摘要：现行规范关于裂缝验算的规定存在显著差异，风荷载是通信铁塔的主要控制荷载，是通信铁塔不同于普通结构的一大特点。按正常使用极限状态下作用的标准组合验算铁塔基础裂缝宽度要求偏于严格，建议合理放宽通信铁塔裂缝验算的限制。
关键词：铁塔基础；裂缝；标准组合；准永久组合
通信铁塔是一种支持通信天线挂载的高耸结构，其特点是结构较高，横截面相对较小，常见结构形式有单管塔、组合钢管塔、角钢塔等。在风荷载的作用下，塔底部往往会产生很大的倾覆力矩，同时存在较小的水平力和竖向力。对格构类塔型，倾覆力矩表现为塔脚处很大的上拔力和下压力。铁塔基础设计主要是为了把上部结构所承受的各种作用力传递到地基上，基础的选型与上部结构形式、所在区域的土质条件等有着密切的关系。
通信铁塔基础常用混凝土强度等级为C30，受力钢筋为HRB400级，所处环境类别多为二a或二b类，构件裂缝控制等级为三级，最大裂缝限值一般为0.2mm。由于直接同土壤接触，甚至浸渍在饱和水中，保护层厚度比一般常规地上结构要大一些。比如基础梁、柱保护层厚度为35mm，底板保护层厚度为40mm，桩身混凝土保护层厚度为50mm。
根据现行规范要求，铁塔基础钢筋配置除满足承载能力验算和构造要求外，还需要满足裂缝验算的要求。现行基础类规范对裂缝验算的要求比较严格，需要采用荷载标准组合验算。比如：《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2011 3.0.5条第4项，“当需要验算基础裂缝宽度时，应按正常使用极限状态下作用的标准组合”[1]。《高耸结构设计规范》GB50135-2006 7.1.4条第4项，“当需要验算基础裂缝宽度时，应按正常使用极限状态，采用荷载的标准组合并考虑长期作用的影响进行计算”[2]。
结合多年的设计经验，我们发现铁塔基础钢筋配置基本上由构造要求和裂缝验算要求控制，承载能力验算往往不起控制作用。比如铁塔浅基础底板配筋、桩承台配筋等在满足构造要求的时候，一般也能满足抗裂要求和承载力验算要求，这是因为基础底板和承台由于厚度尺寸比较大，再由于配筋率的要求，钢筋配置量有一定的保证，使得钢筋应力水平非常低。而某些基础构件如承受拔力的桩、大直径抗弯单桩、受偏拉作用的短柱等，实际上钢筋配置是由裂缝验算要求控制的，在满足最大裂缝宽度不超过0.2mm的情况下，钢筋标准应力一般不大于180MPa，相对于HRB400级钢筋，还有很大的强度富裕量得不到发挥。而如果按承载能力极限状态计算配筋，往往不能满足抗裂验算的要求。
为了促进节能减排，我国建设工程行业提倡优先使用400MPa级钢筋，积极推广500MPa级钢筋，加速淘汰335MPa级钢筋。目的是在工程应用中提高钢筋强度的等级，减少钢材的使用量。然而高强度钢筋虽然强度指标较高，但是弹性模量维持不变，高强度应力的发挥，必然伴随着较大的应变，这对裂缝控制是不利的。当前通信铁塔基础工程建设中已普遍采用400MPa级钢筋（HRB400），但由于裂缝验算要求的限制，不能充分发挥高强钢筋的强度优势。也就是说使用了高强度钢筋，却不能达到减少钢筋用量的目的。从这个维度看，使用高强度钢筋反而是一种浪费，并没有实质意义。
结合我国规范修订情况和推广高强钢筋应用的要求，我们认为现行基础类规范针对裂缝验算的要求偏于严格，尤其是具体到通信铁塔类基础工程。与普通结构的基础不同，铁塔基础由于要承受上部结构很大的倾覆力矩，存在着大量的受弯、受拔和偏拉构件，因此受裂缝控制的影响也特别大。本文将从几个方面展开论述，建议合理放宽铁塔类基础工程抗裂验算要求，使得基础钢筋配置更加符合铁塔类工程的特点，发挥高强钢筋的强度优势，促进节能减排和降本增效。
一、现行国家规范对裂缝验算规定不一致，没有做到同步修订
1、《混凝土结构设计规范》放宽了对裂缝验算的限制，这是我国结构工程领域基础性的规范，建筑结构设计裂缝的控制措施，均依据该规范规定的计算方法和相应的构造措施，对地下和地上结构的钢筋用量进行控制。该规范2002年版第3.3.3条规定：“允许出现裂缝的构件，按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响计算”。但从2010年版起对该条文进行了修订，第3.3.4条已经调整为：“对钢筋混凝土构件，按荷载准永久组合并考虑长期作用影响计算[3]”。针对该项调整，规范有条文说明：“经调查研究及与国外规范对比，原规范对受力裂缝的控制相对偏严，可适当放松”；“对于裂缝控制三级的钢筋混凝土构件，………选用荷载的准永久组合并考虑长期作用的影响进行裂缝宽度与挠度验算[3] ”。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆从该条文的修订变化，我们可以进行以下解读：
① 对裂缝控制等级为三级的普通钢筋混凝土结构，规范把裂缝验算的荷载组合从“标准组合”调整为“准永久组合”，放宽了对裂缝的限制。从另一个层面理解，原规范关注的是短期最大裂缝，而新规范考量的是裂缝的持续时间、裂缝宽度的长期水平。
② 裂缝验算口径区分基本清晰：对预应力混凝土结构，裂缝控制等级为一级、二级，主要采用荷载标准组合验算；对普通混凝土结构，裂缝控制等级为三级，可采用荷载准永久组合验算。
2、现行地基基础类规范未进行同步修订，仍然维持按标准组合验算裂缝宽度的规定。现行《建筑地基基础设计规范》、《高耸结构设计规范》、铁塔公司企标《通信铁塔地基基础技术要求（V1.0）》等无一例外地均要求按荷载标准组合验算基础裂缝。其中现行《建筑地基基础设计规范》和铁塔公司企标，均发布于《混凝土结构设计规范》GB50010-2010之后。由此，针对基础类混凝土结构裂缝验算，出现了规定不一致标准不统一的现象。
《混凝土结构设计规范》针对裂缝验算的规定涵盖了各种结构环境类别，并非只针对地面以上部分结构，基础类混凝土结构同样也适用。而地基基础类规范又是专门针对地基基础设计的规范，两者关于裂缝验算的规定存在着显著的差异。由于基础长期与水土接触，出于安全可控和专业规范适用方面考虑，行业内偏好于采用地基基础类规范，按荷载“标准组合”验算基础裂缝，导致了上文所描述的情况，一定程度上阻碍了高强度钢筋的推广使用。
二、通信铁塔与普通结构存在显著的差异，应具体分析区别对待
1、风荷载是通信铁塔的主要控制荷载，具有随机性和不确定性。相对于通信铁塔50年的设计使用年限而言，设计风荷载（标准值）是一个不定期出现的、持续时间很短的统计意义上的“最大值”，这是通信铁塔不同于普通结构的一大特点。还与普通工程结构不同的是，通信铁塔的活荷载（风荷载）占据了主导控制作用，其它的荷载（如自重荷载、维护荷载等）处于非常次要的地位，并且这种起控制作用的荷载又是不定期的、作用时间很短的荷载。参照现行《建筑结构荷载规范》GB50009-2012第8.1.4条，“风荷载的组合值系数、频遇值系数、准永久值系数可分别取为0.6、0.4和0.0[4]”。
2、根据规范定义，荷载标准值是“设计基准期内最大荷载统计分布的特征值”，鉴于风荷载作用不定期、持续时间短的特征，因此“按标准组合并考虑长期作用的影响”验算通信铁塔基础裂缝，其逻辑合理性是值得商榷的。
3、裂缝验算属于耐久性设计范畴，根据计算公式，裂缝宽度与钢筋应力正相关，且由于基础钢筋应力都在弹性设计范围内，因此当钢筋拉应力大时裂缝开展，当钢筋拉应力小或者不存在时，裂缝宽度会变小直至闭合。裂缝对钢筋混凝土耐久性的影响机理十分复杂，除了最大宽度限值外，裂缝的持续时间、裂缝宽度的长期水平可能也是重要因素。因此，把通信铁塔基础工程的裂缝控制水平等同于普通工程结构，无疑是偏于保守的。
三、结论及建议
现行国家规范对裂缝验算规定并不一致，验算口径存在着荷载“标准组合”和“准永久组合”的区别。相对于通信铁塔，这两种验算口径的差异是极端的，因为风荷载的准永久组合值系数为0.0，如果采用了荷载“准永久组合”，基础裂缝验算就变成了零要求。
本文倾向于适当放宽普通工程基础裂缝验算的限制，与现行《混凝土结构设计规范》一致，采用“准永久组合”验算。在规范分歧没有明确定论之前，设计单位一般仍会偏好于采用安全可控的规范条文。但对于通信铁塔类基础工程，适当放宽裂缝验算的要求，应该是合理可行的。希望铁塔类专业规范修订时，能充分考虑到与普通结构的差异，使得基础钢筋配置更加符合铁塔类工程的特点。
参考文献：
[1]国家规范．建筑地基基础设计规范 GB 50007-2011
[2]国家规范．高耸结构设计规范 GB50135-2006
[3]国家规范．混凝土结构设计规范 GB50010-2010
[4]国家规范．建筑结构荷载规范 GB50009-2012
论文作者:吕曙亮
论文发表刊物:《基层建设》2017年第13期
论文发表时间:2017/9/13
标签：裂缝论文; 荷载论文; 铁塔论文; 组合论文; 钢筋论文; 基础论文; 结构论文; 《基层建设》2017年第13期论文;