锥型钢管混凝土基础及运用分析

王哓磊

（北京城建华夏基础建设工程有限公司，北京 101149）

1 引言

研究发现，提高钢管混凝土中各类材料的利用率，在节约混凝土材料的同时，有效控制了钢管混凝土柱的成本造价，具体应用在工程项目中，保证了项目的经济效益。因此，有必要分析锥形钢管混凝土基础及其运用情况，扩大此种类型钢管混凝土的应用范围，提高工程结构的承载力水平，更好地保障工程品质。

2 钢管混凝土结构的特点

2.1 承载力水平高

钢管与混凝土二者之间优势互补，组合使用，承载力水平得到大幅度提升，其原理是，锥形钢管混凝土发生局部变形和屈曲的可能性更小，稳定性比普通钢管或混凝土更高，不易发生脆性断裂问题[1]。

2.2 耐火性好

研究发现，钢管混凝土在火灾中，可有效抑制混凝土的温度升高，避免混凝土升温带来的不良后果，为火灾救援争取了更多的时间。受火灾因素影响，钢管承载力有所下降，钢管局部的荷载力会传递给混凝土，最大程度上优化了钢管和混凝土的承载力，发挥了钢管混凝土的承载力作用，发挥了结构的承载性能。

2.3 方便制作和施工

钢管混凝土在实际制作过程中，便捷程度高，减少材料使用量，并且钢管有效代替了钢筋材料的使用，简化了钢筋制作、钢筋切割、钢筋绑扎等制作环节，节省了大量时间和人力，为后续的施工也提供了诸多的便利。将钢管混凝土应用在具体的建筑工程中，有效推进工程施工进度，保证施工进度计划的落实，保证工程项目在预计工期内完工建设[2]。

2.4 方便逆作法施工

大量工程实践证实，钢管混凝土不仅可应用在桩基础施工中，而且可在逆作法施工中应用。例如，将钢管混凝土应用在地下室结构施工中，可将其视为上部结构支撑，并结合施工图设计要求和技术规范，使用冲、钻等方式将预制的钢管混凝土安装就位，为后续施工作业的开展提供了便利，降低了施工难度，缩短了工程项目的工期，发挥了钢管混凝土结构的价值作用。

3 锥形钢管混凝土的特点

3.1 满足受力需要

锥形钢管混凝土是在普通钢管混凝土结构基础上，增加了倾斜角，构成了圆锥形的中空夹层钢管混凝土结构，进一步提高了承载力水平，节约了材料的使用量。将锥形钢管混凝土具体应用在输电线杆中，可保证承载力均匀地传递，符合受力要求。

3.2 材料使用量少，造价成本得到控制

锥形钢管混凝土主要是缩小了一端截面的面积，并沿着结构面全长减小，最终减小到一定程度，形成一个倾斜的角度，充分节约了使用材料，材料成本费用得到控制，可创造更大的项目效益。

4 锥形钢管混凝土基础构件压扭试验

4.1 设计试件

结合某工程施工需要，按照一定的尺寸进行设计，将锥形钢管混凝土基础构件锥度控制在合理范围内。为测试锥形钢管混凝土基础构件应用的可行性，对轴压比（0、0.3、0.6）不同的3 种锥形钢管混凝土基础构件展开测试，主要探究不同试件锥度与承载力之间的关系，具体试验情况见表1。

表1 不同轴压比试件相关参数

4.2 制作试件

1）根据设计图进行下料制作，剪切符合工程尺寸的钢管（外钢管、内钢管），使用专用的模具进行固定，并进行电焊焊接操作，操作人员严格把控焊接缝的质量。

2）完成上述操作后，按照配置等级，将混凝土拌和物灌注到制作好的钢管中，并进行振捣操作，进而保证锥形钢管混凝土的密实度。

4.3 分析材料力学的相关性能

试验中，研究人员使用拉伸试验，测试了钢管材料的力学性能，参照表2 有关参数进行操作。选择合适等级的混凝土，按照一定的配制比进行制作，严格把控混凝土的强度，控制混凝土的坍落度和流动度，并将混凝土内部的浇筑温度控制在8~10 ℃，将外部温度控制在6~9 ℃。试验测得混凝土的强度等级为49.28 MPa，弹性模量为34 000 MPa。试验装置使用的是压扭工作机，并借助千斤顶施加轴力，利用钢丝绳和顶端端板对圆盘施加压力。

表2 钢管材料属性参数

4.4 试验结果和讨论

试验发现，受荷初期，试件变形不明显，在荷载逐渐增加情况下，试件出现位移。进一步观察发现，试件上端靠近端板位置有明显的位移现象。持续增加扭矩情况下，试件的变形呈现缓慢变化的趋势，当接近荷载极限时，试件的转角出现急剧增加的情况。试验证实了试件的延伸性。本文研究发现，不同轴压比试件并未出现明显的扭断现象，进一步说明了钢管与混凝土材料二者之间的协调性，有效均衡了变形情况。本研究中，不同锥度试件压扭形态破坏程度明显，当荷载逐渐增加时，锥形钢管混凝土顶端最先遭到破坏，但对钢管混凝土整体的形态破坏性不显著；当荷载接近极限，有裂缝产生，但未破碎。试验结果，证实了不同轴压比对试件的承载力无显著影响，不同的锥度对试件承载力产生了一定的影响，且锥度越大，则试件的承载力水平越小，试件发生变形的可能性也就越大。

由上述试验结果可知：锥形钢管混凝土具有实际应用的可行性，本文就锥形钢管混凝土在冻土区域中的运用情况展开分析。

5 锥型钢管混凝土基础在冻土区域的运用

5.1 冻土区域概况

某冻土区域面积广阔，冻土区域较多，海拔较高，冻土厚度不等（从几米到百米），测试发现，冻土温度在0~-2 ℃。为保证我国冻土区域输电便利，加强电网建设显得尤为重要，因此，为保证电力输送效果，亟须优化冻土区域输电线路杆塔设计，进而保证冻土区域的电力供应，满足地区用电需要。

5.2 冻土土质对输电杆塔基础的影响

研究发现，冻土土体结构的垂直面和横截面有不同厚度的结冰现象，冻土颗粒发生了不同程度的位移情况，导致冻土土体膨胀。当冻土土体受到此种约束力作用时，引发了不同的冻胀力。因此，对此区域的拟建设的架空输电新路产生了负面影响，严重影响到输电杆塔的稳定性。进一步研究发现，冻土产生的冻胀力中包含了法向冻胀力、水平冻胀力和切向冻胀力，均对杆塔施工产生了阻碍，容易造成杆塔上拔，威胁到杆塔的稳定性，尤其在冻土开裂的情况下，杆塔失稳严重。图1为输电杆塔基础。

图1 输电杆塔基础

5.3 科学选择冻土地区的杆塔基础

由上述分析发现，锥形钢管混凝土基础性能优势显著，特点鲜明，具有实际应用的可行性。因此，结合冻土区域基础状况，改变了传统台阶式、板式的基础开挖方式，更换为锥形钢管混凝土基础，有效改变了冻土冻胀力方向，降低了冻土基础表面的结冰程度，改善了冻土纵横截面的粗糙程度。由于冻土区域的土体结构稳定性差，因此，在实际施工中，加强对施工工期的控制，避免过度扰动冻土土体，控制锥形钢管混凝土基础的埋深要超出冻土的融化深度，并对冻土土体含水量进行严格把控。在本项目中，主要建设了排水设施，将塔基周围的积水排干净。另外，为改善本区域土体的冻胀性，在基坑回填过程中，优先选取的是非冻胀性材料。为保证锥形钢管混凝土基础施工效果和品质，施工方案设计人员全面进行考量，并利用了传统基础施工的优势，加强创新和改进，将底板更换为锥形的底板[3]。

在应用锥形钢管混凝土基础的过程中发现，使用锥形钢管混凝土立柱，能够有效改变和控制冻土的冻胀力方向，显著改善了混凝土立柱的粗糙程度，大大降低了冻土地区土体冻结强度，有效抑制了混凝土受拔时的扩张压力，切实增强了混凝土立柱基础的抗拉性能，满足输电杆塔稳定性要求，这也有效证明了锥形钢管混凝土基础更适用于冻土区域。

就底板采取锥形形状看，此种形式灵活程度高，可节省模板用量，方便混凝土浇筑施工，有效规避了配筋施工中产生的一系列问题，施工进度也得到保障。

6 结语

综上所述，锥型钢管混凝土基础优势特显明显，具有在实际工程中应用的可行性，将此基础应用在冻土地区输电杆塔施工建设中，提高了施工质量，解决了传统基础施工中的难题，优化了杆塔施工模式，值得推广和应用。