7.3 基础设计

7.3.1  本文提出了斜立式基础的适用范围及大致形式。

7.3.2  本文对构架式塔的独立式基础加连系梁的基础形式的设计方法做了明确规定。这种基础在高耸结构中用得最多。

7.3.3～7.3.5  重点阐述了《高耸结构设计规范》GBJ 135-90中的“板式基础”，即本标准中的“扩展基础”。此种基础在天然地基上的高耸结构基础中最为常见，有圆形、方形、环形等。环形基础底板外形系数根据图7.3.3-3曲线拟合而成。

    因台阶形基础不适合于上表面配筋，故去除。注明基础自重和覆土重时对基础底板强度计算正弯矩无关。

7.3.6  高耸结构在基础受拔力作用(靠自重、覆土重及土的抗剪切性能)时，底板反向受弯，因而在底板上表面也要做配筋验算。这种情况对其他结构相当独特，但在高耸结构中却很普遍。本条新增了计算底部上表面配筋时的均布荷载设计值公式，此时基础及其上覆土重量起控制作用，故取分项系数1.35。同时，上表面配筋尚应满足最小配筋率要求。

7.3.7  高耸结构一般很少用“刚性基础”，即“无筋扩展基础”。

7.3.8  高耸钢结构的锚栓是上部结构与基础之间的重要连接件，设计时应考虑对钢结构和混凝土结构兼容。而两者的施工标准差异很大，本条根据高耸结构的特点及设计经验，提出了锚栓设计的具体要求。预应力锚栓的疲劳应力幅的相关规定见Eurocode3：Design of Steel Structures，Partl.9.Fatigue。锚栓组合件如图6所示。

图6  预应力锚栓组合件

1-上锚板；2-尼龙螺母；3-热缩管；4-锚栓及套管；

5-下锚板；6-支撑；7-锚固螺母；8-预埋件；9-苯板；10-垫层

    现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017规定锚栓预拉力P以锚栓的抗拉强度为准，再考虑必要的系数和实用需要，用锚栓的有效截面经计算确定。

    锚栓预拉力的取值直接影响预应力混凝土的使用效果，如果预拉力取值过低，则预应力锚栓经过各种损失后，对混凝土产生的预压应力过小，不能有效地提高预应力混凝土构件的抗裂度和刚度，且易松弛。如果张拉控制应力取值过高，则可能引起锚固区混凝土局压破坏，构件的延性降低，且对锚栓抗疲劳不利。

    基础预应力锚栓因采用直接张拉法施工，没有拉扭复合应力，故预拉力值可比现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017提高，将该标准中影响系数1.20改成1.15。

    考虑锚栓材质的不均匀性，引进折减系数0.9。

    施工时为了补偿锚栓预拉力的松弛，一般超张拉5％～10％，为此采用一个超张拉系数0.9。

    由于以锚栓的抗拉强度为准，为安全起见再引入一个附加安全系数0.9。这样，锚栓最大预拉力应按下式计算：

式中：f_u——锚栓经热处理后的最低抗拉强度；对8.8级取为830MPa，对10.9级取为1040MPa；

          A_e——螺纹处的有效面积。

    当混凝土局部承压难以满足时，锚栓最小预拉力可取为0.37fuAe，但最小预拉力必须保证基础混凝土在风机工作荷载下处于受压状态。

    现行国家标准《混凝土结构结构设计规范》GB 50010对预应力螺纹钢筋张拉控制应力的要求为0.50f_pyk～0.85f_pyk，基础锚栓为高强螺栓，材料延性和韧性较预应力螺纹钢筋好。按该规定，预应力锚栓预拉力取为0.37f_uAe～0.63f_uAe也较为合适。

7.3.12  高耸结构不同于一般建筑结构，因其自身细而高的特点，对风荷载较为敏感，在风荷载作用下，柱脚往往出现较大拔力。因此采用桩基础时，必须对桩基进行抗拔验算及抗拔试验。这涉及桩基的安全，因此必须做严格规定。

7.3.13  本条规定了高耸结构抗拔桩及承台的具体构造要求。

7.3.14～7.3.17  这几条对在岩石地基上的高耸结构所常用的锚杆基础的设计计算及构造要求作出具体规定。

7.3.18  疲劳动力荷载作用下，普通岩石锚杆疲劳应力幅较大，且其黏结锚固有逐步失效的趋势。故承受疲劳动力荷载作用时，应采用预应力岩石锚杆基础。

7.3.22  采用自锁式岩石锚杆或扩底岩石锚杆可使锚杆锚固力由“握裹”抗剪转变为岩石的抗压，以及抗压后产生的摩擦，提高了锚固的可靠性和抗疲劳。

7.3.23  本条对无埋深预制基础的主要设计原则作出规定。

    无埋深预制基础是指在工厂预制完成的钢筋混凝土块，在现场经组合拼装后放置在有可靠持力层的地基上，作为上部高耸结构的基础。无埋深预制基础主要通过预制混凝土块及其上的铁塔、机房等自重来抵抗风荷载引起的弯矩。目前在通信工程领域应用广泛。考虑到运输与安装方便，预制基础一般均分条块制作。为保证其整体性，各条块间应可靠连接。

    预制基础的抗倾覆稳定性可以依据“在正常使用极限状态标准组合作用下基底脱开面积不大于基础底面1/4”的原则得到保证，抗滑移稳定性可依据本标准第7.4.6条执行。

7.3.24  本条对螺旋桩(图7)的使用作出规定。螺旋桩因其自身带有螺纹，跟普通钢管桩相比，具有抗拔承载力相对较高的优点。且因为高耸结构基础抗拔是结构的一个重要受力特点，因此建议高耸结构基础采用螺旋桩。目前螺旋桩没有较为完善的理论计算公式，设计者可按现行行业标准《建筑桩基技术规范》JGJ 94对其进行估算，并且通过试验验证其承载能力。

图7  螺旋桩结构示意图

1-后注浆；2-预制承台；3-螺旋桩

7.3.25  本条对筒式基础的主要设计原则作出规定。

    筒式基础采用单个直径较大的筒体作为高耸结构的基础，筒体可采用预应力混凝土或者钢材。筒式基础目前在风电与通信工程领域有一定应用。

    筒式基础由沿深度分布的水平地基反力组成的力矩与合力抵抗弯矩和剪力。由于刚度相对土体较大，可作为刚性桩计算。结构设计时，可采用刚性桩计算原则，主要验算地基土承载能力、筒式基础变形以及筒式基础自身强度等。筒式基础示意图如图8所示。

图8  筒式基础示意图

1-塔体；2-连接法兰；3-筒式基础桩身；4-桩尖

    筒式基础应按下列方法进行抗弯承载力、竖向承载力、顶部位移、转角以及筒式基础强度的验算。

    (1)受力简图以及土压力分布曲线(图9)：

式中：q——单位长度上的土被动抗力(kN/m)；

          a、b——曲线系数，单位分别为kN/m2.5、kN/m1.5；

          M_k——荷载效应标准组合下地面(z＝0处)弯矩(kN·m)；

          F_k——荷载效应标准组合下压力(kN)；

          V_k——荷载效应标准组合下地面(z＝0处)剪力(kN)；

          H——有效桩长(m)；

          z——离地面距离(m)。

图9  受力简图及土压力分布曲线

O＇-刚性转动小心点；Z1-转动中心点至地面距离；

Z0-浅部土压力极值点至地面距离

    (2)筒式基础抗弯承载力应按下列公式计算：

    浅部土压力极值点处：

    筒式基础底部：

式中：β——极限承载力修正系数，β＝1.8；

          γ——计算点所在土层土的重度(kN/m³)；

          c、φ——土的黏聚力及内摩擦角。

    浅部土压力极值点离地面距离为：

    对应的土压力为：

    筒式基础底部对应的土压力为：

    (3)筒式基础竖向承载力应按下式计算：

式中：Ra——筒式基础竖向承载力特征值，应按下式计算：

式中：q_sik——筒式基础侧第i层土的极限侧阻力标准值(kN/m²)；

          μ——筒式基础周长(m)；

          li——筒式基础侧第i层土的厚度(m)。

    (4)筒式基础顶部位移及转角应符合下列规定：

      1)顶部位移δ0应按下式计算：

      2)转角tanθ应按下式计算：

    (5)筒式基础强度验算应符合下列规定：

    离地面z处的剪力和弯矩应按下列公式计算：

    (6)地基土比例系数C值可按以下规定确定：

      1)在土质相近地区大量使用筒式基础时，宜通过水平静载试验确定；

      2)当无水平静载试验资料时，应按表3的要求采用；

表3  不同土类对应C值

注：表中IL为土的液性指数，e为土的孔隙比。对于第2类土，取E_e＝2E1-2；对于第3类土，取E＝E_e＝3E1-2；对于第4类土，取Ee＝4E1-2。其中E1-2为土体压缩模量。

      3)当筒式基础侧面由几种土层组成时，应求得主要影响深度h_c＝2(D₀＋1)m范围内的C值作为计算值(图10)。当h_c深度内存在两层不同土时：

图10  不同土层C值计算示意图

    当hc深度内存在三层不同土时：

    (7)适用条件：筒式基础应符合下列规定：

H≤2.5/λ           (26)

式中：λ——桩土形变系数(1/m)，；

          C——地基土比例系数(kN/m3.5)；

          D1——筒式基础的计算直径(m)；当D₀≤1.0m时，D₁＝0.9(1.5D0＋0.5)；当D₀＞1.0m时，D₁＝0.9(D₀＋1.0)；

          D₀——筒式基础直径(m)；

          E——弹性模量(kN/m²)；

          I——惯性矩(m⁴)。