鋼管式格構柱在地鐵車站中的應用

文/中交第一航務工程局有限公司 張力 王亞強

格構柱在地鐵車站基坑中被廣泛使用，特別是在基坑跨度較大的工況。由于跨度較大，為保證支撐的穩定往往在基坑內設置格構柱，以達到減少跨距和固定支撐的目的。目前，在地鐵車站內使用的格構柱基本上均是按照《建筑基坑支護結構構造》（11SG814）圖集里“鋼格構立柱及立柱樁和鋼格構柱拼接構造圖”設計的角鋼焊接式格構柱。此格構柱加工時工序較多、周期較長、工費較高、占用場地較大，且由于焊接較多，角鋼的順直度、焊縫質量等都難以保證。如采用鋼管式格構柱，上述問題可以得到有效解決。

工程實例概況

哈爾濱市軌道交通3號線某標段共包含兩站一區間。其中一車站主體基坑長482m、寬19.7m、深約17.112m，設格構柱63根。另一車站主體基坑長230m、寬19.7m、深約16.7m，設格構柱25根。初步設計均為傳統角鋼焊接式格構柱。

車站均位于道路交叉口城市主干道之下，車流量大，施工期間為保證道路的正常通行，施工圍擋場地較小，格構柱加工場地受限。另外，哈爾濱冬期較長，每年有效施工時間僅為7個月，對進度要求較高。

格構柱設計

在初步設計階段，均采用傳統角鋼焊接式格構柱，采用Q235B鋼材，以四根L160×160×16mm角鋼為主，由規格為400×300×14mm的綴板間距800mm焊接連成整體。

根據施工經驗，結合現在施工條件，經研究分析，改為整體鋼管式格構柱替代原方案。該整體鋼管式格構柱采用φ406、t=14mm鋼管，同時對格構柱、連系梁、鋼支撐直接的連接節點進行優化匹配（如表1所示）。

表1 角鋼焊接式與鋼管式格構柱設計圖對比

構件受力分析

角鋼式格構柱

格構柱為軸心受壓構件，傳統工法中的格構柱主要由肢件（角鋼）、綴材（綴板）構成，肢件（角鋼）承受軸向壓力，綴板的作用是將肢件連成整體，并能承擔剪力，對焊縫要求較高，對偏心受壓適應能力較差。

根據《建筑基坑支護結構構造》（11SG814）圖集P63頁，鋼格構立柱常用規格及承載力選用表可知：Q235b材質4L160×16角鋼式格構柱最大承載力為N角=2410kN。

整體鋼管式格構柱

鋼管式格構柱作為圓形整體鋼構件，受力更加明確，且各向同性，不僅滿足豎向承載力，同時加強了格構柱水平抗彎剛度，提高內支撐整體穩定性。

根據《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）第5.2.5節，彎矩作用在兩個主平面內的雙軸對稱實腹式工字形（含H形）和箱形（閉口）截面的壓彎構件，其穩定性應按下列公式計算：

表2 鋼格構立柱常用規格及承載力選用表（部分）

經過計算可知：

截面積：A=17241.1mm2

彈性模量： E=206000 N/mm2

解之得：φ406、t=14mm鋼管柱最大承載力N管=2413.25KN

由以上計算結果可知，采用φ406、t=14的鋼管式格構柱和4L160×16角鋼式格構柱承載力均可滿足施工需求。

施工工藝對比

施工進度與質量控制

傳統角鋼焊接式格構柱，施工時要先對鋼板進行切割，再進行拼裝焊接，且由于焊縫較多，施工速度較慢，高溫也容易導致角鋼變形，格構柱的順直度和焊縫質量等難以保證。另外，在結構施工時，需要對格構柱內泥砂進行清理沖洗，以確保結構質量及防水效果。

整體鋼管式格構柱，只需簡單連接即可使用（焊接或螺栓連接均可），順直度較好，基本無焊接質量隱患。另外，柱下方灌注樁混凝土澆筑完成后可對鋼管柱上方加蓋封堵，避免泥砂流入鋼管內，結構施工時減少了清理泥砂的工作量。

安全環保與場地需求

傳統角鋼焊接式格構柱，施工時鋼板切割、焊接等作業用時較長，焊工用量較多，需要較大的加工場地進行拼、焊接作業；另外，焊接作業所產生的光、煙霧對人和環境均會造成危害；且氧氣乙炔切割作業也是一大安全隱患。

整體鋼管式格構柱，鋼管運至現場后可直接使用，基本無需加工，使用方便快捷，經濟環保，占用施工場地較小，且不會帶來因焊接質量而產生的安全隱患。

節點施工及后期處理

傳統角鋼焊接式格構柱，結構施工時板鋼筋可以直接從孔隙中穿過或繞過，結構鋼整體性較好。但需在板厚中間部位格構柱內外焊接止水環，防止地下水沿角鋼側壁進入結構內部。由于格構柱綴板間隔設置不連續，中間有空間且有錯臺，內外止水環下料及焊接作業較為困難，因而止水效果得不到保證。

整體鋼管式格構柱，結構施工時板鋼筋需斷開，鋼筋按照孔洞加強處理可滿足規范結構受力要求。由于管壁是封閉的，內外止水環可隨意確定焊接位置，且止水環與鋼板連接密切，下料及焊接作業較為簡單，止水效果較好。

經濟效益分析

一方面，采用整體鋼管式格構柱，鋼管材料單價較角鋼焊接式格構柱有所增加，但整體鋼管式格構柱所耗費的鋼材總量較傳統角鋼焊接式格構柱大大減少，此標段格構柱僅鋼材節約成本約22.6萬元。另一方面，整體鋼管式格構柱無需現場加工，可直接連接使用，大幅減少電焊工的用量，每噸可節約人工費、機械費1000元左右。兩站格構柱共節約60余萬元。在人力資源昂貴且匱乏的今天，該項優化經濟效益顯著。

另外，市場上常見鋼板為定尺，采用傳統角鋼焊接式格構柱在加工過程中綴板加工會產生部分廢料，造成資源浪費。而整體鋼管式格構柱基于其預制整體性，基本無廢料產生，該類構件經檢驗處理后，可進行二次利用，帶來較大的二次效益。

結語

經過施工檢驗，采用整體鋼管式格構柱，與傳統角鋼焊接式格構柱相比，受力明確、抗彎剛度大；施工方便、節省工程造價；安全環保、占用施工場地較小。整體鋼管式格構柱在地鐵施工中有較為廣闊的應用前景。