半逆作法地下空間鋼管混凝土柱的節點設計

顧云磊

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

按照《鋼管混凝土結構設計規范》[1]給出的定義，鋼管混凝土構件（Concrete-filled Steel Tubular members, CFST 構件）是一種在圓形、矩形或多邊形鋼管內部填充混凝土，由兩種材料共同承受外部荷載作用的構件形式，其優點在于：一方面，鋼管對內部混凝土提供側向約束，使其承載能力遠大于常規鋼筋混凝土，從而能有效減小柱截面尺寸；另一方面，內部混凝土的存在對鋼材起到了保護作用，從而減少了后期防腐、防火的維護成本。鋼管混凝土柱在高層建筑、廠房、橋梁中的應用較為成熟，近年來也多出現在采用逆作法施工的地鐵車站工程中，它將施工階段的臨時柱和使用階段的永久柱合二為一，是一種較為經濟合理的結構形式。

鋼管混凝土柱需根據結構布置及施工組織進行有針對性的設計，由混凝土環梁及環形牛腿承擔傳來的剪力，必要時還需對環梁的抗彎承載力進行補充分析。本文以南京市江北新區某半逆作法地下空間結構所采用的鋼管混凝土柱為例，對其梁柱節點的設計流程進行探討。

1 工程概況

南京市江北新區某超大型地下空間為地下六層結構，其中地下一層為商業層，地下二層為停車庫及地下環路，地下三層為停車庫及管廊，地下四層為地鐵站廳層，局部設置管廊夾層，地下五層為地鐵設備層，地下六層為地鐵站臺層。上三層由市政院設計，遠期將與各地塊商業連為整體，下三層由地鐵院設計，同地下空間合建。地下商業、車庫主體結構采用框架結構形式，地下環路、管廊采用箱涵結構形式，基礎采用平板式筏板基礎，抗浮不滿足時設置鉆孔灌注樁。

本案例為目前國內江邊軟土挖深最大的地鐵車站，標準段基坑深度約為45 m，基坑工程風險較大。經工法比選，采用半順半逆作法施工，鋼管混凝土柱從地面下放，單根最大長度達59m，鋼材采用Q345，混凝土采用C50。基坑開挖至地下三層底板后，首先向上施工地下空間結構，待封頂后再逆作開挖下部車站結構。鋼管柱柱身預設環形牛腿，待順作施工時澆筑環梁，使之與混凝土梁板形成受力整體。鋼管柱上三層現場照片如圖1，立面如圖2，地下三層結構平面布置如圖3。

圖1 現場照片

圖2 上三層立面簡圖（單位：mm）

圖3 地下三層結構平面布置圖（單位：mm）

2 梁柱節點形式

本案例層數較多，功能復雜，同一層內存在梁板與厚板兩種樓蓋體系，鋼管混凝土節點需考慮銜接，因地鐵車站、地下環路及商業主動線的功能需求，導致較多抽柱及托柱轉換的出現，故梁柱連接應被視作鋼管混凝土設計中的關鍵環節，給予特別的關注。中國建筑科學研究院在圖集《鋼管混凝土結構構造》[2]中給出了多種應用成熟的節點形式，綜合各種因素，本工程梁柱連接采用環梁- 環形牛腿節點，在與厚板相接的部位進行了改進，如圖4、圖5，柱頂節點采用下放鋼筋籠的形式，并將環形蓋板改進為法蘭環，以便于施工單位調整垂直度，如圖6。

圖4 環梁- 環形牛腿梁柱連接（單位：mm）

圖5 環梁- 環形牛腿梁柱連接剖面圖

圖6 圓鋼管混凝土柱的頂端連接（單位：mm）

3 環梁- 環形牛腿梁柱連接節點設計

3.1 環梁- 環形牛腿梁柱連接節點的傳力機制

方小丹等曾利用試驗揭示了環梁- 環形牛腿梁柱連接節點的傳力機制[3]。試驗結果表明，此類節點通過繞鋼管設置的鋼筋混凝土環梁傳遞彎矩，通過繞鋼管焊接于環梁內的環形鋼筋或環形牛腿傳遞剪力。由于框架梁主筋僅錨固在環梁混凝土內，現場施工方便，鋼管無需與鋼筋焊接或開孔使其穿過，內部相應位置也無需加強。

同濟大學則通過精細化有限元數值模擬對此類節點的承載力進行了對比研究[4]。計算結果表明，該節點可以滿足“強柱弱梁”及“強節點弱構件”的抗震設計要求，其極限承載力性能遠高于設計水準，具有足夠的安全冗余，且對斜交梁系不敏感。相關分析還指出，環梁縱筋配筋率不是該節點承載力的主要影響因素，因此當節點需要局部加強時，可從環梁尺寸、抗剪環布置、箍筋等方面著手考慮。

3.2 環梁- 環形牛腿梁柱連接節點的抗剪設計

環梁所承受的框架梁梁端剪力主要通過三個途徑傳遞給鋼管混凝土柱[5]：（1）通過環梁混凝土與抗剪環接觸面的局部承壓作用力將剪力由環梁傳遞到抗剪環上，再通過抗剪環與鋼管間的焊縫將剪力傳遞到鋼管上；（2） 環梁混凝土與鋼管之間的粘結作用；（3）梁端彎矩引起環梁上端或下端擠壓鋼管混凝土柱而產生的靜摩擦力。《鋼管混凝土結構技術規范》[1]僅計入上述三個途徑中的第一個，給出環形牛腿抗剪承載力計算公式如下：

式中：Vu1=π（D + b）bfc，為由環形牛腿支承面上的混凝土局部承壓強度決定的受剪承載力，N；Vu2=nhwtwfv，為由肋板抗剪強度決定的受剪承載力，N；Vu3=∑lwhefwf，為由肋板與管壁的焊接強度決定的受剪承載力，N；Vu4=π（D + 2b）l·2ft，為由環形牛腿上部混凝土的直剪或沖切強度決定的受剪承載力，N；Vu5=4πt（hw+ t）fs，為由環形牛腿上下環板決定的受剪承載力，N；D 為鋼管外徑，mm；b 為環板寬度，mm；l 為直剪面高度，mm；t 為環板厚度，mm；n 為肋板數量，hw為肋板高度，mm；tw為肋板厚度，mm；fv為鋼材抗剪強度設計值，MPa；fs為鋼材抗拉強度，MPa；強度設計值，MPa；∑lw為肋板與鋼管壁連接角焊縫的計算總長度，mm；he為角焊縫有效高度，mm；fwf為角焊縫抗剪強度設計值，MPa；fc為樓蓋混凝土抗壓強度設計值，MPa；ft為樓蓋混凝土抗拉強度設計值，MPa。

在本案例中，環形牛腿所承擔剪力來自與鋼管混凝土柱相交梁板，其數值多在1 500 kN 至3 000 kN 之間，最大值約為6 700 kN。結合相交梁高度，可將環梁節點按肋板數量及環梁高度分為三類，見表1。

表1 環梁節點分類

此外，在鋼管外表面環梁高度范圍內還均勻設置了抗剪栓釘，栓釘直徑25 mm，長度100 mm，豎向間距150 mm，環向間距20°，單個栓釘的抗剪承載力設計值約為103 kN。抗剪栓釘不參與抗剪計算，僅作為安全儲備。

3.3 環梁- 環形牛腿梁柱連接節點的抗彎設計

框架梁與鋼管混凝土柱之間的彎矩傳遞以環梁為中介[5]：當框架梁端傳來負彎矩時，環梁下端擠壓鋼管混凝土柱，柱反作用于環梁并產生抵抗彎矩，該抵抗彎矩與本層樓板的約束作用相疊加，共同減小了環梁上部與柱之間的脫離趨勢。若將框架梁端負彎矩分解為環梁上部和下部的一對拉力和壓力，則拉力由環梁上部環筋與樓板共同承擔，壓力由環梁下部混凝土承擔并傳遞給鋼管混凝土柱。此傳遞過程一般無需計算，但需滿足相應構造要求，以保證環梁不先于框架梁端出現塑性鉸。

環梁需滿足的構造要求包括：環梁高度宜比框架梁高50 mm，環梁寬度不宜小于框架梁寬度，框架梁縱向鋼筋在環梁內應滿足相應錨固長度，環梁上下環筋的截面積應分別不小于框架梁上下縱筋的0.7 倍等。設計時應結合相交梁截面確定基本環梁尺寸，再根據剪力計算情況進行歸并，同時考慮梁下凈高、板面高差、開洞位置等因素的影響。

為驗證環梁節點的抗彎特性，找出需要局部加強的薄弱部位，建立三維彈性有限元模型對位于地下二層的抗彎最不利節點進行初步分析。該節點一端與托柱轉換梁相連，其余方向均為普通梁，由此產生較大單側彎矩，其最大梁端彎矩為4 500 kN，不平衡彎矩為3 200 kN。該節點尺寸及配筋如圖7，有限元計算模型如圖8。梁端彎矩及剪力取1.3D+1.5L，柱底為剛性約束，忽略混凝土梁配筋，忽略鋼管與環梁混凝土之間的粘結滑移影響。

圖7 節點尺寸及配筋（單位：mm）

圖8 有限元計算模型

節點的Von Mises 應力云圖如圖9。可知應力峰值點位于轉換梁與環梁相接面上部兩側凹口處（位置1），其值為211.0 MPa。忽略梁配筋影響，則該處混凝土將出現局部開裂，成為整個節點的最薄弱環節。相應位置混凝土柱峰值應力為46.3 MPa （位置2），鋼管峰值應力為89.0 MPa（位置3），說明混凝土環梁起到了良好的緩沖作用，應力被消解在環梁內部的環筋和箍筋中。在實際設計中，為避免轉換梁端出現裂縫，除了按構造要求配置環梁環筋外，還應在保證環梁箍筋直徑不小于相交梁的基礎上，對應力峰值附近箍筋進行局部加強，可將轉換梁及兩側各0.5 m 范圍箍筋截面加大一級。

圖9 Von Mis e s 應力云圖

最后，根據《鋼管混凝土結構技術規范》[1]附錄D對環梁環筋實配面積及箍筋單肢面積進行復核，當環梁環向鋼筋的強度等級與框架梁相同、環向鋼筋直徑相同且水平間距相等時，在考慮樓板作用的條件下，環梁受拉環筋面積及箍筋單肢面積可按以下公式計算：

式中：Ash為環向鋼筋截面面積，mm2；Ask為框架梁梁端受拉鋼筋面積，mm2；Asv為環梁箍筋單肢箍面積，mm2；fy為環梁環向鋼筋受拉強度設計值，MPa；γH為箍筋夾角，rad；fyv為箍筋抗拉強度設計值，MPa；αv為閉合箍筋計算系數。

經復核，Ash= 0.70×12 860= 9 002，實配9 650，Asv= 0.19×360×12 860×0.105 3/（360×3）≈86，實配113（框架梁端為154），均滿足上述公式要求。

4 結語

南京市江北新區某半逆作法地下空間結構采用鋼管混凝土柱兼做臨時柱及永久柱，其梁柱節點設計對于類似結構具有一定的借鑒意義。

（1）鋼管混凝土柱在采用半逆作法施工的地下空間結構中具有良好的適應性；

（2）本工程中所采用的環梁- 環形牛腿梁柱連接節點具有足夠的抗剪及抗彎性能，在設計中應注意轉換梁等不利情況，對環梁薄弱環節的配筋進行局部加強；

（3）在后續的進一步研究中，將對最不利梁柱連接節點進行考慮實際配筋的非線性有限元分析，以期對該節點的受力特性及破壞情況進行更準確的模擬。