錐型鋼管混凝土基礎及運用分析

王嘵磊

（北京城建華夏基礎建設工程有限公司，北京 101149）

1 引言

研究發現，提高鋼管混凝土中各類材料的利用率，在節約混凝土材料的同時，有效控制了鋼管混凝土柱的成本造價，具體應用在工程項目中，保證了項目的經濟效益。因此，有必要分析錐形鋼管混凝土基礎及其運用情況，擴大此種類型鋼管混凝土的應用范圍，提高工程結構的承載力水平，更好地保障工程品質。

2 鋼管混凝土結構的特點

2.1 承載力水平高

鋼管與混凝土二者之間優勢互補，組合使用，承載力水平得到大幅度提升，其原理是，錐形鋼管混凝土發生局部變形和屈曲的可能性更小，穩定性比普通鋼管或混凝土更高，不易發生脆性斷裂問題[1]。

2.2 耐火性好

研究發現，鋼管混凝土在火災中，可有效抑制混凝土的溫度升高，避免混凝土升溫帶來的不良后果，為火災救援爭取了更多的時間。受火災因素影響，鋼管承載力有所下降，鋼管局部的荷載力會傳遞給混凝土，最大程度上優化了鋼管和混凝土的承載力，發揮了鋼管混凝土的承載力作用，發揮了結構的承載性能。

2.3 方便制作和施工

鋼管混凝土在實際制作過程中，便捷程度高，減少材料使用量，并且鋼管有效代替了鋼筋材料的使用，簡化了鋼筋制作、鋼筋切割、鋼筋綁扎等制作環節，節省了大量時間和人力，為后續的施工也提供了諸多的便利。將鋼管混凝土應用在具體的建筑工程中，有效推進工程施工進度，保證施工進度計劃的落實，保證工程項目在預計工期內完工建設[2]。

2.4 方便逆作法施工

大量工程實踐證實，鋼管混凝土不僅可應用在樁基礎施工中，而且可在逆作法施工中應用。例如，將鋼管混凝土應用在地下室結構施工中，可將其視為上部結構支撐，并結合施工圖設計要求和技術規范，使用沖、鉆等方式將預制的鋼管混凝土安裝就位，為后續施工作業的開展提供了便利，降低了施工難度，縮短了工程項目的工期，發揮了鋼管混凝土結構的價值作用。

3 錐形鋼管混凝土的特點

3.1 滿足受力需要

錐形鋼管混凝土是在普通鋼管混凝土結構基礎上，增加了傾斜角，構成了圓錐形的中空夾層鋼管混凝土結構，進一步提高了承載力水平，節約了材料的使用量。將錐形鋼管混凝土具體應用在輸電線桿中，可保證承載力均勻地傳遞，符合受力要求。

3.2 材料使用量少，造價成本得到控制

錐形鋼管混凝土主要是縮小了一端截面的面積，并沿著結構面全長減小，最終減小到一定程度，形成一個傾斜的角度，充分節約了使用材料，材料成本費用得到控制，可創造更大的項目效益。

4 錐形鋼管混凝土基礎構件壓扭試驗

4.1 設計試件

結合某工程施工需要，按照一定的尺寸進行設計，將錐形鋼管混凝土基礎構件錐度控制在合理范圍內。為測試錐形鋼管混凝土基礎構件應用的可行性，對軸壓比（0、0.3、0.6）不同的3 種錐形鋼管混凝土基礎構件展開測試，主要探究不同試件錐度與承載力之間的關系，具體試驗情況見表1。

表1 不同軸壓比試件相關參數

4.2 制作試件

1）根據設計圖進行下料制作，剪切符合工程尺寸的鋼管（外鋼管、內鋼管），使用專用的模具進行固定，并進行電焊焊接操作，操作人員嚴格把控焊接縫的質量。

2）完成上述操作后，按照配置等級，將混凝土拌和物灌注到制作好的鋼管中，并進行振搗操作，進而保證錐形鋼管混凝土的密實度。

4.3 分析材料力學的相關性能

試驗中，研究人員使用拉伸試驗，測試了鋼管材料的力學性能，參照表2 有關參數進行操作。選擇合適等級的混凝土，按照一定的配制比進行制作，嚴格把控混凝土的強度，控制混凝土的坍落度和流動度，并將混凝土內部的澆筑溫度控制在8~10 ℃，將外部溫度控制在6~9 ℃。試驗測得混凝土的強度等級為49.28 MPa，彈性模量為34 000 MPa。試驗裝置使用的是壓扭工作機，并借助千斤頂施加軸力，利用鋼絲繩和頂端端板對圓盤施加壓力。

表2 鋼管材料屬性參數

4.4 試驗結果和討論

試驗發現，受荷初期，試件變形不明顯，在荷載逐漸增加情況下，試件出現位移。進一步觀察發現，試件上端靠近端板位置有明顯的位移現象。持續增加扭矩情況下，試件的變形呈現緩慢變化的趨勢，當接近荷載極限時，試件的轉角出現急劇增加的情況。試驗證實了試件的延伸性。本文研究發現，不同軸壓比試件并未出現明顯的扭斷現象，進一步說明了鋼管與混凝土材料二者之間的協調性，有效均衡了變形情況。本研究中，不同錐度試件壓扭形態破壞程度明顯，當荷載逐漸增加時，錐形鋼管混凝土頂端最先遭到破壞，但對鋼管混凝土整體的形態破壞性不顯著；當荷載接近極限，有裂縫產生，但未破碎。試驗結果，證實了不同軸壓比對試件的承載力無顯著影響，不同的錐度對試件承載力產生了一定的影響，且錐度越大，則試件的承載力水平越小，試件發生變形的可能性也就越大。

由上述試驗結果可知：錐形鋼管混凝土具有實際應用的可行性，本文就錐形鋼管混凝土在凍土區域中的運用情況展開分析。

5 錐型鋼管混凝土基礎在凍土區域的運用

5.1 凍土區域概況

某凍土區域面積廣闊，凍土區域較多，海拔較高，凍土厚度不等（從幾米到百米），測試發現，凍土溫度在0~-2 ℃。為保證我國凍土區域輸電便利，加強電網建設顯得尤為重要，因此，為保證電力輸送效果，亟須優化凍土區域輸電線路桿塔設計，進而保證凍土區域的電力供應，滿足地區用電需要。

5.2 凍土土質對輸電桿塔基礎的影響

研究發現，凍土土體結構的垂直面和橫截面有不同厚度的結冰現象，凍土顆粒發生了不同程度的位移情況，導致凍土土體膨脹。當凍土土體受到此種約束力作用時，引發了不同的凍脹力。因此，對此區域的擬建設的架空輸電新路產生了負面影響，嚴重影響到輸電桿塔的穩定性。進一步研究發現，凍土產生的凍脹力中包含了法向凍脹力、水平凍脹力和切向凍脹力，均對桿塔施工產生了阻礙，容易造成桿塔上拔，威脅到桿塔的穩定性，尤其在凍土開裂的情況下，桿塔失穩嚴重。圖1為輸電桿塔基礎。

圖1 輸電桿塔基礎

5.3 科學選擇凍土地區的桿塔基礎

由上述分析發現，錐形鋼管混凝土基礎性能優勢顯著，特點鮮明，具有實際應用的可行性。因此，結合凍土區域基礎狀況，改變了傳統臺階式、板式的基礎開挖方式，更換為錐形鋼管混凝土基礎，有效改變了凍土凍脹力方向，降低了凍土基礎表面的結冰程度，改善了凍土縱橫截面的粗糙程度。由于凍土區域的土體結構穩定性差，因此，在實際施工中，加強對施工工期的控制，避免過度擾動凍土土體，控制錐形鋼管混凝土基礎的埋深要超出凍土的融化深度，并對凍土土體含水量進行嚴格把控。在本項目中，主要建設了排水設施，將塔基周圍的積水排干凈。另外，為改善本區域土體的凍脹性，在基坑回填過程中，優先選取的是非凍脹性材料。為保證錐形鋼管混凝土基礎施工效果和品質，施工方案設計人員全面進行考量，并利用了傳統基礎施工的優勢，加強創新和改進，將底板更換為錐形的底板[3]。

在應用錐形鋼管混凝土基礎的過程中發現，使用錐形鋼管混凝土立柱，能夠有效改變和控制凍土的凍脹力方向，顯著改善了混凝土立柱的粗糙程度，大大降低了凍土地區土體凍結強度，有效抑制了混凝土受拔時的擴張壓力，切實增強了混凝土立柱基礎的抗拉性能，滿足輸電桿塔穩定性要求，這也有效證明了錐形鋼管混凝土基礎更適用于凍土區域。

就底板采取錐形形狀看，此種形式靈活程度高，可節省模板用量，方便混凝土澆筑施工，有效規避了配筋施工中產生的一系列問題，施工進度也得到保障。

6 結語

綜上所述，錐型鋼管混凝土基礎優勢特顯明顯，具有在實際工程中應用的可行性，將此基礎應用在凍土地區輸電桿塔施工建設中，提高了施工質量，解決了傳統基礎施工中的難題，優化了桿塔施工模式，值得推廣和應用。