通讯单管塔管桩基础新型预应力节点性能研究

■徐汉平 ■同济大学土木工程学院，上海 200092

1 概述

4G网络［1，2］是通讯建设的热点，预计2014年至2015年期间，我国的4G基站建设［3］总投资将达到1100亿元。单管塔作重要通讯塔形式［4］，必将得到大量的实践应用，因此针对单管设计、制造和施工研究具有重要的工程实践意义。

目前我国常见的单管塔基础为普通多桩基础和板式独立基础［5］等。基础的混凝土和钢筋用量比较大，混凝土浇筑的工期长，施工质量受到现场人员技术水平和现场施工条件的影响较大。

PHC管桩单桩基础能很好的弥补上述传统基础的不足。PHC管桩全称是预制预应力高强混凝土管桩［6，7］，是预先张拉预应力筋，再通过离心力让管桩成型，之后经过高温高压养护最终制成的一种圆管型的预应力混凝土构件，管桩混凝土强度不低于C80，常见管桩直径为300mm到800mm，桩身通长布置预应力筋。

2 管桩基础和预应力方案

单管塔基础和塔身连接采用预应力法兰节点，如图1所示。塔筒底部法兰为设有加劲肋的普通刚性法兰，法兰通过预应力锚栓和桩体锚固在一起。桩体节点部分与普通PHC管桩有所区别，桩身中预埋有下锚板、预应力锚栓套管、防裂钢筋网等构件。锚栓底部通过螺母锚固于下锚板上，锚栓顶侧在安装塔筒前锚固于上锚板上，安装塔筒后锚固于塔筒法兰板上。桩身下锚板以上位置不设预应力筋和螺旋箍筋，预应力筋通过JLM精轧螺纹钢锚具锚固于下锚板上，预应力锚栓和预应力钢筋逐一间隔排布。节点区外侧设有防裂钢筋网，防止周围混凝土崩裂。

图1 底法兰和基础平面图与剖面示意图

管桩生产完成后，锚栓顶端用螺母锚固于上锚板上，管桩在仓储、运输和施工阶段中，均保持有预应力的状态。基础施工完成后，放张预应力锚栓，取下螺母，安装上部塔筒，重新张拉预应力锚栓锚固于法兰板上，即完成了预应力法兰节点的安装。

3 有限元分析

由于新型预应力节点构造较为复杂，许多构造无法通过常规的研究方法分析，本文采用ABAQUS软件对管桩节点区进行数值模拟分析。分析模型选取法兰以上0.5m到法兰以下2m范围内的节点区，共建立1.0P、0.9P、0.8P、0.7P、0.6P 和 0.5P，6 个实体模型分别验算不同预应力水平下的节点性能。模型中钢材的本构关系为双线性模型，混凝土采用的是塑性损伤本构模拟，预应力采用降温法施加。共设置有4个荷载工况，工况P表示预应力施加完成工况，工况M1表示10年一遇风压荷载作用工况，工况M2表示50年一遇风压荷载作用工况，工况U表示模型最后一次收敛工况。

4 分析结果对比比较

4.1 锚栓应力

1.0 P模型四个工况下锚栓Mises应力如表1所示。在预应力施加完成阶段所有锚栓的应力值均为490MPa左右。施加外荷载之后，锚栓应力不再相同，各个锚栓之间的应力值差距逐渐变大，M1工况下应力变化幅值为5.71%，M2工况下应力变化幅值为7.87%。

表1 预应力锚栓应力幅

4.2 混凝土应力

新型预应力节点的混凝土桩身部分受拉侧和受压侧内外应力分别如下图2所示。四张图分别是桩身受压一侧外表面(CO)，桩身受压一侧内表面(CI)，桩身受拉一侧内表面(TI)，桩身受拉一侧外表面(TO)的主压应力。图2中可以看出，在预应力施加完成阶段(曲线P)，节点处混凝土通长均受压，下锚板所处的位置混凝土应力水平有所降低，这是由下锚板变形造成的预应力损失引起的。在下锚板所处位置，混凝土主压应力值为7.82MPa。配有锚栓的节点部分混凝土主压应力较大，达到了11.04MPa。随着荷载的施加受压侧桩身主压应力逐渐增大，受拉侧混凝土主压应力逐渐减小，节点破坏的原因是受拉侧下锚板外侧混凝土受拉开裂，裂缝扩展，导致此处节点丧失承载力。

图2 节点混凝土部分主压应力曲线

4.3 法兰接触面积分析

不同预应力作用下法兰和上锚板接触面积如表2所示。可以看出，初始预应力的减小会导致在预应力施加完成阶段法兰和上锚板接触面积减小。在预应力施加完成工况P，预应力值每相差10%，接触面积平均相差1.17%。各个模型的接触面积与弯矩外荷载作用基本呈线性关系，随着弯矩的增大，接触面积逐渐减小。还可观察到曲线的发散现象，即预应力值越低，接触面积随荷载作用增大降低的越快。

表2 法兰板与上锚板接触面积表

5 结论

通过有限元分析，可以得到如下结论:

节点具有一定的承载力，能够将来自塔身的荷载传递到基础。在预应力施加完成工况，各个锚栓的Mises应力大小相等，而在M1、M2和U工况下，受拉侧锚栓Mises应力增大，受压侧锚栓Mises应力减小，锚栓应力分布规律近似正弦曲线。

下锚板处的预应力损失造成下锚板附近的桩身混凝土主压应力值与其他位置相比较小。节点区破坏是由于下锚板外侧混凝土受拉开裂，因此减少下锚板周围混凝土预应力损失有利于提高节点承载力性能。

节点法兰接触面积随外加弯矩的增大不断减小。施加于节点的初始预应力越大，同样外荷载作用下的法兰接触面积越大。

［1］杨娟，颜彪，陈万培等.4G中的新技术及其与3G的比较［J］.信息技术，2004∶98－101.

［2］吴薇，王晟.第四代移动通信系统［J］.电信工程技术与标准化，2002∶42－45.

［3］庞思亮.中国移动2015年谋定百万4G基站进一步拉大4G竞争差距［J］.通信世界，2014(34).

［4］艾鹏.基于能量原理的通信单管塔P－Δ效应分析方法研究［D］.武汉理工大学，2007.

［5］屠海明.单管塔扩展基础反力探讨［J］.工程建设与设计，2013∶64－66.

［6］王成启，谷坤鹏，王春明等.免蒸压PHC管桩的研制与工程应用［J］.混凝土与水泥制品，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.