半逆作法地下空間鋼管混凝土柱的節(jié)點設(shè)計

顧云磊

[上海市政工程設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[1]給出的定義，鋼管混凝土構(gòu)件（Concrete-filled Steel Tubular members, CFST 構(gòu)件）是一種在圓形、矩形或多邊形鋼管內(nèi)部填充混凝土，由兩種材料共同承受外部荷載作用的構(gòu)件形式，其優(yōu)點在于：一方面，鋼管對內(nèi)部混凝土提供側(cè)向約束，使其承載能力遠大于常規(guī)鋼筋混凝土，從而能有效減小柱截面尺寸；另一方面，內(nèi)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(yīng)用較為成熟，近年來也多出現(xiàn)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(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)形式。

鋼管混凝土柱需根據(jù)結(jié)構(gòu)布置及施工組織進行有針對性的設(shè)計，由混凝土環(huán)梁及環(huán)形牛腿承擔(dān)傳來的剪力，必要時還需對環(huán)梁的抗彎承載力進行補充分析。本文以南京市江北新區(qū)某半逆作法地下空間結(jié)構(gòu)所采用的鋼管混凝土柱為例，對其梁柱節(jié)點的設(shè)計流程進行探討。

1 工程概況

南京市江北新區(qū)某超大型地下空間為地下六層結(jié)構(gòu)，其中地下一層為商業(yè)層，地下二層為停車庫及地下環(huán)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(shè)置管廊夾層，地下五層為地鐵設(shè)備層，地下六層為地鐵站臺層。上三層由市政院設(shè)計，遠期將與各地塊商業(yè)連為整體，下三層由地鐵院設(shè)計，同地下空間合建。地下商業(yè)、車庫主體結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)形式，地下環(huán)路、管廊采用箱涵結(jié)構(gòu)形式，基礎(chǔ)采用平板式筏板基礎(chǔ)，抗浮不滿足時設(shè)置鉆孔灌注樁。

本案例為目前國內(nèi)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(fēng)險較大。經(jīng)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?；娱_挖至地下三層底板后，首先向上施工地下空間結(jié)構(gòu)，待封頂后再逆作開挖下部車站結(jié)構(gòu)。鋼管柱柱身預(yù)設(shè)環(huán)形牛腿，待順作施工時澆筑環(huán)梁，使之與混凝土梁板形成受力整體。鋼管柱上三層現(xiàn)場照片如圖1，立面如圖2，地下三層結(jié)構(gòu)平面布置如圖3。

圖1 現(xiàn)場照片

圖2 上三層立面簡圖（單位：mm）

圖3 地下三層結(jié)構(gòu)平面布置圖（單位：mm）

2 梁柱節(jié)點形式

本案例層數(shù)較多，功能復(fù)雜，同一層內(nèi)存在梁板與厚板兩種樓蓋體系，鋼管混凝土節(jié)點需考慮銜接，因地鐵車站、地下環(huán)路及商業(yè)主動線的功能需求，導(dǎo)致較多抽柱及托柱轉(zhuǎn)換的出現(xiàn)，故梁柱連接應(yīng)被視作鋼管混凝土設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，給予特別的關(guān)注。中國建筑科學(xué)研究院在圖集《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造》[2]中給出了多種應(yīng)用成熟的節(jié)點形式，綜合各種因素，本工程梁柱連接采用環(huán)梁- 環(huán)形牛腿節(jié)點，在與厚板相接的部位進行了改進，如圖4、圖5，柱頂節(jié)點采用下放鋼筋籠的形式，并將環(huán)形蓋板改進為法蘭環(huán)，以便于施工單位調(diào)整垂直度，如圖6。

圖4 環(huán)梁- 環(huán)形牛腿梁柱連接（單位：mm）

圖5 環(huán)梁- 環(huán)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(huán)梁- 環(huán)形牛腿梁柱連接節(jié)點設(shè)計

3.1 環(huán)梁- 環(huán)形牛腿梁柱連接節(jié)點的傳力機制

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

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

3.2 環(huán)梁- 環(huán)形牛腿梁柱連接節(jié)點的抗剪設(shè)計

環(huán)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(huán)梁混凝土與抗剪環(huán)接觸面的局部承壓作用力將剪力由環(huán)梁傳遞到抗剪環(huán)上，再通過抗剪環(huán)與鋼管間的焊縫將剪力傳遞到鋼管上；（2） 環(huán)梁混凝土與鋼管之間的粘結(jié)作用；（3）梁端彎矩引起環(huán)梁上端或下端擠壓鋼管混凝土柱而產(chǎn)生的靜摩擦力?！朵摴芑炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[1]僅計入上述三個途徑中的第一個，給出環(huán)形牛腿抗剪承載力計算公式如下：

式中：Vu1=π（D + b）bfc，為由環(huán)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(huán)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(huán)形牛腿上下環(huán)板決定的受剪承載力，N；D 為鋼管外徑，mm；b 為環(huán)板寬度，mm；l 為直剪面高度，mm；t 為環(huán)板厚度，mm；n 為肋板數(shù)量，hw為肋板高度，mm；tw為肋板厚度，mm；fv為鋼材抗剪強度設(shè)計值，MPa；fs為鋼材抗拉強度，MPa；強度設(shè)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(shè)計值，MPa；fc為樓蓋混凝土抗壓強度設(shè)計值，MPa；ft為樓蓋混凝土抗拉強度設(shè)計值，MPa。

在本案例中，環(huán)形牛腿所承擔(dān)剪力來自與鋼管混凝土柱相交梁板，其數(shù)值多在1 500 kN 至3 000 kN 之間，最大值約為6 700 kN。結(jié)合相交梁高度，可將環(huán)梁節(jié)點按肋板數(shù)量及環(huán)梁高度分為三類，見表1。

表1 環(huán)梁節(jié)點分類

此外，在鋼管外表面環(huán)梁高度范圍內(nèi)還均勻設(shè)置了抗剪栓釘，栓釘直徑25 mm，長度100 mm，豎向間距150 mm，環(huán)向間距20°，單個栓釘?shù)目辜舫休d力設(shè)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(huán)梁- 環(huán)形牛腿梁柱連接節(jié)點的抗彎設(shè)計

框架梁與鋼管混凝土柱之間的彎矩傳遞以環(huán)梁為中介[5]：當框架梁端傳來負彎矩時，環(huán)梁下端擠壓鋼管混凝土柱，柱反作用于環(huán)梁并產(chǎn)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(huán)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(huán)梁上部和下部的一對拉力和壓力，則拉力由環(huán)梁上部環(huán)筋與樓板共同承擔(dān)，壓力由環(huán)梁下部混凝土承擔(dān)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(yīng)構(gòu)造要求，以保證環(huán)梁不先于框架梁端出現(xiàn)塑性鉸。

環(huán)梁需滿足的構(gòu)造要求包括：環(huán)梁高度宜比框架梁高50 mm，環(huán)梁寬度不宜小于框架梁寬度，框架梁縱向鋼筋在環(huán)梁內(nèi)應(yīng)滿足相應(yīng)錨固長度，環(huán)梁上下環(huán)筋的截面積應(yīng)分別不小于框架梁上下縱筋的0.7 倍等。設(shè)計時應(yīng)結(jié)合相交梁截面確定基本環(huán)梁尺寸，再根據(jù)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(huán)梁節(jié)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(jié)點進行初步分析。該節(jié)點一端與托柱轉(zhuǎn)換梁相連，其余方向均為普通梁，由此產(chǎn)生較大單側(cè)彎矩，其最大梁端彎矩為4 500 kN，不平衡彎矩為3 200 kN。該節(jié)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(huán)梁混凝土之間的粘結(jié)滑移影響。

圖7 節(jié)點尺寸及配筋（單位：mm）

圖8 有限元計算模型

節(jié)點的Von Mises 應(yīng)力云圖如圖9?？芍獞?yīng)力峰值點位于轉(zhuǎn)換梁與環(huán)梁相接面上部兩側(cè)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(xiàn)局部開裂，成為整個節(jié)點的最薄弱環(huán)節(jié)。相應(yīng)位置混凝土柱峰值應(yīng)力為46.3 MPa （位置2），鋼管峰值應(yīng)力為89.0 MPa（位置3），說明混凝土環(huán)梁起到了良好的緩沖作用，應(yīng)力被消解在環(huán)梁內(nèi)部的環(huán)筋和箍筋中。在實際設(shè)計中，為避免轉(zhuǎn)換梁端出現(xiàn)裂縫，除了按構(gòu)造要求配置環(huán)梁環(huán)筋外，還應(yīng)在保證環(huán)梁箍筋直徑不小于相交梁的基礎(chǔ)上，對應(yīng)力峰值附近箍筋進行局部加強，可將轉(zhuǎn)換梁及兩側(cè)各0.5 m 范圍箍筋截面加大一級。

圖9 Von Mis e s 應(yīng)力云圖

最后，根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[1]附錄D對環(huán)梁環(huán)筋實配面積及箍筋單肢面積進行復(fù)核，當環(huán)梁環(huán)向鋼筋的強度等級與框架梁相同、環(huán)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(huán)梁受拉環(huán)筋面積及箍筋單肢面積可按以下公式計算：

式中：Ash為環(huán)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(huán)梁箍筋單肢箍面積，mm2；fy為環(huán)梁環(huán)向鋼筋受拉強度設(shè)計值，MPa；γH為箍筋夾角，rad；fyv為箍筋抗拉強度設(shè)計值，MPa；αv為閉合箍筋計算系數(shù)。

經(jīng)復(fù)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(jié)語

南京市江北新區(qū)某半逆作法地下空間結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土柱兼做臨時柱及永久柱，其梁柱節(jié)點設(shè)計對于類似結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中具有良好的適應(yīng)性；

（2）本工程中所采用的環(huán)梁- 環(huán)形牛腿梁柱連接節(jié)點具有足夠的抗剪及抗彎性能，在設(shè)計中應(yīng)注意轉(zhuǎn)換梁等不利情況，對環(huán)梁薄弱環(huán)節(jié)的配筋進行局部加強；

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