三管塔基础设计方案探讨

田 畾，梁 俊，黄佑能

（1.中广电广播电影电视设计研究院，北京 100045；2.广西广播电视技术中心，广西 南宁 530000）

0 引言

近年来，随着无线数字化覆盖工程的推进，各省、市、自治区均开展了乡镇台站的建设，为切实保障城乡居民听好广播、看好电视的重要举措，有效解决无线模拟技术条件下传输节目较少、质量有待提高等问题，进一步提升广播电视公共服务水平和质量。乡镇台站的建设内容主要包括发射机房和发射塔，发射塔作为无线传输设备的载体，承担着发射任务，然而，发射塔的建设难点往往在于塔的基础施工，传统的基础形式为方形独立基础，现场施工周期长、基坑开挖面积大、岩石地质难以开挖等问题突出。

基于以上的问题，本文主要从改变基础形式和埋深等角度思考，提出了几种三管塔基础设计方案，并给出技术经济对比。

1 三管塔基础形式

三管塔常用的基础主要有独立基础、桩基础和锚杆基础等形式，独立基础主要以方形基础形式居多，桩基础主要是以刚性短桩基础为主，锚杆基础主要用于岩石地基。

方形基础结构简单，主要由①基础垫层、②方形底板、③基础柱，三部分构成（见图 1），底部基础筏板与地基接触面积较大，可以减少单位面积地基土层的荷载，基础混凝土用量相对较少，适用于软土地基和上部荷载比较大的塔型。

图1 方形基础

图2 刚性短桩基础

图3 圆形筏板基础

刚性短桩基础形式比较简单，如图 2 所示，基础占地面积小，直径超过 800 mm 可进行人工开挖，圆形截面惯性矩I和桩身直径D成 4 次方比例关系，增加桩径可有效提高抗弯能力和抵抗水平变形能力，刚性短桩直径增加一倍，基础的混凝土用量增加 4 倍，经济性较差。

三管塔圆形筏板基础方案，如图 3 所示，本方案是一种新型的基础形式，以往工程案例应用较少，主要由①基础垫层、②圆形底板、③基础反梁、④基础柱和⑤基础连系梁等部分组成，该基础底板被反梁和连系梁分割成几个小区域，底板刚度较大，抗弯能力较强，整个基础刚性较强，可以有效抵抗水平力和倾覆弯矩，同时还可以减小基础柱头尺寸，减少混凝土用量。

2 基础选型影响因素

影响三管塔基础选型的因素，主要可归纳为建设地点的风压和离地高度（荷载因素）、工程地质情况、结构形式等。

2.1 风压和离地高度影响

图4 基底倾覆弯矩与风压、离地高度变化趋势

图5 基底剪力与风压、离地高度变化趋势

对于钢塔桅结构来说，风荷载一般设计的是主要控制荷载，不同风压、不同离地高度（相对于设计基本风压取值的参考高度），基础所受到的倾覆弯矩不同，图 4、图 5 分别列出了三种不同风压下基底倾覆弯矩和基底剪力的变化趋势，倾覆弯矩和基底剪力与离地高度呈现出大致的线性递增趋势，风压越大的地区，倾覆弯矩越大，基础所需埋深越大，对于大风压区，采用刚性短桩基础方案，短桩直径和埋深相应会增加很多，混凝土用量递增，越不经济。

2.2 工程地质情况影响

工程地质情况对基础选型影响较大，地基持力层承载力特征值的大小、不利地质情况（如土洞、溶洞、软弱土、地下水情况）、基础开挖难易程度均影响基础的埋深。

对于较易开挖的地质可以选择图 1～图 3 三种方案中的任何一种，然而对于我国云南、广西等地区高山台站，这些台站分布基本位于东南沿海风压较大的区域且海拔较高，塔身受到风荷载较大，基础设计也较为困难，经过相关工程现场勘察发现大多数地层以硬质黏土、砂岩、砾岩、泥岩为主，一般开挖地下 0.5～1.5 m 范围即可见岩石地层，岩石地基承载力高，均匀性好，厚度较大，是塔基良好的天然持力层，对于岩石地基开挖基础往往需要借助于风镐或爆破的方法，实施起来较为困难，当遇到这种地质情况时，一般只能将基础开挖至所见岩石深度，基础形式选用图 1～图 3 均很难满足基础的抗倾覆要求，此时需要对基础方案进行改进，通过基础回填的（辅以回填土、碎石或素混凝土等）形式，可以选用图 6、图 7 的基础回填方案，通过增加配重来实现基础的抗倾覆设计，周边回填材料取材困难时，一般可用素混凝土回填。对于岩石锚杆基础虽然基础混凝土用量较少，但对于承受一定水平荷载的塔桅结构来说，并不太适用，本文暂不讨论。

刚性短桩基础不太合适再回填，图 6 为方形筏板基础回填方案，图 7 为设置挡墙的回填形式，在基础底板上砌筑回填挡墙，根据受力的大小计算挡墙内部进行素混凝土回填高度。

图6 方形筏板基础回填

图7 圆形筏板基础回填

2.3 结构形式影响

三管塔一般主要有钢管塔、钢管－角钢组合塔、角钢塔等结构形式。角钢塔塔身自重较轻，连接简单，角钢方便采购，生产工艺简单，效率高，但角钢塔缺点是风阻大，构件稳定性较差；钢管塔一般采用无缝钢管或直缝管，钢管风荷载体形系数小，抗风能力强，截面呈双轴对称，回转半径大，稳定性较好，钢管塔塔柱连接一般采用外法兰盘连接，塔底根开小。对于荷载不大，地基土质较好时，可采用刚性短桩基础，当地基较差且较均匀时，宜采用筏板基础。

3 不同基础类型受力机理分析

3.1 方形基础

对于图 1 所述的三柱基础，在设计时，基底的脱开面积应满足 GB 50135－2019《高耸结构设计规范》第 7.1.2.5 条，基底脱开面积不大于底部全面积的 1/4。图 8、9 为偏心荷载（e≤b/6）和（e＞b/6）下基底压力计算示意图，Pkmax、Pkmin［4］按照式（1）～（3）计算。图 10 为三柱筏板基础最不利破坏模式，基础底板弯矩可参照倒置的三桩承台按照代表性的破坏模式 I-I 破坏屈服线开展，利用钢筋混凝土板的屈服线理论，计算底板的最大弯矩Mmax按照式（4）、式（5）计算，此外，基底Pkmax需满足式（6）要求。

图8 偏心荷载（e≤b/6）下基底压力

图9 偏心荷载（e＞b/6）下基底压力

图10 三柱筏板基础最不利破坏模式

偏心荷载作用时（e≤b/6）：

式中：Pkmax、Pkmin分别为相应于作用的标准组合时，基础底面边缘的最大、最小压力值，kPa；Mmax为基础底板计算弯矩，kN·m；fa为修正后的地基承载力特征值，kPa；Nmax为单柱柱顶竖向作用力最大值，kN；N为作用于三柱顶竖向合作用力，kN；M为作用于三柱顶合作用弯矩，kN·m；S为塔底根开，m。

3.2 刚性短桩基础

对于图 2 所述的刚性短桩基础主要适用于h/D0＜10 的情况，图 11 为刚性短桩计算示意图，其设计承载力主要由桩侧土的强度及稳定性控制，主要需满足以下条件［5］：

抗倾覆力矩极限值Mu按照式（7）、（8）计算：

式中：Mu为抗倾覆力矩极限值，kN·m；M0为倾覆力矩值，kN·m；Mk为短桩顶部弯矩标准值，kN·m；Vk为短桩顶部剪力标准值，kN；h为短桩地面以下总长度，m；h0为短桩露出地面高度；E为总的土侧向抗力标准值，kN；μ为土与桩之间的摩擦系数；D0为短桩直径，m；e为短桩竖向反力偏心距，m；β为无量纲的中间系数。

图11 刚性短桩计算示意图

3.3 圆形筏板基础

圆筏形基础受力机理与矩形有所不同［6］，图 12 为偏心荷载下圆筏形基础基底脱开压力示意图，基础底面脱开面积按照式（15）计算，需要满足不大于底部全部面积的 1/4，脱开面积为图 12 非阴影部分面积所示，基底的最大压力值Pkmax按照式（13）、（14）计算，基底Pkmax也需满足式（6）要求。

式中：r1为基础底板半径，m；ac为基础底板受压面积宽度，m；ξ、τ为系数，与e/r1的比值有关；AT为脱开面积，m2，如图 13 所示，非阴影部分面积。

图12 偏心荷载下圆筏形基础基底脱开压力示意图

图13 基底脱开压力三维示意图

表1 不同基础形式混凝土用量比较

表2 回填方案混凝土用量比较

4 技术经济性对比

4.1 不同基础形式混凝土用量比较

基础混凝土用量直接影响工程的总投资，表 1 列出了在三种不同风压作用下，方形基础、刚性短桩基础、圆形筏板基础三种形式在离地高度为 50 m，基础柱头边宽为 0.4 m 的情况下基础的设计参数与基础所用混凝土量的比较。

由表 1 可知，相同风压下，刚性短桩基础所用混凝土量最多，其次是方形基础，圆筏基础最少；方形基础和圆筏基础在相同边宽或直径，基础埋深一致的情况下，方形筏板厚度大，圆筏基础混凝土用量较方形筏板基础经济；风压较大的地方采用刚性短桩基础，经济性最差。

4.2 不同回填方案混凝土用量比较

表 2 为方形和圆筏形基础回填方案在 0.75 kN/m2风压下的混凝土用量的比较，在相同的基底三向力、相同基础埋深和底板厚度情况下，方形基础混凝土总用量比圆筏基础混凝土总用量多。

由表 2 可知：风压在 0.75 kN/m2时，基础埋深较深，对于浅层岩石地基，开挖困难，一般选择回填方案，回填方案的优点是土方开挖较小，开挖难度小，不需要基坑支护等施工措施，缺点是基础回填混凝土量大，经济性较差，故该方案仅适用浅层岩石基础。

5 结论

基础形式的选用是根据地质情况和上部的结构形式来综合考虑。对于土层地质情况良好的建设场地，应优先选择埋深至天然地基持力层，对于浅层岩石地基，可以选用基础回填的方案。相较于传统的方形基础和刚性短桩基础，圆形筏板基础混凝土用量较少，理论上最为经济，可优先考虑。