錐型鋼管混凝土基礎(chǔ)及運(yùn)用分析

王嘵磊

（北京城建華夏基礎(chǔ)建設(shè)工程有限公司，北京 101149）

1 引言

研究發(fā)現(xiàn)，提高鋼管混凝土中各類材料的利用率，在節(jié)約混凝土材料的同時(shí)，有效控制了鋼管混凝土柱的成本造價(jià)，具體應(yīng)用在工程項(xiàng)目中，保證了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。因此，有必要分析錐形鋼管混凝土基礎(chǔ)及其運(yùn)用情況，擴(kuò)大此種類型鋼管混凝土的應(yīng)用范圍，提高工程結(jié)構(gòu)的承載力水平，更好地保障工程品質(zhì)。

2 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

2.1 承載力水平高

鋼管與混凝土二者之間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，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(fā)生局部變形和屈曲的可能性更小，穩(wěn)定性比普通鋼管或混凝土更高，不易發(fā)生脆性斷裂問題[1]。

2.2 耐火性好

研究發(fā)現(xiàn)，鋼管混凝土在火災(zāi)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(zāi)救援爭(zhēng)取了更多的時(shí)間。受火災(zāi)因素影響，鋼管承載力有所下降，鋼管局部的荷載力會(huì)傳遞給混凝土，最大程度上優(yōu)化了鋼管和混凝土的承載力，發(fā)揮了鋼管混凝土的承載力作用，發(fā)揮了結(jié)構(gòu)的承載性能。

2.3 方便制作和施工

鋼管混凝土在實(shí)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(jiǎn)化了鋼筋制作、鋼筋切割、鋼筋綁扎等制作環(huán)節(jié)，節(jié)省了大量時(shí)間和人力，為后續(xù)的施工也提供了諸多的便利。將鋼管混凝土應(yīng)用在具體的建筑工程中，有效推進(jìn)工程施工進(jìn)度，保證施工進(jìn)度計(jì)劃的落實(shí)，保證工程項(xiàng)目在預(yù)計(jì)工期內(nèi)完工建設(shè)[2]。

2.4 方便逆作法施工

大量工程實(shí)踐證實(shí)，鋼管混凝土不僅可應(yīng)用在樁基礎(chǔ)施工中，而且可在逆作法施工中應(yīng)用。例如，將鋼管混凝土應(yīng)用在地下室結(jié)構(gòu)施工中，可將其視為上部結(jié)構(gòu)支撐，并結(jié)合施工圖設(shè)計(jì)要求和技術(shù)規(guī)范，使用沖、鉆等方式將預(yù)制的鋼管混凝土安裝就位，為后續(xù)施工作業(yè)的開展提供了便利，降低了施工難度，縮短了工程項(xiàng)目的工期，發(fā)揮了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的價(jià)值作用。

3 錐形鋼管混凝土的特點(diǎn)

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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加了傾斜角，構(gòu)成了圓錐形的中空夾層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了承載力水平，節(jié)約了材料的使用量。將錐形鋼管混凝土具體應(yīng)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(jià)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(jié)構(gòu)面全長(zhǎng)減小，最終減小到一定程度，形成一個(gè)傾斜的角度，充分節(jié)約了使用材料，材料成本費(fèi)用得到控制，可創(chuàng)造更大的項(xiàng)目效益。

4 錐形鋼管混凝土基礎(chǔ)構(gòu)件壓扭試驗(yàn)

4.1 設(shè)計(jì)試件

結(jié)合某工程施工需要，按照一定的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，將錐形鋼管混凝土基礎(chǔ)構(gòu)件錐度控制在合理范圍內(nèi)。為測(cè)試錐形鋼管混凝土基礎(chǔ)構(gòu)件應(yīng)用的可行性，對(duì)軸壓比（0、0.3、0.6）不同的3 種錐形鋼管混凝土基礎(chǔ)構(gòu)件展開測(cè)試，主要探究不同試件錐度與承載力之間的關(guān)系，具體試驗(yàn)情況見表1。

表1 不同軸壓比試件相關(guān)參數(shù)

4.2 制作試件

1）根據(jù)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行下料制作，剪切符合工程尺寸的鋼管（外鋼管、內(nèi)鋼管），使用專用的模具進(jìn)行固定，并進(jìn)行電焊焊接操作，操作人員嚴(yán)格把控焊接縫的質(zhì)量。

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

4.3 分析材料力學(xué)的相關(guān)性能

試驗(yàn)中，研究人員使用拉伸試驗(yàn)，測(cè)試了鋼管材料的力學(xué)性能，參照表2 有關(guān)參數(shù)進(jìn)行操作。選擇合適等級(jí)的混凝土，按照一定的配制比進(jìn)行制作，嚴(yán)格把控混凝土的強(qiáng)度，控制混凝土的坍落度和流動(dòng)度，并將混凝土內(nèi)部的澆筑溫度控制在8~10 ℃，將外部溫度控制在6~9 ℃。試驗(yàn)測(cè)得混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為49.28 MPa，彈性模量為34 000 MPa。試驗(yàn)裝置使用的是壓扭工作機(jī)，并借助千斤頂施加軸力，利用鋼絲繩和頂端端板對(duì)圓盤施加壓力。

表2 鋼管材料屬性參數(shù)

4.4 試驗(yàn)結(jié)果和討論

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)位移。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，試件上端靠近端板位置有明顯的位移現(xiàn)象。持續(xù)增加扭矩情況下，試件的變形呈現(xiàn)緩慢變化的趨勢(shì)，當(dāng)接近荷載極限時(shí)，試件的轉(zhuǎn)角出現(xiàn)急劇增加的情況。試驗(yàn)證實(shí)了試件的延伸性。本文研究發(fā)現(xiàn)，不同軸壓比試件并未出現(xiàn)明顯的扭斷現(xiàn)象，進(jìn)一步說明了鋼管與混凝土材料二者之間的協(xié)調(diào)性，有效均衡了變形情況。本研究中，不同錐度試件壓扭形態(tài)破壞程度明顯，當(dāng)荷載逐漸增加時(shí)，錐形鋼管混凝土頂端最先遭到破壞，但對(duì)鋼管混凝土整體的形態(tài)破壞性不顯著；當(dāng)荷載接近極限，有裂縫產(chǎn)生，但未破碎。試驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)了不同軸壓比對(duì)試件的承載力無顯著影響，不同的錐度對(duì)試件承載力產(chǎn)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(fā)生變形的可能性也就越大。

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知：錐形鋼管混凝土具有實(shí)際應(yīng)用的可行性，本文就錐形鋼管混凝土在凍土區(qū)域中的運(yùn)用情況展開分析。

5 錐型鋼管混凝土基礎(chǔ)在凍土區(qū)域的運(yùn)用

5.1 凍土區(qū)域概況

某凍土區(qū)域面積廣闊，凍土區(qū)域較多，海拔較高，凍土厚度不等（從幾米到百米），測(cè)試發(fā)現(xiàn)，凍土溫度在0~-2 ℃。為保證我國(guó)凍土區(qū)域輸電便利，加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)顯得尤為重要，因此，為保證電力輸送效果，亟須優(yōu)化凍土區(qū)域輸電線路桿塔設(shè)計(jì)，進(jìn)而保證凍土區(qū)域的電力供應(yīng)，滿足地區(qū)用電需要。

5.2 凍土土質(zhì)對(duì)輸電桿塔基礎(chǔ)的影響

研究發(fā)現(xiàn)，凍土土體結(jié)構(gòu)的垂直面和橫截面有不同厚度的結(jié)冰現(xiàn)象，凍土顆粒發(fā)生了不同程度的位移情況，導(dǎo)致凍土土體膨脹。當(dāng)凍土土體受到此種約束力作用時(shí)，引發(fā)了不同的凍脹力。因此，對(duì)此區(qū)域的擬建設(shè)的架空輸電新路產(chǎn)生了負(fù)面影響，嚴(yán)重影響到輸電桿塔的穩(wěn)定性。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，凍土產(chǎn)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(duì)桿塔施工產(chǎn)生了阻礙，容易造成桿塔上拔，威脅到桿塔的穩(wěn)定性，尤其在凍土開裂的情況下，桿塔失穩(wěn)嚴(yán)重。圖1為輸電桿塔基礎(chǔ)。

圖1 輸電桿塔基礎(chǔ)

5.3 科學(xué)選擇凍土地區(qū)的桿塔基礎(chǔ)

由上述分析發(fā)現(xiàn)，錐形鋼管混凝土基礎(chǔ)性能優(yōu)勢(shì)顯著，特點(diǎn)鮮明，具有實(shí)際應(yīng)用的可行性。因此，結(jié)合凍土區(qū)域基礎(chǔ)狀況，改變了傳統(tǒng)臺(tái)階式、板式的基礎(chǔ)開挖方式，更換為錐形鋼管混凝土基礎(chǔ)，有效改變了凍土凍脹力方向，降低了凍土基礎(chǔ)表面的結(jié)冰程度，改善了凍土縱橫截面的粗糙程度。由于凍土區(qū)域的土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，因此，在實(shí)際施工中，加強(qiáng)對(duì)施工工期的控制，避免過度擾動(dòng)凍土土體，控制錐形鋼管混凝土基礎(chǔ)的埋深要超出凍土的融化深度，并對(duì)凍土土體含水量進(jìn)行嚴(yán)格把控。在本項(xiàng)目中，主要建設(shè)了排水設(shè)施，將塔基周圍的積水排干凈。另外，為改善本區(qū)域土體的凍脹性，在基坑回填過程中，優(yōu)先選取的是非凍脹性材料。為保證錐形鋼管混凝土基礎(chǔ)施工效果和品質(zhì)，施工方案設(shè)計(jì)人員全面進(jìn)行考量，并利用了傳統(tǒng)基礎(chǔ)施工的優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)創(chuàng)新和改進(jìn)，將底板更換為錐形的底板[3]。

在應(yīng)用錐形鋼管混凝土基礎(chǔ)的過程中發(fā)現(xiàn)，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(qū)土體凍結(jié)強(qiáng)度，有效抑制了混凝土受拔時(shí)的擴(kuò)張壓力，切實(shí)增強(qiáng)了混凝土立柱基礎(chǔ)的抗拉性能，滿足輸電桿塔穩(wěn)定性要求，這也有效證明了錐形鋼管混凝土基礎(chǔ)更適用于凍土區(qū)域。

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

6 結(jié)語

綜上所述，錐型鋼管混凝土基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)特顯明顯，具有在實(shí)際工程中應(yīng)用的可行性，將此基礎(chǔ)應(yīng)用在凍土地區(qū)輸電桿塔施工建設(shè)中，提高了施工質(zhì)量，解決了傳統(tǒng)基礎(chǔ)施工中的難題，優(yōu)化了桿塔施工模式，值得推廣和應(yīng)用。