鋼管式格構(gòu)柱在地鐵車站中的應(yīng)用

文/中交第一航務(wù)工程局有限公司 張力 王亞強(qiáng)

格構(gòu)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(wěn)定往往在基坑內(nèi)設(shè)置格構(gòu)柱，以達(dá)到減少跨距和固定支撐的目的。目前，在地鐵車站內(nèi)使用的格構(gòu)柱基本上均是按照《建筑基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造》（11SG814）圖集里“鋼格構(gòu)立柱及立柱樁和鋼格構(gòu)柱拼接構(gòu)造圖”設(shè)計(jì)的角鋼焊接式格構(gòu)柱。此格構(gòu)柱加工時(shí)工序較多、周期較長(zhǎng)、工費(fèi)較高、占用場(chǎng)地較大，且由于焊接較多，角鋼的順直度、焊縫質(zhì)量等都難以保證。如采用鋼管式格構(gòu)柱，上述問(wèn)題可以得到有效解決。

工程實(shí)例概況

哈爾濱市軌道交通3號(hào)線某標(biāo)段共包含兩站一區(qū)間。其中一車站主體基坑長(zhǎng)482m、寬19.7m、深約17.112m，設(shè)格構(gòu)柱63根。另一車站主體基坑長(zhǎng)230m、寬19.7m、深約16.7m，設(shè)格構(gòu)柱25根。初步設(shè)計(jì)均為傳統(tǒng)角鋼焊接式格構(gòu)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(chǎng)地較小，格構(gòu)柱加工場(chǎng)地受限。另外，哈爾濱冬期較長(zhǎng)，每年有效施工時(shí)間僅為7個(gè)月，對(duì)進(jìn)度要求較高。

格構(gòu)柱設(shè)計(jì)

在初步設(shè)計(jì)階段，均采用傳統(tǒng)角鋼焊接式格構(gòu)柱，采用Q235B鋼材，以四根L160×160×16mm角鋼為主，由規(guī)格為400×300×14mm的綴板間距800mm焊接連成整體。

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)在施工條件，經(jīng)研究分析，改為整體鋼管式格構(gòu)柱替代原方案。該整體鋼管式格構(gòu)柱采用φ406、t=14mm鋼管，同時(shí)對(duì)格構(gòu)柱、連系梁、鋼支撐直接的連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化匹配（如表1所示）。

表1 角鋼焊接式與鋼管式格構(gòu)柱設(shè)計(jì)圖對(duì)比

構(gòu)件受力分析

角鋼式格構(gòu)柱

格構(gòu)柱為軸心受壓構(gòu)件，傳統(tǒng)工法中的格構(gòu)柱主要由肢件（角鋼）、綴材（綴板）構(gòu)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(dān)剪力，對(duì)焊縫要求較高，對(duì)偏心受壓適應(yīng)能力較差。

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造》（11SG814）圖集P63頁(yè)，鋼格構(gòu)立柱常用規(guī)格及承載力選用表可知：Q235b材質(zhì)4L160×16角鋼式格構(gòu)柱最大承載力為N角=2410kN。

整體鋼管式格構(gòu)柱

鋼管式格構(gòu)柱作為圓形整體鋼構(gòu)件，受力更加明確，且各向同性，不僅滿足豎向承載力，同時(shí)加強(qiáng)了格構(gòu)柱水平抗彎剛度，提高內(nèi)支撐整體穩(wěn)定性。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）第5.2.5節(jié)，彎矩作用在兩個(gè)主平面內(nèi)的雙軸對(duì)稱實(shí)腹式工字形（含H形）和箱形（閉口）截面的壓彎構(gòu)件，其穩(wěn)定性應(yīng)按下列公式計(jì)算：

表2 鋼格構(gòu)立柱常用規(guī)格及承載力選用表（部分）

經(jīng)過(guò)計(jì)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(jì)算結(jié)果可知，采用φ406、t=14的鋼管式格構(gòu)柱和4L160×16角鋼式格構(gòu)柱承載力均可滿足施工需求。

施工工藝對(duì)比

施工進(jìn)度與質(zhì)量控制

傳統(tǒng)角鋼焊接式格構(gòu)柱，施工時(shí)要先對(duì)鋼板進(jìn)行切割，再進(jìn)行拼裝焊接，且由于焊縫較多，施工速度較慢，高溫也容易導(dǎo)致角鋼變形，格構(gòu)柱的順直度和焊縫質(zhì)量等難以保證。另外，在結(jié)構(gòu)施工時(shí)，需要對(duì)格構(gòu)柱內(nèi)泥砂進(jìn)行清理沖洗，以確保結(jié)構(gòu)質(zhì)量及防水效果。

整體鋼管式格構(gòu)柱，只需簡(jiǎn)單連接即可使用（焊接或螺栓連接均可），順直度較好，基本無(wú)焊接質(zhì)量隱患。另外，柱下方灌注樁混凝土澆筑完成后可對(duì)鋼管柱上方加蓋封堵，避免泥砂流入鋼管內(nèi)，結(jié)構(gòu)施工時(shí)減少了清理泥砂的工作量。

安全環(huán)保與場(chǎng)地需求

傳統(tǒng)角鋼焊接式格構(gòu)柱，施工時(shí)鋼板切割、焊接等作業(yè)用時(shí)較長(zhǎng)，焊工用量較多，需要較大的加工場(chǎng)地進(jìn)行拼、焊接作業(yè)；另外，焊接作業(yè)所產(chǎn)生的光、煙霧對(duì)人和環(huán)境均會(huì)造成危害；且氧氣乙炔切割作業(yè)也是一大安全隱患。

整體鋼管式格構(gòu)柱，鋼管運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后可直接使用，基本無(wú)需加工，使用方便快捷，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，占用施工場(chǎng)地較小，且不會(huì)帶來(lái)因焊接質(zhì)量而產(chǎn)生的安全隱患。

節(jié)點(diǎn)施工及后期處理

傳統(tǒng)角鋼焊接式格構(gòu)柱，結(jié)構(gòu)施工時(shí)板鋼筋可以直接從孔隙中穿過(guò)或繞過(guò)，結(jié)構(gòu)鋼整體性較好。但需在板厚中間部位格構(gòu)柱內(nèi)外焊接止水環(huán)，防止地下水沿角鋼側(cè)壁進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部。由于格構(gòu)柱綴板間隔設(shè)置不連續(xù)，中間有空間且有錯(cuò)臺(tái)，內(nèi)外止水環(huán)下料及焊接作業(yè)較為困難，因而止水效果得不到保證。

整體鋼管式格構(gòu)柱，結(jié)構(gòu)施工時(shí)板鋼筋需斷開，鋼筋按照孔洞加強(qiáng)處理可滿足規(guī)范結(jié)構(gòu)受力要求。由于管壁是封閉的，內(nèi)外止水環(huán)可隨意確定焊接位置，且止水環(huán)與鋼板連接密切，下料及焊接作業(yè)較為簡(jiǎn)單，止水效果較好。

經(jīng)濟(jì)效益分析

一方面，采用整體鋼管式格構(gòu)柱，鋼管材料單價(jià)較角鋼焊接式格構(gòu)柱有所增加，但整體鋼管式格構(gòu)柱所耗費(fèi)的鋼材總量較傳統(tǒng)角鋼焊接式格構(gòu)柱大大減少，此標(biāo)段格構(gòu)柱僅鋼材節(jié)約成本約22.6萬(wàn)元。另一方面，整體鋼管式格構(gòu)柱無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)加工，可直接連接使用，大幅減少電焊工的用量，每噸可節(jié)約人工費(fèi)、機(jī)械費(fèi)1000元左右。兩站格構(gòu)柱共節(jié)約60余萬(wàn)元。在人力資源昂貴且匱乏的今天，該項(xiàng)優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益顯著。

另外，市場(chǎng)上常見鋼板為定尺，采用傳統(tǒng)角鋼焊接式格構(gòu)柱在加工過(guò)程中綴板加工會(huì)產(chǎn)生部分廢料，造成資源浪費(fèi)。而整體鋼管式格構(gòu)柱基于其預(yù)制整體性，基本無(wú)廢料產(chǎn)生，該類構(gòu)件經(jīng)檢驗(yàn)處理后，可進(jìn)行二次利用，帶來(lái)較大的二次效益。

結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)施工檢驗(yàn)，采用整體鋼管式格構(gòu)柱，與傳統(tǒng)角鋼焊接式格構(gòu)柱相比，受力明確、抗彎剛度大；施工方便、節(jié)省工程造價(jià)；安全環(huán)保、占用施工場(chǎng)地較小。整體鋼管式格構(gòu)柱在地鐵施工中有較為廣闊的應(yīng)用前景。