预应力锚杆在广告牌地基基础工程中的应用

詹闽研

（闽西职业技术学院 城乡建筑学院，福建 龙岩 364021）

随着经济发展，城市化进程加快，城市规模不断扩大，越来越多的户外广告牌新建于城市之中。其中大型户外落地式钢结构广告牌形式多样，造型丰富，已经成为现代城市的一道亮丽风景线。为了追求广告效应，其往往位于城市广场、主干道交叉口等繁华地段，建设场地较为复杂，施工的干扰因素众多[1]。广告牌面积大、高度大、自重小，属于单薄高耸结构，一般由水平风荷载起控制作用，自重和地震作用属于次要作用，这对地基基础的抗倾覆和抗拔提出了较高的要求[2]。

预应力锚杆作为一种有效的抗拔手段，因其适用性广、布置灵活、施工便捷、成本低廉等优点，被广泛应用于各类岩土工程中。利用预应力锚杆对传统的重力式扩展基础进行锚固，其做法主要是：在设计确定的位置上钻孔，安装锚杆、施加预应力，然后注入高强水泥砂浆。基础通过锚杆与地基形成可靠的连接，依靠锚杆拉住地基以抵抗上部结构传递来的拉力。利用预应力锚杆对传统的重力式扩展基础进行锚固，能够有效地提高基础的抗倾覆和抗拔性能，减小基础尺寸和基坑开挖面积，并减轻对周边已有建筑及其基础产生的影响，在安全性、适用性和经济性上有显著的优点[3-4]。

1 工程概述

1.1 工程周边环境与上部结构

本工程位于龙岩市某交叉路口处，规划作为龙岩市户外广告重要展示节点。广告牌钢框架总高度为16.13 m，长度为42.00 m。广告牌正面紧邻城市主干道上的人行道，人行道下有电缆沟等地下管线沟，背面离民宅仅4～5m。广告牌前后地面高差约1.80m。因拟建场地地形复杂，空间受限，无法在钢框架前后设置支撑，故采用实腹式钢柱并适当增大钢柱截面。实腹式钢柱单排14跨，每跨跨距3 m，柱截面为组合 H 型钢，尺寸为 H750×450×16×18，平面布置如图1所示。

图1

广告牌主体钢结构应满足强度、刚度和稳定性要求，以钢柱柱顶侧向位移为主要控制指标，限值H/100。其结构受力特性为：在水平风荷载作用下，主要结构构件以受弯为主，钢柱顶部侧向位移较大，钢柱底部有较大弯矩，进而对基础产生上拔力。

1.2 地质情况和基础形式选择

根据本工程岩土勘察报告，土层自上而下分别为：表层为杂填土①，杂色，成分以搅拌土为主，松散—稍密，厚0.4～1.9 m；第二层为回填细砂①1，稍密—中密，局部缺失，层厚为0.5～2.7m；第三层为卵石②，稍密—中密，级配好，强度高，工程性能较好，层厚0.9～7.8 m；第四层为全风化粉砂岩④，原岩组织结构已全部破坏，矿物成分已全部风化成硬塑土状，厚0.8～5.4 m；第五层为砂土状强风化粉砂岩⑤，原岩组织结构已大部分破坏，裂隙极发育，厚0.7～9.7 m。

广告牌钢筋混凝土基础依据上部荷载大小和性质，一般可选取柱下独立基础、柱下条形基础、筏形基础和桩基础[5]。柱下独立基础、柱下条形基础、筏形基础等浅基础具有设计简单、技术完善、工艺成熟、施工周期短、质量容易保证、经济效益高等优点，在条件适合的情况下应优先采用。本工程若选用一般浅基础，为满足抗倾覆和抗拔承载力要求，需要较大的基础尺寸及埋深。由于拟建场地地面上下干涉众多，基坑无法挖至指定尺寸和深度，导致浅基础方案缺乏可行性。桩基础有较高的抗拔承载力和较好的抗倾覆能力。由于场地空间狭窄，大型施工机械设备无法进场作业，使得桩基础施工难度大，周期长，且对邻近居民住宅可能产生不利影响。故最终决定采用钢筋混凝土筏形基础加预应力锚杆方案。

2 预应力锚杆设计

本工程抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05 g，设计地震分组为第二组，建筑场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.40 s。广告牌面板材料自重标准值取0.18 kN/m2，固定设备点荷载标准值为0.3 kN，检修荷载标准值为1.0 kN。基本风压为0.35 kN/m2，风荷载体型系数为1.3。地面粗糙度为B类，但考虑本广告牌位于某山麓处，实际风力受背面山体影响，有一定折减，故设计时按照地面粗糙度为C类进行计算。依据PKPM软件建模计算结果，上部结构传至钢柱脚的荷载标准值为：Nk=41.0 kN，Vyk=28.0 kN，Mxk=312.0 kN。

2.1 预应力锚杆平面布置

±0.000 m取同广告牌前原人行道路面，广告牌后地面标高为1.80 m。预应力锚杆分前后两排布置，每排45处，共90处。前后两排锚杆水平间距为1.8m，同排锚杆间距为1.0 m，锚杆距筏板基础边缘水平距离 0.5 m（见图 2、图 3）。

图2

图3

2.2 单根预应力锚杆所受拔力设计值计算

依据 《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB50086—2015，简称规范 1）第 10.1.5 条，单根锚杆所承受的拔力标准值可按进行计算[6]。设由人行道吹往广告牌正面和山体的风为正风向，由山体吹往广告牌背面的风为负风向，结合竖向力的偏心作用，分为如下4种情况进行计算：考虑/不考虑竖向力偏心影响的正风向作用、考虑/不考虑竖向力偏心影响的负风向作用，并取其中最不利情况进行下一步设计。由计算结果可知，当不考虑竖向力偏心影响的正风向作用时，单根预应力锚杆所承受的拔力标准值最大，此时NKi=11.07 kN。

依据规范1第4.6.6条，预应力锚杆拉力设计值可按下式计算：Nd=1.35 γWNK，其中工作条件系数γW取1.1，则预应力锚杆拉力设计值Nd=16.44 kN。

依据规范1第4.1.6条，锚杆承受反复变动荷载的幅度不应大于锚杆拉力设计值的20%。由于规范正文和条文说明中均未对反复变动荷载进行具体的定义，为确保结构安全，故将风荷载作为反复变动荷载考虑。单根预应力锚杆所承受的拔力设计值变化幅度为0～16.44 kN，故本工程永久性预应力锚杆拉力设计值最终取值为Nd=100 kN，满足16.44≤20%Nd的要求。

2.3 锚杆锚固段抗拔承载力计算

锚杆设计钻孔深度从地面起算约为15.0 m。由于第一、二层土为回填土，不考虑其与锚杆注浆体间的粘结强度，故取锚杆进入第三层及以下土体的部分作为锚固段，锚固段计算长度为10.0 m。锚固段钻孔直径为150 mm，灌浆体抗压强度为30 MPa。依据规范1第4.6.10～4.6.14条，进行锚固段抗拔承载力计算。

2.3.1 锚杆锚固段注浆体与地层间抗拔承载力计算

锚杆锚固段注浆体与地层间抗拔承载力计算公式为：

式中，fmg为锚杆锚固段注浆体与周边地层间的极限粘结强度标准值。因拟建场地地下各土层厚度变化较大，不同钻孔位置处存在明显差异，故岩土类别偏保守按可塑性粘土考虑，fmg取值为0.05 MPa。K为锚杆段注浆体与地层间的粘结抗拔安全系数，根据岩土锚固工程破坏后的危害程度和锚杆的服务年限确定。由于本工程地处闹市，对公共安全有较大影响，且属永久性锚杆，故K取值为2.2。D为锚杆锚固段钻孔直径，La为锚固段长度。ψ为锚固段长度对极限粘结强度的影响系数，取值为1.0。计算可得DLaψ=107 kN≥Nd=100kN，满足要求。

2.3.2 锚杆锚固段注浆体与筋体间抗拔承载力计算

本工程永久性锚杆杆体为预应力螺纹钢筋，灌浆体抗压强度为30Mpa，则锚固段注浆体与筋体间粘结强度设计值fma′取值为1.4 MPa。单根锚杆处钢筋根数n=1，钢筋直径d=25 mm，锚固段长度La=10 m。界面粘结强度降低系数ξ=1.0。 计算可得，fmanπdLaξ=1 099 kN≥Nd=100 kN，满足要求。

2.4 锚杆杆体受拉承载力计算和张拉控制力确定

为防止锚杆在水平风荷载反复作用下变形松弛，需进行预应力张拉。预应力锚杆筋体选用预应力螺纹钢筋ØT25，屈服强度标准值为fpyk=930 N/mm2，抗拉强度设计值为fpy=770 N/mm2。

依据规范1第4.6.8条，锚杆杆体受拉承载力为fpyAB=378 kN≥Nd=100 kN，满足要求。

依据规范1第4.6.9条，锚杆预应力筋的张拉控制应力σcon≤0.7 fpyk=651 N/mm2。实际张拉控制力取N=120 kN，在张拉控制应力允许范围内，能够满足要求。

3 预应力锚杆施工注意事项

3.1 应编制完善施工组织设计，从设备选型、原材料进场、送检、浆液、锚筋体、成孔等半成品检验，到钻孔、搅浆、焊接安锚、注浆等工序质量，都应规定严格的指标[7]。

3.2 筏板基础施工时按设计位置预埋40波纹钢管做为锚杆孔。若要利用筏板基础作为预应力锚杆施工时的工作面，则应在筏板基础混凝土浇筑28d后才可进行预应力锚杆施工。

3.3 锚杆钻孔时有可能遇原广告牌钢筋混凝土基础干涉，应采取相应措施保证钻孔质量。若干涉严重，设计指定位置处无法钻孔，应通知设计人员作出变更后方可施工。

3.4 应选择对钻孔周边地层扰动小的施工方法，并在施工过程中严格观测钻孔对周边建筑的影响。在不稳定土层中，或地层受扰动导致水土流失会危及邻近建筑物或公用设施的稳定时，宜采用套管护壁钻孔。

4 结语

本落地式钢结构广告牌工程于2018年竣工验收后投入使用，经过数次台风考验，钢柱顶水平侧位移、地基基础整体稳定性完全满足使用要求，表明筏形基础加预应力锚杆是一种安全可靠的大型广告牌基础形式。对建于繁华市区中的大型广告牌工程而言，由于受限于狭窄的空间和复杂的环境，浅基础和桩基础在施工时常常遇到各种干涉，导致大量的设计变更，甚至进行结构方案的调整，严重影响工期和造价。利用预应力锚杆对传统的重力式扩展基础进行锚固，具有布置灵活、施工方便等优点，能够避开干涉，加快施工进度，取得良好的技术经济效益。