某明挖地鐵車站鋼管混凝土柱及節(jié)點設計研究

文/李義龍

1 項目概況

青島某地鐵車站為地下兩層框架結構，車站長425m，寬98.8m，車站服務于高鐵、地鐵功能；地下一層為站廳層，層高8m；地下二層為站臺層，高鐵部分層高10.2m，地鐵部分層高7m。車站上部有兩層GTC 建筑，結構形式為框架結構。

2 鋼管混凝土柱設計

地鐵車站采用縱梁結構體系，框架柱采用鋼管混凝土柱，鋼管混凝土柱直徑為1200mm，鋼管壁厚為25mm，采用Q345B 鋼材，鋼管內(nèi)灌注C60 自密實混凝土，車站采用明挖法施工。車站結構采用SAP2000 進行三維整體計算，荷載主要考慮結構自重、側(cè)墻水土壓力、設備荷載、混凝土收縮徐變、溫度荷載、地震作用等影響。經(jīng)整體計算，鋼管混凝土柱的控制內(nèi)力見下表1。

表1 鋼管混凝土柱的控制內(nèi)力表

按《組合結構設計規(guī)范》（JGJ 138-2016）對鋼管混凝土柱受力進行計算，該鋼管混凝土柱的套箍系數(shù)= 0.97，該鋼管混凝土柱軸心受壓承載力設計值 為Nu= 0.9?e?lAcfc(1 + αθ)=49308.34kN，根 據(jù)整 體受力結果，鋼管混凝土柱軸力N＜Nu，承載力滿足要求[1]。

3 鋼管混凝土柱梁柱節(jié)點設計

鋼管混凝土柱作為地鐵車站中的主要豎向受力構件，承擔著地鐵車站的大部分荷載，這部分荷載要通過梁柱連接節(jié)點傳遞至鋼管混凝土柱上，同時需要滿足“強柱、弱梁、強節(jié)點”設計[2]。根據(jù)研究梁柱節(jié)點設計尤為重要，本節(jié)對該項目鋼管混凝土柱梁柱節(jié)點設計進行分別介紹。

3.1 柱頂節(jié)點設計

本項目鋼管混凝土柱柱頂與頂梁的連接節(jié)點采用端承式節(jié)點，端承式柱頂節(jié)點一般由上環(huán)板、肋板和下環(huán)板組成，鋼管混凝土柱柱內(nèi)配置豎向短鋼筋籠，兩端分別錨入鋼管混凝土柱內(nèi)和頂縱梁內(nèi)，錨固長度滿足規(guī)范要求[3]。端承式柱頂節(jié)點豎向剪力由肋板承擔，水平剪力由柱內(nèi)鋼筋籠承擔，并應驗算上環(huán)板處混凝土的局部承壓。本項目為滿足柱頂剛接，實現(xiàn)柱頂彎矩的傳遞，采用將上環(huán)板上布置錨筋，錨筋與上環(huán)板穿孔塞焊，通過錨筋來傳遞彎矩。

本項目柱頂縱梁截面為1800mm×2400mm，柱頂節(jié)點頂板采用八邊形布置，頂板厚度為60mm，采用Q345B 鋼材；沿鋼管柱均布24 道豎向肋板，肋板厚度25mm；豎向肋板下布置下環(huán)板，厚度35mm。

根據(jù)整體計算模型，鋼管混凝土柱柱頂控制內(nèi)力見下表2：

表2 鋼管混凝土柱柱頂控制內(nèi)力表

根據(jù)控制內(nèi)力，柱頂節(jié)點按按壓彎進行設計，錨筋抗彎承載力計算按預埋件方式進行計算，經(jīng)計算，需配錨筋面積為39750mm2，實配錨筋10428，滿足要求；錨筋采用HRB400 鋼筋，與頂板以穿孔塞焊進行連接；錨筋與縱梁鋼筋平行布置，方便縱梁鋼筋排布，布置見下圖1。

圖1 柱頂節(jié)點布置圖

3.2 中間層梁柱節(jié)點設計

鋼管混凝土柱中間層梁柱節(jié)點采用承重銷式連接節(jié)點，框架梁在節(jié)點區(qū)梁端部進行擴大，形成擴大頭；部分梁縱筋通過彎繞進行貫通，受鋼管混凝土柱影響無法貫通的梁縱筋焊接與鋼筋連接板上，且根據(jù)規(guī)范規(guī)定宜保證有一半梁鋼筋貫通。梁端剪力通過承重銷進行傳遞，承重銷采用穿心腹板形式，翼緣在鋼管內(nèi)延伸一部分，見圖2[4]。中間層梁柱節(jié)點計算如下：

圖2 中間層梁柱節(jié)點布置圖

3.2.1 承重銷抗剪設計

中間層梁截面為1200mm×1400mm，根據(jù)整體模型計算，梁端最大剪力為2750kN，剪力全由承重銷進行承擔，本節(jié)點承重銷截面為H650×420×35×35。

根據(jù)規(guī)范，承重銷的受剪承載力：

Vu= min{Vu1,Vu2,Vu3}= 3328.54kN＞V=2750kN，滿足要求。

其中：Vu1= 0.75β2fcAl= 3556.75kN

3.2.2 鋼筋連接板承載力驗算

梁鋼筋連接板主要連接受鋼管影響無法貫通的鋼筋，根據(jù)設計，節(jié)點板最多連接12 根直徑32mm 的HRB400 鋼筋，連接板厚35mm，寬900mm。

根據(jù)《鋼管混凝土結構技術規(guī)范》（GB50936-2014）式7.2.1，板的最小厚度

3.3 柱腳節(jié)點設計

本工程基底位于中風化砂巖上，承載力較高，鋼管混凝土柱柱腳節(jié)點可采用外露式節(jié)點，外露式節(jié)點主要由環(huán)形底板、加勁肋和剛性錨桿組成；柱腳節(jié)點位于基底底縱梁上，縱梁截面為2400mm×2600mm。節(jié)點計算時需驗算柱腳下混凝土的局壓承載力和抗剪承載力，另外還需驗算錨栓在偏心受壓狀態(tài)下的承載力，同時柱腳底的環(huán)形底板及加勁肋也需進行驗算。

根據(jù)整體模型計算結果，鋼管混凝土柱柱腳控制內(nèi)力見下表3：

表3 鋼管混凝土柱柱腳控制內(nèi)力

3.3.1 對柱底板下混凝土承載力驗算，控制工況為工況三，根據(jù)公式：

Nl= 28300.2 ≤π(D - 2t)(t + 3.5h) β2fc= 35828.5kN

柱底混凝土承載力滿足規(guī)范要求。

3.3.2 錨栓驗算

根據(jù)《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》（JGJ 99-2015）柱腳錨栓按混凝土壓彎構件進行驗算。根據(jù)設計，受拉側(cè)錨栓面積As = 16534mm2，最不利工況為工況二，柱腳彎矩2431kN.m，鋼管柱軸力6122.4kN。

計算時，圓形截面柱根據(jù)規(guī)范可等效為正方形截面進行驗算等效截面等效寬度b=1.76r=1724mm，等效h0=1.6r=1568mm。在軸力N=18164.8kN 作用下，最大抗彎承載力M=8918kN.m＞2431kN.m，滿足規(guī)范要求。

3.3.3 柱腳地震作用驗算

根據(jù)《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》（JGJ 99-2015）應進行柱腳極限受彎承載力驗算。該驗算工況下，最不利計算工況為工況一，該工況下鋼管柱Ny=5665.8kN，N/Ny=0.183＜0.2，鋼管柱的全塑性受彎承載力Mpc=Mp=11564kN.m。

柱腳錨栓按混凝土壓彎構件進行驗算，取材料標準值進行錨栓受變承載力計算。在軸力N=5665.8kN作用下，最大抗彎承載力M=11806kN.m＞Mpc，滿足規(guī)范要求。柱底節(jié)點布置圖見圖3。

圖3 柱底節(jié)點布置圖

4 結語

地鐵車站作為城市公共交通的重要一環(huán)，其重要性不言而喻。鋼管混凝土柱是地鐵車站的主要受力構件，在設計時需重點考慮，同時由于地鐵車站鋼管混凝土柱與高層結構不同，其節(jié)點受施工工法影響，不同的施工工法需采用不同的節(jié)點連接形式，節(jié)點設計時應明確采用何種施工方式。本文從實際案例出發(fā)，介紹了地鐵車站鋼管混凝土柱的設計及其與各層節(jié)點連接的設計，以此為后續(xù)設計提供參考。