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)計為地下三層（地鐵車站）、地上五層（物業(yè)開發(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)計單位經(jīng)初步核算，提出對該站地下三層結(jié)構(gòu)約 140根框架柱進行加固的方案。受業(yè)主委托，對該工程進行復(fù)核計算及加固優(yōu)化設(shè)計。原設(shè)計單位提供了地鐵車站及相鄰區(qū)域的結(jié)構(gòu)計算模型，本設(shè)計在保持該計算模型基本數(shù)據(jù)不變的前提下進行復(fù)核計算。

二、主要計算過程、結(jié)果及分析結(jié)論：

使用的計算軟件為中國建筑科學(xué)研究院 PKPM系列，其整體結(jié)構(gòu)模型如圖 1所示。原設(shè)計施工方案采用逆施法，將部分基坑圍護結(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)場變形檢測記錄，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，因目前建模無法模擬格構(gòu)柱式型鋼混凝土柱，故在計算時，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)。為摸索其計算結(jié)果的特點，我們又按規(guī)程[2]的簡化疊加法進行了手算復(fù)核（該部分內(nèi)容從略）。并采用SATWE和PMSAP分別計算用以比較分析，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層厚度不宜小于 120mm，而本工程型鋼柱保護層厚度為75mm，考慮到格構(gòu)式型鋼混凝土柱四個角鋼已靠近柱內(nèi)主筋，故將角鋼視為鋼筋混凝土柱內(nèi)主筋進行了計算，同時按規(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。由此得出配筋計算結(jié)果小于代換為十字形實腹式型鋼混凝土框架柱的結(jié)果。對此，仍取上述兩類簡化模型得出的最不利內(nèi)力值作為加固設(shè)計依據(jù)。

圖1 結(jié)構(gòu)整體模型

圖2 原格構(gòu)柱截面

圖3 代換后實腹式截面

經(jīng)過對結(jié)構(gòu)進行整體分析核算，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，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)計算，地鐵車站需加固框架柱數(shù)目由原設(shè)計單位方案的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)計單位未充分考慮格構(gòu)型鋼的有利作用，因而對單側(cè)最小配筋率不足的型鋼混凝土框架柱均進行了加固（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%）。對此，考慮格構(gòu)式型鋼柱在逆做法施工過程中的變形較小，除去極個別型鋼柱以外，均可考慮其實際作用，在計算柱配筋率時，應(yīng)考慮型鋼的貢獻。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，但柱計算配筋小于實配鋼筋，同時柱軸壓比小于軸壓比限值較多時，亦可不必對單側(cè)最小配筋率不足的柱均進行加固。因此未對單側(cè)最小配筋率不足，軸壓比在0.23-0.59間的抗震等級為三級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間的抗震等級為一級的型鋼混凝土框架柱（軸壓比限值0.70）進行加固。

本工程中選用傳統(tǒng)方法的改進方法，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備。本工程柱未加固時軸壓比在 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度和延性。

四、優(yōu)化加固方案：

我們在保持上部結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)不變的基礎(chǔ)上分析，同時也對上部結(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地鐵車站無關(guān)的區(qū)域，以減輕水平地震作用對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等措施，考察當(dāng)?shù)厣辖Y(jié)構(gòu)對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。進過比較分析，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計單位提供的模型中的零層板上靜載活載對地下結(jié)構(gòu)框架柱的影響亦較大，即豎向荷載的不均勻分布對地下結(jié)構(gòu)框架柱的彎矩影響較大。初步設(shè)計時采用上部結(jié)構(gòu)設(shè)計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)計進行降低調(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，此時地鐵車站需加固框架柱數(shù)目降至34根，比原設(shè)計單位加固方案的減少了一百多根，經(jīng)計算選用加固型鋼 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免振自密實混凝土，滿足地鐵使用對截面的限制、防火及耐久性要求。當(dāng)新增截面及加固型鋼型號確定后再進一步從實際加固后的剛度復(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，在滿足強度后，延性明顯改善。

五、結(jié)語

本工程由于原設(shè)計地采用了格構(gòu)式鋼柱作為支護柱，在現(xiàn)行規(guī)范及計算軟件的局限下，不能對格構(gòu)式型鋼混凝土柱直接計算分析。為此，我們通過多種近似方法進行比較分析，應(yīng)是實際設(shè)計工作中常用的方式，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)計成果。同時，對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)計規(guī)程》 YB9082-97

[3]《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》 GB50011-2010

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