凝土用量直接影響工程的總投資，表 1 列出了在三種不同風壓作用下，方形基礎、剛性短樁基礎、圓形筏板基礎三種形式在離地高度為 50 m，基礎柱頭邊寬為 0.4 m 的情況下基礎的設計參數與基礎所用混凝土量的比較。

由表 1 可知，相同風壓下，剛性短樁基礎所用混凝土量最多，其次是方形基礎，圓筏基礎最少；方形基礎和圓筏基礎在相同邊寬或直徑，基礎埋深一致的情況下，方形筏板厚度大，圓筏基礎混凝土用量較方形筏板基礎經濟；風壓較大的地方采用剛性短樁基礎，經濟性最差。

4.2 不同回填方案混凝土用量比較

表 2 為方形和圓筏形基礎回填方案在 0.75 kN/m2風壓下的混凝土用量的比較，在相同的基底三向力、相同基礎埋深和底板厚度情況下，方形基礎混凝土總用量比圓筏基礎混凝土總用量多。

由表 2 可知：風壓在 0.75 kN/m2時，基礎埋深較深，對于淺層巖石地基，開挖困難，一般選擇回填方案，回填方案的優點是土方開挖較小，開挖難度小，不需要基坑支護等施工措施，缺點是基礎回填混凝土量大，經濟性較差，故該方案僅適用淺層巖石基礎。

5 結論

基礎形式的選用是根據地質情況和上部的結構形式來綜合考慮。對于土層地質情況良好的建設場地，應優先選擇埋深至天然地基持力層，對于淺層巖石地基，可以選用基礎回填的方案。相較于傳統的方形基礎和剛性短樁基礎，圓形筏板基礎混凝土用量較少，理論上最為經濟，可優先考慮。