李明磊

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308）

1 研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全國(guó)越來(lái)越多的城市開(kāi)始修建地鐵。在城市繁忙地帶修建地鐵車站時(shí)，往往占用道路，影響交通。當(dāng)?shù)罔F車站設(shè)在主干道上，而交通不能中斷，且需要確保一定交通流量時(shí)，為了盡可能減少對(duì)地面交通以及周邊環(huán)境的影響，可采用暗挖洞樁法進(jìn)行施工。

洞樁法就是將傳統(tǒng)的蓋挖法和暗挖法進(jìn)行結(jié)合，即在地面上不具備施作基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)條件時(shí)，在地下施工導(dǎo)洞內(nèi)施作邊樁、中樁、中柱、頂梁、頂拱結(jié)構(gòu)，形成樁、梁、拱及中柱支撐框架體系，承受施工過(guò)程的外部荷載，然后在頂拱保護(hù)下，逐層向下開(kāi)挖土體，施作中樓板、底板及側(cè)墻結(jié)構(gòu)。

隨著現(xiàn)在地鐵埋深逐漸加大，層數(shù)逐漸增多，鋼管柱越來(lái)越長(zhǎng)，其施工階段的承載力，按現(xiàn)有的計(jì)算公式很難滿足承載力要求，文章在洞樁法施工階段不加大鋼管柱尺寸的情況下，就如何提高鋼管柱承載力及如何更合理地計(jì)算其承載力進(jìn)行探討。

2 傳統(tǒng)鋼管柱承載力計(jì)算方法

文章以北京某地鐵車站為例，來(lái)探討承載力計(jì)算方法。

2.1 工程概況

車站為暗挖洞樁法施工三層車站，結(jié)構(gòu)型式為雙柱三跨拱頂直墻結(jié)構(gòu)，車站拱頂覆土8.2m，底板埋深32.7m，鋼管混凝土柱采用直徑0.8m，壁厚16mm，鋼材為Q235B，柱內(nèi)填充C50 微膨脹混凝土，鋼管柱長(zhǎng)21.5m，各層長(zhǎng)度分別為5.2m、6.7m、9.6m，鋼管柱沿車站縱向間距7m。

2.2 鋼管柱承載力計(jì)算

鋼管柱施工完畢，頂部二襯扣拱完成后，鋼管柱承受上部土壓力及結(jié)構(gòu)自重，而此時(shí)，鋼管柱的計(jì)算長(zhǎng)度最長(zhǎng)，為最不利荷載，如圖1 所示。

根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB 50936-2014）計(jì)算[1]，初始條件：受軸壓力：N施工=13010kN，N使用=14240kN；柱端彎矩：M施工1=M施工2=98kN·m，M使用1=M使用2=125kN·m；套箍指標(biāo)：θ=Asf/（Acfc）=0.792；混凝土等級(jí)系數(shù)：α=2.00；軸心受壓短柱的承載力設(shè)計(jì)值：N0=0.9fcAc（1+αθ）=24881.8kN。

（1）施工階段考慮為軸心受壓柱時(shí)的承載力。等效計(jì)算長(zhǎng)度按式（1）計(jì)算：

圖1 施工步序：扣拱完成

式中：μ 為考慮柱端約束條件的長(zhǎng)度系數(shù)，可按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2017）執(zhí)行，本文取1[2]；l 為柱實(shí)際長(zhǎng)度，m。

承載力折減系數(shù)按式（2）計(jì)算：

式中：D 為鋼管柱直徑，m。

按軸心受壓柱考慮的承載力：Nu1=φ0N0=12018.6kN。

（2）施工階段考慮為壓彎柱時(shí)的承載力。兩端彎矩較小值與較大值的比值β=1.000；等效長(zhǎng)度系數(shù)k=0.5+0.3β+0.2β2=1.000；等效長(zhǎng)度Le=kμl=21.500m；考慮長(zhǎng)細(xì)比影響的承載力折減系數(shù)φl(shuí)=1-0.0226（Le/D-4）=0.483；考慮偏心影響的承載力折減系數(shù)按式（3）計(jì)算：

式中：e0為柱端軸心壓力之偏心距較大者，mm；rc為鋼管內(nèi)混凝土橫截面半徑，mm。

按壓彎柱考慮的承載力：Nu2=φl(shuí)φeN0=11597.7kN。

（3）使用階段考慮為壓彎柱時(shí)的承載力。由于受到縱梁約束，梁柱節(jié)點(diǎn)可按固定支座考慮，其等效計(jì)算長(zhǎng)度L使用e=kμl=9.6m。

根據(jù)上述計(jì)算公式按壓彎柱考慮的承載力按式（4）計(jì)算：

式中：φ使用l、φ使用e為使用階段工況承載力折減系數(shù)，計(jì)算方法同φl(shuí)、φe的計(jì)算方法。

2.3 存在問(wèn)題

從上面計(jì)算可以看出：不論考慮鋼管柱是軸心受壓構(gòu)件還是壓彎構(gòu)件，由于其計(jì)算長(zhǎng)度達(dá)到21.5m，長(zhǎng)細(xì)比影響因素非常大，其承載力都不滿足承載要求；而使用階段鋼管柱受到減跨作用影響，計(jì)算長(zhǎng)度減小，其承載力滿足使用階段受力要求。因此，可以考慮在施工階段采取一定的措施來(lái)減小計(jì)算長(zhǎng)度，以滿足施工階段的承載力需求。

3 利用雙鋼管復(fù)式鋼管柱模型的計(jì)算方法

3.1 雙鋼管復(fù)式鋼管柱

雙鋼管復(fù)式鋼管混凝土是在普通鋼管混凝土中增加圓鋼管形成的一種新型結(jié)構(gòu)形式，如圖2 所示。復(fù)式鋼管柱具有比較好的力學(xué)性能，其承載力高于相同含鋼量條件下單鋼管混凝土柱的承載力。因此，考慮從洞樁法車站鋼管柱的施工條件及結(jié)構(gòu)條件上分析是否符合雙鋼管復(fù)式鋼管柱的結(jié)構(gòu)形式。

圖2 復(fù)式鋼管柱

3.2 工程條件

（1）本項(xiàng)目車站800mm 鋼管柱是在外層直徑2000mm 的鋼護(hù)筒保護(hù)下施工的，先施工鋼護(hù)筒，再定位施工鋼管柱，兩者之間回填細(xì)砂填充，而細(xì)砂對(duì)鋼管柱的約束幾乎是沒(méi)有任何剛度的，所以在此階段，鋼管柱計(jì)算長(zhǎng)度是從柱頂?shù)街?，長(zhǎng)細(xì)比較大，進(jìn)而影響其承載力。若在兩鋼管之間填充同標(biāo)號(hào)的C50 混凝土，則其結(jié)構(gòu)形式上就成了雙鋼管復(fù)式鋼管柱。

（2）由于鋼管柱與鋼護(hù)筒施工過(guò)程中不在同一標(biāo)高上，若按照雙鋼管復(fù)式鋼管柱考慮，上部頂縱梁荷載全部加在內(nèi)圈鋼管柱頂部。根據(jù)蔡紹懷[3]的實(shí)驗(yàn)研究成果：荷載分別加載在鋼管柱壁上、柱內(nèi)核心混凝土上以及均勻加載在柱壁及柱芯混凝土上對(duì)于鋼管柱的極限承載力相差不超過(guò)7%，可以認(rèn)為頂縱梁加載在內(nèi)圈鋼管柱頂部的加載模式對(duì)整個(gè)雙鋼管復(fù)式鋼管柱的極限承載力的影響是有限的。

3.3 計(jì)算方法及結(jié)果

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，目前對(duì)于雙鋼管復(fù)式鋼管柱的承載力計(jì)算有兩種方法比較合理：

（1）利用極限平衡理論的疊加原則，按單鋼管的承載力計(jì)算方法疊加多層鋼管的套箍效應(yīng)。

復(fù)式鋼管混凝土短柱承載力按式（5）計(jì)算：

式中：Ac1、Ac2為外層、內(nèi)層混凝土面積，mm2；為外層、內(nèi)層混凝土套箍極限抗壓強(qiáng)度，kN/mm2。

（2）考慮復(fù)式鋼管柱的承載力是內(nèi)層混凝土極限承載力與外層混凝土極限承載力之和，其各層混凝土的極限承載力利用《鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（DL/T 5085-1999）相關(guān)公式計(jì)算[4]。復(fù)式鋼管混凝土短柱承載力按式（6）計(jì)算：

式中：ψ 為軸壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)；N內(nèi)、N外為內(nèi)層、外層混凝土承載力，N；分別按式（7）、式（8）計(jì)算。

式（7）～（8）中：Asc內(nèi)、Asc外分別為內(nèi)層、外層混凝土截面積，mm2；fscy內(nèi)、fscy外分別為內(nèi)層、外層混凝土套箍極限抗壓強(qiáng)度，kN/mm2。

計(jì)算得出：N內(nèi)=16636kN，N外=118773kN。

根據(jù)上述計(jì)算，在復(fù)式組合結(jié)構(gòu)模型下，僅內(nèi)層鋼管柱即可滿足施工階段承載力要求；另外，兩者計(jì)算結(jié)果后者略大，但是總體相差不大，因此兩種計(jì)算方法均可采用。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）對(duì)于洞樁法中某些外部荷載較大、鋼管柱長(zhǎng)度較長(zhǎng)（一般三層結(jié)構(gòu)及以上），應(yīng)驗(yàn)算施工階段鋼管柱承載力，其承載力極限值可能會(huì)小于使用階段的承載力極限值。（2）采用極限平衡理論的疊加原則，利用多層套箍作用的計(jì)算公式，可根據(jù)具體施工條件修正后在計(jì)算中使用。（3）在施工階段，洞樁法鋼管柱的承載力可通過(guò)與鋼套筒的組合結(jié)構(gòu)模型計(jì)算。利用與鋼套筒組合結(jié)構(gòu)形成的復(fù)式鋼管柱，明顯提高了施工階段鋼管柱的承載力，進(jìn)而提高了地鐵車站的空間利用率。