天津某地鐵站地下結(jié)構(gòu)框架柱加固設(shè)計(jì)

王 蒙

(天津市建筑科學(xué)研究院有限公司)

一、工程概況

該地鐵車站原設(shè)計(jì)為地下三層（地鐵車站）、地上五層（物業(yè)開(kāi)發(fā)）鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其零層板及以下結(jié)構(gòu)土建施工已完成。后地上擬建為八層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。由于地上結(jié)構(gòu)層數(shù)及使用功能的改變，原設(shè)計(jì)單位經(jīng)初步核算，提出對(duì)該站地下三層結(jié)構(gòu)約 140根框架柱進(jìn)行加固的方案。受業(yè)主委托，對(duì)該工程進(jìn)行復(fù)核計(jì)算及加固優(yōu)化設(shè)計(jì)。原設(shè)計(jì)單位提供了地鐵車站及相鄰區(qū)域的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，本設(shè)計(jì)在保持該計(jì)算模型基本數(shù)據(jù)不變的前提下進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。

二、主要計(jì)算過(guò)程、結(jié)果及分析結(jié)論：

使用的計(jì)算軟件為中國(guó)建筑科學(xué)研究院 PKPM系列，其整體結(jié)構(gòu)模型如圖 1所示。原設(shè)計(jì)施工方案采用逆施法，將部分基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱與地鐵車站混凝土框架柱共同澆筑，形成型鋼混凝土框架柱，并在施工圖（柱配筋詳圖）中明確示出。

本工程根據(jù)隱蔽工程現(xiàn)場(chǎng)變形檢測(cè)記錄，復(fù)核考慮格構(gòu)柱內(nèi)型鋼作用。以KZ-A-2截面為例，其截面如圖2所示，因目前建模無(wú)法模擬格構(gòu)柱式型鋼混凝土柱，故在計(jì)算時(shí)，按等軸向剛度，且盡可能使抗彎剛度和抗剪剛度接近格構(gòu)柱的剛度原則，代換為帶翼緣的十字形實(shí)腹式型鋼混凝土柱，目前軟件編制以規(guī)程[1]為依據(jù)。為摸索其計(jì)算結(jié)果的特點(diǎn)，我們又按規(guī)程[2]的簡(jiǎn)化疊加法進(jìn)行了手算復(fù)核（該部分內(nèi)容從略）。并采用SATWE和PMSAP分別計(jì)算用以比較分析，代換后截面如圖3所示。

規(guī)程[1]4.3.3指出：型鋼混凝土柱的保護(hù)層厚度不宜小于 120mm，而本工程型鋼柱保護(hù)層厚度為75mm，考慮到格構(gòu)式型鋼混凝土柱四個(gè)角鋼已靠近柱內(nèi)主筋，故將角鋼視為鋼筋混凝土柱內(nèi)主筋進(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)按規(guī)程[1]的 4.2.2條規(guī)定，將格構(gòu)式型鋼混凝土框架柱按等剛度原則代換為混凝土框架柱建模計(jì)算。以圖 2的KZ-A-2為例，其代換為 880X880混凝土框架柱。由此得出配筋計(jì)算結(jié)果小于代換為十字形實(shí)腹式型鋼混凝土框架柱的結(jié)果。對(duì)此，仍取上述兩類簡(jiǎn)化模型得出的最不利內(nèi)力值作為加固設(shè)計(jì)依據(jù)。

圖1 結(jié)構(gòu)整體模型

圖2 原格構(gòu)柱截面

圖3 代換后實(shí)腹式截面

經(jīng)過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析核算，如地上結(jié)構(gòu)為八層鋼筋混凝土框架或框-剪結(jié)構(gòu)時(shí)，原結(jié)構(gòu)筏板基礎(chǔ)配筋、沉降、樁基承載力及框架梁均滿足設(shè)計(jì)要求。地下結(jié)構(gòu)部分框架柱不滿足承載力要求，需采取加固措施。

三、初步加固方案

經(jīng)計(jì)算，地鐵車站需加固框架柱數(shù)目由原設(shè)計(jì)單位方案的140根優(yōu)化到87根。原方案加固柱較多，經(jīng)分析和了解到上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位未充分考慮格構(gòu)型鋼的有利作用，因而對(duì)單側(cè)最小配筋率不足的型鋼混凝土框架柱均進(jìn)行了加固（部分型鋼混凝土框架柱單側(cè)最小配筋率為0.19%，規(guī)范[3]中規(guī)定柱縱向鋼筋每一側(cè)配筋率不應(yīng)小于0.2%）。對(duì)此，考慮格構(gòu)式型鋼柱在逆做法施工過(guò)程中的變形較小，除去極個(gè)別型鋼柱以外，均可考慮其實(shí)際作用，在計(jì)算柱配筋率時(shí)，應(yīng)考慮型鋼的貢獻(xiàn)。部分型鋼混凝土框架柱盡管單側(cè)最小配筋率不滿足規(guī)范要求，但柱計(jì)算配筋小于實(shí)配鋼筋，同時(shí)柱軸壓比小于軸壓比限值較多時(shí)，亦可不必對(duì)單側(cè)最小配筋率不足的柱均進(jìn)行加固。因此未對(duì)單側(cè)最小配筋率不足，軸壓比在0.23-0.59間的抗震等級(jí)為三級(jí)的型鋼混凝土框架柱（軸壓比限值0.90）和軸壓比在0.10-0.43間的抗震等級(jí)為一級(jí)的型鋼混凝土框架柱（軸壓比限值0.70）進(jìn)行加固。

本工程中選用傳統(tǒng)方法的改進(jìn)方法，即外粘型鋼與增大截面聯(lián)合應(yīng)用的“綜合法”，從整體概念上具備較大安全儲(chǔ)備。本工程柱未加固時(shí)軸壓比在 0.10-0.72之間，剪跨比在2.5-3.8之間，不屬于短柱。對(duì)于需要加固的柱采用濕包鋼灌注的外粘型鋼加固法，形成外套豎向空間構(gòu)架組合結(jié)構(gòu)，不僅自身具有較高的承載力，而且對(duì)核心混凝土的約束作用使混凝土處于三向壓力狀態(tài)，從而提高了混凝土材料的強(qiáng)度和延性。

四、優(yōu)化加固方案：

我們?cè)诒３稚喜拷Y(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)不變的基礎(chǔ)上分析，同時(shí)也對(duì)上部結(jié)構(gòu)的體系、荷載取值等提出了修改建議，如可否在不影響地鐵車站正常使用的前提下在地鐵車站區(qū)域增加少量剪力墻，或?qū)⒓袅侠聿贾糜谂c地鐵車站無(wú)關(guān)的區(qū)域，以減輕水平地震作用對(duì)需加固框架柱的影響；嘗試將地鐵車站范圍內(nèi)地上一層結(jié)構(gòu)框架柱柱底定義為鉸接，或另做作為首層柱基礎(chǔ)的局部筏基與需加固區(qū)域零層板之間可自由滑動(dòng)等措施，考察當(dāng)?shù)厣辖Y(jié)構(gòu)對(duì)地下需加固的框架柱不產(chǎn)生任何彎矩的前提下地下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力形態(tài)；可否減輕上部結(jié)構(gòu)的荷載等。經(jīng)與上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位協(xié)商，并經(jīng)專家論證，上部結(jié)構(gòu)各層樓面恒載降為 6.5kN/m2，活載降為3.5kN/m2。進(jìn)過(guò)比較分析，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位提供的模型中的零層板上靜載活載對(duì)地下結(jié)構(gòu)框架柱的影響亦較大，即豎向荷載的不均勻分布對(duì)地下結(jié)構(gòu)框架柱的彎矩影響較大。初步設(shè)計(jì)時(shí)采用上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位提供模型中的零層荷載值，分析知該荷載值包括地鐵車站施工荷載（恒載考慮覆土等取30kN/m2，活載考慮施工荷載取20kN/m2）此時(shí)地鐵車站零層板及以下結(jié)構(gòu)施工已完成，故可將零層板上的荷載按使用階段設(shè)計(jì)進(jìn)行降低調(diào)整，調(diào)整后恒載不變，活載降為10kN/m2。

經(jīng)上述優(yōu)化調(diào)整后，此時(shí)地鐵車站需加固框架柱數(shù)目降至34根，比原設(shè)計(jì)單位加固方案的減少了一百多根，經(jīng)計(jì)算選用加固型鋼 L125X12，采用綜合法加固框架柱，框架柱每邊截面增大60mm。加固型鋼外包于原柱截面四角，截面新增材料為C60免振自密實(shí)混凝土，滿足地鐵使用對(duì)截面的限制、防火及耐久性要求。當(dāng)新增截面及加固型鋼型號(hào)確定后再進(jìn)一步從實(shí)際加固后的剛度復(fù)核確定。

需加固型鋼混凝土框架柱截面為800X800，型鋼含鋼率為5.7%，未加固前其軸壓比在0.60-0.72之間，為小偏心受壓，強(qiáng)度不足，需要加固。加固后型鋼混凝土框架柱型鋼含鋼率為 7.4%，在適宜含鋼率 5%-8%之間。加固后其軸壓比在0.53-0.64之間，仍為小偏心受壓構(gòu)件，在滿足強(qiáng)度后，延性明顯改善。

五、結(jié)語(yǔ)

本工程由于原設(shè)計(jì)地采用了格構(gòu)式鋼柱作為支護(hù)柱，在現(xiàn)行規(guī)范及計(jì)算軟件的局限下，不能對(duì)格構(gòu)式型鋼混凝土柱直接計(jì)算分析。為此，我們通過(guò)多種近似方法進(jìn)行比較分析，應(yīng)是實(shí)際設(shè)計(jì)工作中常用的方式，但必須從概念、體系、荷載、構(gòu)件、構(gòu)造、材料、應(yīng)用、計(jì)算等各方面著眼，做到概念清晰方法靈活，才能獲得優(yōu)化的設(shè)計(jì)成果。同時(shí)，對(duì)外粘型鋼加固法比較有效地約束了內(nèi)柱混凝土，是否可以統(tǒng)一地考慮內(nèi)外格構(gòu)柱與混凝土的共同作用提出了有待研究的課題。

[1]《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 JGJ138-2001

[2]《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》 YB9082-97

[3]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB50011-2010

[4]《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》 JGJ145-2004