移动通信角钢塔基础优化设计
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前言
京移通信设计院有限公司 第十二届新技术论坛
图1
角钢塔风荷载示意
第3页
前言
京移通信设计院有限公司 第十二届新技术论坛
基础的设计受地质条件，我们取几种典型的地质条件 予以讨论。
▪ ▪ ▪ ▪
普通地基 地下水位较浅的普通地基 岩石地基 软土地基
第4页
一.普通地基
京移通信设计院有限公司 第十二届新技术论坛
第5页
一.普通地基
京移通信设计院有限公司 第十二届新技术论坛
经计算，45°受风作用下的各支座标准组合反力如表1所示。
表1 45°受风作用下的各支座标准组合反力（kN）
支座
Nxk Nyk Nzk
1
-26.8 -26.8 -185.0
2
-2.0 8.3 32.8
3
-36.0 -36.0 248.7
4
8.3 -2.0 32.8
第15页
四.软土地基
京移通信设计院有限公司 第十二届新技术论坛
▪ 第四层为淤泥质粉质粘土，灰色，流塑，稍有光滑，低干强度，中等韧性， fak＝80kPa，极限侧阻力标准值为20kN/m2，层厚2.6m，工程性质较差，不 宜作基础持力层； ▪ 第五层为粉砂，灰色，饱和，松散，成份为长英质，含零星贝壳碎屑，fak ＝130kPa，极限侧阻力标准值为30kN/m2，层厚4m，工程性质一般，不宜作 基础持力层； ▪ 第六层为粉土，灰黄色，很湿，稍密，低干强度，低韧性，含钙质结核， fak＝130kPa，极限侧阻力标准值为40kN/m2，层厚3m，工程性质较好，可作 为基础持力层； ▪ 第七层为中砂，灰黄色，饱和，稍密，成份为长英质，含贝壳碎屑，fak＝ 130kPa，极限侧阻力标准值为40kN/m2，层厚5m，工程性质较好，可作为基 础下卧层。 ▪ 地下水位为－2.0m。
第12页
三.岩石地基
京移通信设计院有限公司 第十二届新技术论坛
按照常理，优先应考虑做锚杆基础。试设计如下：地 脚螺栓 4M48 等强等面积换为 8Φ32 ，沿基础四周布置，每 边 3 根，锚杆孔直径 d1=3d ＝ 96 ，取 100mm ，间距≥ 6d1 ＝ 600mm，角筋距外边200，边长B＝2×(600+200)=1600mm， 锚 固 长 度 1100mm ， 基 础 锚 入 岩 石 500mm ， 基 础 厚 度 为 1100+500=1600mm ，混凝土用量 4.1m3，并不经济，同时由 于锚杆孔钻孔施工技术要求高，难度大，工期较长。
该类型地基多分布于山区或丘陵地带，地势起伏较大，一 般地下水位较低，可不考虑地下水对工程的影响。该类型典型 的地层结构一般如下： ▪ 第一层为素填土，即地表土，松散，杂色，主要成份为粉质粘 土，含碎石、块石等，为基岩风化及坡积形成，厚度较小，不 宜作为基础持力； ▪ 第二层为花岗岩，中风化状态，块状结构，岩芯呈短柱状，厚 度较大，一般不会穿透，需要爆破开挖，fak=500kPa，适合作 为浅基础持力层。
第18页
结论
京移通信设计院有限公司 第十二届新技术论坛
但是目前抗拔墩的研究多限于嵌岩深度大于三倍直径的情况， 针对移动通信铁塔拔力较小条件下应用的嵌岩深度较小的研究 还不够深入，有待试验数据支持和积累经验。 4、软土地基时，我们习惯性一直采用桩基。由于建设铁塔和机房 而造成的下部土体的沉降很小可以忽略不计，真正的地基变形 系原来的欠固结土体自身固结所造成的，这个过程将是漫长的。 因此，设计中采用宽扁梁基础，同时将塔脚高度提高和机房室 内外高差加大，预留该部分沉降变形，将大大节省工程造价和 缩短工期。同抗拔墩一样，本方法还需进一步完善计算理论并 积累工程经验。
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移动通信角钢塔基础的优化设计
第六设计所 吕能锋 宋国涛 张学斌
2006年11月06日
前言
京移通信设计院有限公司 第十二届新技术论坛
移动通信铁塔做为移动通信网络的基础设施，因其建设面广、 量大，所以设计的合理与否直接影响着通信设施的适用、安全、 工程造价和工期，因此铁塔的优化设计也就成为工程建设的重要 环节需要引起足够重视。角钢塔制作安装简便、经济适用，是最 常用的塔型，本文结合具体工程实例，来讨论其组成部分之一的 地下部分即基础的优化设计。 我们取典型实例：某移动通信角钢塔高48m，根开7m，设2层 平台，每层平台均按加挂6副GSM（或CDMA）定向天线设计。考虑 到天线间距（同扇区天线间距大于4m，相邻扇区天线间距大于1m） 的要求及天线安装调试方便，平台直径确定为4m，平台高度为 45m及40m。基本风压取0.4kN/m2，地面粗糙度为B类。铁塔属于高 耸构筑物，其受力特点是水平力起控制作用，一般取两种风向， 如图1所示。
第6页
一.普通地基
京移通信设计院有限公司 第十二届新技术论坛
钢筋混凝土独立基础属于浅基础，由于比较经济、施工简 便，在地基承载力较好、土质比较均匀的情况下应优先选用。 移动通信铁塔独立基础的受力特点是竖向压力较小，而竖向拔 力较大，与普通的独立基础不同的是，其基础面积及埋深受如 下条件控制：1、基础受拔脱开面积不得超过基础面积的1/4； 2、抗拔稳定性。经计算，基础面积确定为3.0×3.0m，埋深 2.8m。 如果减小拔力，比如可以把做为基站的砖混平房设在塔下， 构造上将其自重传至塔脚下，基础受力状况得到改善，相同条 件基础面积可以缩小到2.6×2.6m，基础造价降低近20%，同时 由于机房设在塔下，机房的接地系统可以和铁塔的接地系统一 起来作，接地的造价因此降低近30%。
第17页
结论
京移通信设计院有限公司 第十二届新技术论坛
本文通过对不同地质条件下移动通信角钢塔基础的优化设计 的讨论，得到如下结论： 1、将做为基站的砖混平房设在塔下，利用其重量可以改善的基础受 力状况，从而可以缩小基础面积，降低基础造价近20%，同时由于 机房设在塔下，机房的接地系统可以和铁塔的接地系统一起实施， 接地的造价因此降低近30%。 2、地下水位较浅时，选择高于地下水位的土层做为基础持力层，采 用宽扁梁基础，可以避免降水施工、缩短工期、节省投资。 3、岩石较浅情况下，可以将钢筋锚入岩石，做成锚墩，充分利嵌岩 墩很高的抗拔和抗剪性能，可大大减少基坑开挖工程量和混凝土 用量，降低施工难度，从而大大降低造价（包括二次搬运费用）、 缩短施工周期。
第19页
京移通信设计院有限公司 第十二届新技术论坛
第20页
第9页
二.地下水位较浅的普通地基
京移通信设计院有限公司 第十二届新技术论坛
图2
宽扁梁基础示意
第10页
二.地下水位较浅的普通地基
京移通信设计院有限公司 第十二届新技术论坛
T1=-(Nzk1＋Gjf/4)/2=-(-185+440/4)/2=37.5kN T2= (Nzk2＋Gjf/4)/2= (248.7+440/4)/2=179.4kN 这里，机房的重量Gjf＝440kN。此外，梁宽B=1.4m，梁高h＝0.7m，覆 土d＝0.8m。 N+G=－37.5+179.4+(0.8×16+0.7×22)×8.4×1.4
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二.地下水位较浅的普通地基
京移通信设计院有限公司 第十二届新技术论坛
上板带和柱中板带计算，由于筏板的刚度很大，而受到的铁塔 传来的反力很小，筏基的厚度和配筋基本为构造确定。 为降低造价，把受力上不需要的的核心区域清除掉，变成 “回”字型筏板，但此时的受力模式已不是筏板，实质上扁宽 的条形基础，应按弹性地基梁计算， 我们称之为宽扁梁基础 （图2）。基础面积和埋深的确定基本上由基础脱开面积条件 的限制。四条梁的尺寸完全相同，刚度相同，梁1-2和1-4分别 承担拉力的一半，即
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二.地下水位较浅的普通地基
京移通信设计院有限公司 第十二届新技术论坛
工程中也经常碰到这样一类地基情况，基本情况与第一类 差不多，地基持力层较浅，没有软弱下卧层及不良地质作用， 不同的是地势低洼，地下水位较浅低。假设土层分布与上一节 相同，地下水位为-2.0m。 若仍采用独立基础，由于地下水位较浅，一方面其对基础 的浮力又使基础受拔的受力状况雪上加霜，基础面积扩大为 3.3×3.3m，埋深会更深，达3.3m；另一方面基坑开挖需要降 水施工，对于铁塔等小型工程显然是不经济的，并且工期延长 很多。 为此，可以考虑筏板基础，选择高于地下水位的土层做为 基础持力层。筏板的计算与普通筏板相同，按倒无梁楼盖分柱
第13页
三.岩石地基
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但是如仍采用独立基础，为满足零应力面积限值、抗 拔稳定及抗滑移要求，底面积较大、埋深较深，同时还面 临开挖困难。为此，可以将钢筋锚入岩石，做成锚墩，充 分利嵌岩墩很高的抗拔和抗剪性能，可大大减少基坑开挖 工程量和混凝土用量，降低施工难度，从而大大降低造价 （包括二次搬运费用）、缩短施工周期。 由于岩石掘进困难，经常采用爆破的施工方法，4个 独立基坑已经连成一片，工程中因而也常用筏基加锚墩的 基础形式。
第14页
四.软土地基
京移通信设计院有限公司 第十二届新技术论坛
在沿海地区，所属地貌为冲积平原地锚，地貌形态单一，地下水 位较浅，地层软弱。典型的地层结构： ▪ 第一层为粉土，黄褐色，稍湿，松散，摇震反应中等，无光泽反应， 低干强度，低韧性，fak＝70kPa，极限侧阻力标准值为30kN/m2，层 厚0.7-0.9m，该层工程性质较差，埋深较浅，不宜作为基础持力层； ▪ 第二层为淤泥质粘质粉土，灰色，流塑，稍有光滑，中等干强度， 中等韧性，fak＝60kPa，极限侧阻力标准值为20kN/m2，层厚1.41.5m，该层工程性质较差，埋深较浅，不宜作为基础持力层； ▪ 第三层为粉质粘土，黄褐色，稍有光滑，中等强度干，中等韧性， fak＝50kPa，极限侧阻力标准值为25kN/m2，层厚3.2m，工程性质较 差，不宜作基础持力层；
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四.软土地基
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此时应选择第六层为持力层，采用钢筋混凝土灌注桩，安全 可靠但造价较高。 计算地基变形时采用的是不计入风荷载作用的正常使用极限 状态下荷载效应的准永久组合。以第二节谈到的宽扁梁基础为例， 塔自重Gt＝150kN，机房自重Gpf＝440kN，梁宽B=1.4m，梁高h＝0. 7m，覆土d＝0.8m。基础面积A=7.7×7.22-6.3×6.3＝19.6m2，基 底的附加应力pk＝(150+440＋(0.7×22-0.7×16)×19.6)/19.6=3 4.3kN/m2。由于建设铁塔和机房而造成的下部土体的沉降不足5mm， 可以忽略不计。真正的地基变形系原来的欠固结土体自身固结所 造成的，这个过程将是漫长的。因此，设计中采用宽扁梁基础， 同时将塔脚高度提高和机房室内外高差加大，预留该部分沉降变 形，将大大节省工程造价和缩短工期。
工程中常见的多数地基情况是场地地势平坦，地下水位较 深，没有软弱下卧层及不良地质作用存在。典型的地层结构： ▪ 第一层为素填土，多为耕地，松散，成份以粉质粘土为主，厚 度较浅300-400mm，不适宜作为基础持力层； ▪ 第二层为粘土，黄褐色，可塑，光滑，中等干强度，高韧性， 分布普遍，且厚度适宜3000-3200mm，fak=150kPa，适合作为 浅基础持力层； ▪ 第三层为粉质粘土，褐黄色，稍有光滑，中等干强度，中等韧 性，含铁锰氧化物，fak=160kPa，厚度较大6000-6200mm，但 埋深较深，可作为良好的基础下卧层； ▪ 第四层为泥质砂岩，灰色，泥质结构，块状构造，强-中风化 状态，岩体交破碎，fak=300kPa。
=473.5kN
M=(37.5+179.4)×7/2=759.2kN·m 偏心距e＝M/(N+G)= 759.2/473.5=1.6m a=l/2-e=8.4/2-1.6=2.6 3a=3×2.6＝7.8>0.75b=0.75×8.4＝6.3
第11页
三.岩石地基
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角钢塔风荷载示意
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基础的设计受地质条件，我们取几种典型的地质条件 予以讨论。
▪ ▪ ▪ ▪
普通地基 地下水位较浅的普通地基 岩石地基 软土地基
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一.普通地基
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一.普通地基
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经计算，45°受风作用下的各支座标准组合反力如表1所示。
表1 45°受风作用下的各支座标准组合反力（kN）
支座
Nxk Nyk Nzk
1
-26.8 -26.8 -185.0
2
-2.0 8.3 32.8
3
-36.0 -36.0 248.7
4
8.3 -2.0 32.8
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四.软土地基
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▪ 第四层为淤泥质粉质粘土，灰色，流塑，稍有光滑，低干强度，中等韧性， fak＝80kPa，极限侧阻力标准值为20kN/m2，层厚2.6m，工程性质较差，不 宜作基础持力层； ▪ 第五层为粉砂，灰色，饱和，松散，成份为长英质，含零星贝壳碎屑，fak ＝130kPa，极限侧阻力标准值为30kN/m2，层厚4m，工程性质一般，不宜作 基础持力层； ▪ 第六层为粉土，灰黄色，很湿，稍密，低干强度，低韧性，含钙质结核， fak＝130kPa，极限侧阻力标准值为40kN/m2，层厚3m，工程性质较好，可作 为基础持力层； ▪ 第七层为中砂，灰黄色，饱和，稍密，成份为长英质，含贝壳碎屑，fak＝ 130kPa，极限侧阻力标准值为40kN/m2，层厚5m，工程性质较好，可作为基 础下卧层。 ▪ 地下水位为－2.0m。
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三.岩石地基
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按照常理，优先应考虑做锚杆基础。试设计如下：地 脚螺栓 4M48 等强等面积换为 8Φ32 ，沿基础四周布置，每 边 3 根，锚杆孔直径 d1=3d ＝ 96 ，取 100mm ，间距≥ 6d1 ＝ 600mm，角筋距外边200，边长B＝2×(600+200)=1600mm， 锚 固 长 度 1100mm ， 基 础 锚 入 岩 石 500mm ， 基 础 厚 度 为 1100+500=1600mm ，混凝土用量 4.1m3，并不经济，同时由 于锚杆孔钻孔施工技术要求高，难度大，工期较长。
该类型地基多分布于山区或丘陵地带，地势起伏较大，一 般地下水位较低，可不考虑地下水对工程的影响。该类型典型 的地层结构一般如下： ▪ 第一层为素填土，即地表土，松散，杂色，主要成份为粉质粘 土，含碎石、块石等，为基岩风化及坡积形成，厚度较小，不 宜作为基础持力； ▪ 第二层为花岗岩，中风化状态，块状结构，岩芯呈短柱状，厚 度较大，一般不会穿透，需要爆破开挖，fak=500kPa，适合作 为浅基础持力层。
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结论
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但是目前抗拔墩的研究多限于嵌岩深度大于三倍直径的情况， 针对移动通信铁塔拔力较小条件下应用的嵌岩深度较小的研究 还不够深入，有待试验数据支持和积累经验。 4、软土地基时，我们习惯性一直采用桩基。由于建设铁塔和机房 而造成的下部土体的沉降很小可以忽略不计，真正的地基变形 系原来的欠固结土体自身固结所造成的，这个过程将是漫长的。 因此，设计中采用宽扁梁基础，同时将塔脚高度提高和机房室 内外高差加大，预留该部分沉降变形，将大大节省工程造价和 缩短工期。同抗拔墩一样，本方法还需进一步完善计算理论并 积累工程经验。
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移动通信角钢塔基础的优化设计
第六设计所 吕能锋 宋国涛 张学斌
2006年11月06日
前言
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移动通信铁塔做为移动通信网络的基础设施，因其建设面广、 量大，所以设计的合理与否直接影响着通信设施的适用、安全、 工程造价和工期，因此铁塔的优化设计也就成为工程建设的重要 环节需要引起足够重视。角钢塔制作安装简便、经济适用，是最 常用的塔型，本文结合具体工程实例，来讨论其组成部分之一的 地下部分即基础的优化设计。 我们取典型实例：某移动通信角钢塔高48m，根开7m，设2层 平台，每层平台均按加挂6副GSM（或CDMA）定向天线设计。考虑 到天线间距（同扇区天线间距大于4m，相邻扇区天线间距大于1m） 的要求及天线安装调试方便，平台直径确定为4m，平台高度为 45m及40m。基本风压取0.4kN/m2，地面粗糙度为B类。铁塔属于高 耸构筑物，其受力特点是水平力起控制作用，一般取两种风向， 如图1所示。
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一.普通地基
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钢筋混凝土独立基础属于浅基础，由于比较经济、施工简 便，在地基承载力较好、土质比较均匀的情况下应优先选用。 移动通信铁塔独立基础的受力特点是竖向压力较小，而竖向拔 力较大，与普通的独立基础不同的是，其基础面积及埋深受如 下条件控制：1、基础受拔脱开面积不得超过基础面积的1/4； 2、抗拔稳定性。经计算，基础面积确定为3.0×3.0m，埋深 2.8m。 如果减小拔力，比如可以把做为基站的砖混平房设在塔下， 构造上将其自重传至塔脚下，基础受力状况得到改善，相同条 件基础面积可以缩小到2.6×2.6m，基础造价降低近20%，同时 由于机房设在塔下，机房的接地系统可以和铁塔的接地系统一 起来作，接地的造价因此降低近30%。
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结论
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本文通过对不同地质条件下移动通信角钢塔基础的优化设计 的讨论，得到如下结论： 1、将做为基站的砖混平房设在塔下，利用其重量可以改善的基础受 力状况，从而可以缩小基础面积，降低基础造价近20%，同时由于 机房设在塔下，机房的接地系统可以和铁塔的接地系统一起实施， 接地的造价因此降低近30%。 2、地下水位较浅时，选择高于地下水位的土层做为基础持力层，采 用宽扁梁基础，可以避免降水施工、缩短工期、节省投资。 3、岩石较浅情况下，可以将钢筋锚入岩石，做成锚墩，充分利嵌岩 墩很高的抗拔和抗剪性能，可大大减少基坑开挖工程量和混凝土 用量，降低施工难度，从而大大降低造价（包括二次搬运费用）、 缩短施工周期。
第19页
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二.地下水位较浅的普通地基
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宽扁梁基础示意
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二.地下水位较浅的普通地基
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T1=-(Nzk1＋Gjf/4)/2=-(-185+440/4)/2=37.5kN T2= (Nzk2＋Gjf/4)/2= (248.7+440/4)/2=179.4kN 这里，机房的重量Gjf＝440kN。此外，梁宽B=1.4m，梁高h＝0.7m，覆 土d＝0.8m。 N+G=－37.5+179.4+(0.8×16+0.7×22)×8.4×1.4
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二.地下水位较浅的普通地基
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上板带和柱中板带计算，由于筏板的刚度很大，而受到的铁塔 传来的反力很小，筏基的厚度和配筋基本为构造确定。 为降低造价，把受力上不需要的的核心区域清除掉，变成 “回”字型筏板，但此时的受力模式已不是筏板，实质上扁宽 的条形基础，应按弹性地基梁计算， 我们称之为宽扁梁基础 （图2）。基础面积和埋深的确定基本上由基础脱开面积条件 的限制。四条梁的尺寸完全相同，刚度相同，梁1-2和1-4分别 承担拉力的一半，即
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二.地下水位较浅的普通地基
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工程中也经常碰到这样一类地基情况，基本情况与第一类 差不多，地基持力层较浅，没有软弱下卧层及不良地质作用， 不同的是地势低洼，地下水位较浅低。假设土层分布与上一节 相同，地下水位为-2.0m。 若仍采用独立基础，由于地下水位较浅，一方面其对基础 的浮力又使基础受拔的受力状况雪上加霜，基础面积扩大为 3.3×3.3m，埋深会更深，达3.3m；另一方面基坑开挖需要降 水施工，对于铁塔等小型工程显然是不经济的，并且工期延长 很多。 为此，可以考虑筏板基础，选择高于地下水位的土层做为 基础持力层。筏板的计算与普通筏板相同，按倒无梁楼盖分柱
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三.岩石地基
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但是如仍采用独立基础，为满足零应力面积限值、抗 拔稳定及抗滑移要求，底面积较大、埋深较深，同时还面 临开挖困难。为此，可以将钢筋锚入岩石，做成锚墩，充 分利嵌岩墩很高的抗拔和抗剪性能，可大大减少基坑开挖 工程量和混凝土用量，降低施工难度，从而大大降低造价 （包括二次搬运费用）、缩短施工周期。 由于岩石掘进困难，经常采用爆破的施工方法，4个 独立基坑已经连成一片，工程中因而也常用筏基加锚墩的 基础形式。
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四.软土地基
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在沿海地区，所属地貌为冲积平原地锚，地貌形态单一，地下水 位较浅，地层软弱。典型的地层结构： ▪ 第一层为粉土，黄褐色，稍湿，松散，摇震反应中等，无光泽反应， 低干强度，低韧性，fak＝70kPa，极限侧阻力标准值为30kN/m2，层 厚0.7-0.9m，该层工程性质较差，埋深较浅，不宜作为基础持力层； ▪ 第二层为淤泥质粘质粉土，灰色，流塑，稍有光滑，中等干强度， 中等韧性，fak＝60kPa，极限侧阻力标准值为20kN/m2，层厚1.41.5m，该层工程性质较差，埋深较浅，不宜作为基础持力层； ▪ 第三层为粉质粘土，黄褐色，稍有光滑，中等强度干，中等韧性， fak＝50kPa，极限侧阻力标准值为25kN/m2，层厚3.2m，工程性质较 差，不宜作基础持力层；
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四.软土地基
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此时应选择第六层为持力层，采用钢筋混凝土灌注桩，安全 可靠但造价较高。 计算地基变形时采用的是不计入风荷载作用的正常使用极限 状态下荷载效应的准永久组合。以第二节谈到的宽扁梁基础为例， 塔自重Gt＝150kN，机房自重Gpf＝440kN，梁宽B=1.4m，梁高h＝0. 7m，覆土d＝0.8m。基础面积A=7.7×7.22-6.3×6.3＝19.6m2，基 底的附加应力pk＝(150+440＋(0.7×22-0.7×16)×19.6)/19.6=3 4.3kN/m2。由于建设铁塔和机房而造成的下部土体的沉降不足5mm， 可以忽略不计。真正的地基变形系原来的欠固结土体自身固结所 造成的，这个过程将是漫长的。因此，设计中采用宽扁梁基础， 同时将塔脚高度提高和机房室内外高差加大，预留该部分沉降变 形，将大大节省工程造价和缩短工期。
工程中常见的多数地基情况是场地地势平坦，地下水位较 深，没有软弱下卧层及不良地质作用存在。典型的地层结构： ▪ 第一层为素填土，多为耕地，松散，成份以粉质粘土为主，厚 度较浅300-400mm，不适宜作为基础持力层； ▪ 第二层为粘土，黄褐色，可塑，光滑，中等干强度，高韧性， 分布普遍，且厚度适宜3000-3200mm，fak=150kPa，适合作为 浅基础持力层； ▪ 第三层为粉质粘土，褐黄色，稍有光滑，中等干强度，中等韧 性，含铁锰氧化物，fak=160kPa，厚度较大6000-6200mm，但 埋深较深，可作为良好的基础下卧层； ▪ 第四层为泥质砂岩，灰色，泥质结构，块状构造，强-中风化 状态，岩体交破碎，fak=300kPa。
=473.5kN
M=(37.5+179.4)×7/2=759.2kN·m 偏心距e＝M/(N+G)= 759.2/473.5=1.6m a=l/2-e=8.4/2-1.6=2.6 3a=3×2.6＝7.8>0.75b=0.75×8.4＝6.3
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