蓋挖逆作法地鐵車站鋼管混凝土柱設(shè)計

王涵平

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司 天津 300308）

城市中心地區(qū)的地鐵車站多處于交通繁忙的道路，為減少地鐵施工對臨近建筑和地面交通的影響，通常采用蓋挖逆作法進行施工。由于立柱需在基坑開挖前先施做，且底板澆筑前結(jié)構(gòu)的豎向荷載均由立柱及圍護結(jié)構(gòu)承受，因此蓋挖逆作法車站通常采用高強度混凝土鋼管柱作為立柱。

1 鋼管混凝土柱受力特點

鋼管混凝土柱是在鋼管內(nèi)填入混凝土所形成的組合結(jié)構(gòu)，具有承載力高、延性好等特點[1]。鋼管混凝土柱可以將混凝土與鋼構(gòu)件兩者的優(yōu)勢相結(jié)合，鋼管內(nèi)的核心混凝土在受到軸向壓力的同時還受到側(cè)向鋼管的約束作用，確保混凝土處于三向受壓狀態(tài)，提高了混凝土的抗壓強度；而內(nèi)部混凝土又可限制外部鋼管的受壓屈曲，提高鋼管混凝土柱的塑性性能[2]。

2 鋼管混凝土柱節(jié)點設(shè)計

蓋挖法施工需先施做圍護結(jié)構(gòu)和中間立柱，對結(jié)構(gòu)頂板和頂縱梁起支撐作用。中間立柱根據(jù)不同使用時期的功能可以分為永久立柱及臨時立柱兩種，其中永久立柱是車站的主體結(jié)構(gòu)，在施工及正常使用階段都作為主要的受力構(gòu)件，臨時立柱只是在施工期間作為支撐結(jié)構(gòu)，施工完工后則將其進行拆除。在設(shè)計中有時也會將臨時立柱作為永久結(jié)構(gòu)的一部分，施工墻板結(jié)構(gòu)時不拆除，并在臨時立柱外緣澆筑混凝土[3]。在設(shè)計過程中立柱體系的選擇、柱網(wǎng)布置不僅需要滿足結(jié)構(gòu)的要求，同時也要考慮建筑布局、工期造價、承載體系的合理性等。

2.1 節(jié)點構(gòu)造設(shè)計

蓋挖逆作法車站設(shè)計的關(guān)鍵點在于鋼管柱與鋼筋混凝土縱梁兩種不同材料的有效連接。鋼管柱和鋼筋混凝土梁之間的節(jié)點主要分為柱與頂縱梁、中縱梁及底縱梁三種節(jié)點連接形式。其中與頂縱梁連接節(jié)點的設(shè)計較為簡單，通常是由環(huán)形蓋板和抗剪牛腿組成，鋼管柱和頂縱梁之間通過鋼管柱內(nèi)附加縱筋連接，從而滿足頂節(jié)點的豎向承載和水平抗剪要求。由于鋼管柱不伸入到頂縱梁內(nèi)部，縱梁鋼筋無需截斷，使得頂縱梁具有較好的整體性。

圖1 鋼管柱與頂縱梁連接節(jié)點圖

與中縱梁連接節(jié)點由抗拉鋼板、抗拉鋼板支撐板、栓釘及抗剪牛腿構(gòu)成?？v梁的上部受拉鋼筋焊接于抗拉鋼板上，下部受壓通長鋼筋通過鋼管柱外側(cè)縱梁范圍繞行，其余受壓鋼筋采用機械錨固形式。栓釘通過焊接與鋼管柱相連，即可以增加縱梁與鋼管柱連接的整體性，又可以承受縱梁傳遞來的剪力。

地鐵車站底縱梁受力特點與中縱梁相反，梁柱節(jié)點下部承受的拉力，上部承受壓力。根據(jù)車站的凈空及建筑要求，當(dāng)?shù)卓v梁采用上翻梁時，節(jié)點形式構(gòu)造形式類似于中縱梁節(jié)點，梁的下部受拉鋼筋焊接于抗拉鋼板上，上部受壓鋼筋采用機械錨固形式。當(dāng)?shù)卓v梁采用下翻梁時，由于梁的部分突出結(jié)構(gòu)底板，通常采用外擴節(jié)點的形式，如圖3所示。

圖2 鋼管柱與中縱梁連接節(jié)點圖

圖3 底縱梁下翻時外擴節(jié)點圖

2.2 節(jié)點計算

可根據(jù)節(jié)點框架梁的最大剪力V計算抗拉鋼板的寬度及厚度?？估摪逋馓舫叽鐟?yīng)大于 5d（d 為梁縱筋直徑），且要求 π（D+b）bβfc＞V，式中：D為鋼管柱外徑，β為混凝土局部承壓提高系數(shù)，b為抗拉鋼板的寬度，fc是混凝土抗壓強度設(shè)計值；鋼板的凈截面抗拉強度應(yīng)大于焊接于鋼板上縱梁鋼筋的面積與抗拉強度的乘積?？估摪宓暮穸萾≥ ■ 6 M/f ，其中M根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點設(shè)計手冊》取值[4]。

3 結(jié)語

綜上所述，蓋挖逆作工法施工的地鐵車站中梁柱節(jié)點的整體性是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，在設(shè)計中要首先明確節(jié)點的傳力機理，依據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范進行設(shè)計驗算，且在計算分析中，充分考慮節(jié)點剛度對整體模型的影響。由于鋼管混凝土柱的構(gòu)件多為焊接連接，因此在設(shè)計中應(yīng)對焊接的方式和質(zhì)量提出相應(yīng)的要求。

[1]李偉強，唐興榮，賈歡.空間鋼構(gòu)架-鋼管混凝土短柱軸壓承載力計算方法[J].廣西大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，41（3）：607～614.

[2]楊志勇.方鋼管混凝土短柱軸壓性能分析[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

[3]江凱.蓋挖法地鐵車站結(jié)構(gòu)受力分析及數(shù)值模擬研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2013.

[4]劉 瑜，王玉良.地鐵車站鋼管混凝土柱設(shè)計研究[J].低溫建筑技術(shù)，2012，34（12）：32～33.