文/李義龍

1 項(xiàng)目概況

青島某地鐵車站為地下兩層框架結(jié)構(gòu)，車站長(zhǎng)425m，寬98.8m，車站服務(wù)于高鐵、地鐵功能；地下一層為站廳層，層高8m；地下二層為站臺(tái)層，高鐵部分層高10.2m，地鐵部分層高7m。車站上部有兩層GTC 建筑，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)。

2 鋼管混凝土柱設(shè)計(jì)

地鐵車站采用縱梁結(jié)構(gòu)體系，框架柱采用鋼管混凝土柱，鋼管混凝土柱直徑為1200mm，鋼管壁厚為25mm，采用Q345B 鋼材，鋼管內(nèi)灌注C60 自密實(shí)混凝土，車站采用明挖法施工。車站結(jié)構(gòu)采用SAP2000 進(jìn)行三維整體計(jì)算，荷載主要考慮結(jié)構(gòu)自重、側(cè)墻水土壓力、設(shè)備荷載、混凝土收縮徐變、溫度荷載、地震作用等影響。經(jīng)整體計(jì)算，鋼管混凝土柱的控制內(nèi)力見(jiàn)下表1。

表1 鋼管混凝土柱的控制內(nèi)力表

按《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ 138-2016）對(duì)鋼管混凝土柱受力進(jìn)行計(jì)算，該鋼管混凝土柱的套箍系數(shù)= 0.97，該鋼管混凝土柱軸心受壓承載力設(shè)計(jì)值 為Nu= 0.9?e?lAcfc(1 + αθ)=49308.34kN，根 據(jù)整 體受力結(jié)果，鋼管混凝土柱軸力N＜Nu，承載力滿足要求[1]。

3 鋼管混凝土柱梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

鋼管混凝土柱作為地鐵車站中的主要豎向受力構(gòu)件，承擔(dān)著地鐵車站的大部分荷載，這部分荷載要通過(guò)梁柱連接節(jié)點(diǎn)傳遞至鋼管混凝土柱上，同時(shí)需要滿足“強(qiáng)柱、弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”設(shè)計(jì)[2]。根據(jù)研究梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)尤為重要，本節(jié)對(duì)該項(xiàng)目鋼管混凝土柱梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行分別介紹。

3.1 柱頂節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目鋼管混凝土柱柱頂與頂梁的連接節(jié)點(diǎn)采用端承式節(jié)點(diǎn)，端承式柱頂節(jié)點(diǎn)一般由上環(huán)板、肋板和下環(huán)板組成，鋼管混凝土柱柱內(nèi)配置豎向短鋼筋籠，兩端分別錨入鋼管混凝土柱內(nèi)和頂縱梁內(nèi)，錨固長(zhǎng)度滿足規(guī)范要求[3]。端承式柱頂節(jié)點(diǎn)豎向剪力由肋板承擔(dān)，水平剪力由柱內(nèi)鋼筋籠承擔(dān)，并應(yīng)驗(yàn)算上環(huán)板處混凝土的局部承壓。本項(xiàng)目為滿足柱頂剛接，實(shí)現(xiàn)柱頂彎矩的傳遞，采用將上環(huán)板上布置錨筋，錨筋與上環(huán)板穿孔塞焊，通過(guò)錨筋來(lái)傳遞彎矩。

本項(xiàng)目柱頂縱梁截面為1800mm×2400mm，柱頂節(jié)點(diǎn)頂板采用八邊形布置，頂板厚度為60mm，采用Q345B 鋼材；沿鋼管柱均布24 道豎向肋板，肋板厚度25mm；豎向肋板下布置下環(huán)板，厚度35mm。

根據(jù)整體計(jì)算模型，鋼管混凝土柱柱頂控制內(nèi)力見(jiàn)下表2：

表2 鋼管混凝土柱柱頂控制內(nèi)力表

根據(jù)控制內(nèi)力，柱頂節(jié)點(diǎn)按按壓彎進(jìn)行設(shè)計(jì)，錨筋抗彎承載力計(jì)算按預(yù)埋件方式進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，需配錨筋面積為39750mm2，實(shí)配錨筋10428，滿足要求；錨筋采用HRB400 鋼筋，與頂板以穿孔塞焊進(jìn)行連接；錨筋與縱梁鋼筋平行布置，方便縱梁鋼筋排布，布置見(jiàn)下圖1。

圖1 柱頂節(jié)點(diǎn)布置圖

3.2 中間層梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

鋼管混凝土柱中間層梁柱節(jié)點(diǎn)采用承重銷式連接節(jié)點(diǎn)，框架梁在節(jié)點(diǎn)區(qū)梁端部進(jìn)行擴(kuò)大，形成擴(kuò)大頭；部分梁縱筋通過(guò)彎繞進(jìn)行貫通，受鋼管混凝土柱影響無(wú)法貫通的梁縱筋焊接與鋼筋連接板上，且根據(jù)規(guī)范規(guī)定宜保證有一半梁鋼筋貫通。梁端剪力通過(guò)承重銷進(jìn)行傳遞，承重銷采用穿心腹板形式，翼緣在鋼管內(nèi)延伸一部分，見(jiàn)圖2[4]。中間層梁柱節(jié)點(diǎn)計(jì)算如下：

圖2 中間層梁柱節(jié)點(diǎn)布置圖

3.2.1 承重銷抗剪設(shè)計(jì)

中間層梁截面為1200mm×1400mm，根據(jù)整體模型計(jì)算，梁端最大剪力為2750kN，剪力全由承重銷進(jìn)行承擔(dān)，本節(jié)點(diǎn)承重銷截面為H650×420×35×35。

根據(jù)規(guī)范，承重銷的受剪承載力：

Vu= min{Vu1,Vu2,Vu3}= 3328.54kN＞V=2750kN，滿足要求。

其中：Vu1= 0.75β2fcAl= 3556.75kN

3.2.2 鋼筋連接板承載力驗(yàn)算

梁鋼筋連接板主要連接受鋼管影響無(wú)法貫通的鋼筋，根據(jù)設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)板最多連接12 根直徑32mm 的HRB400 鋼筋，連接板厚35mm，寬900mm。

根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50936-2014）式7.2.1，板的最小厚度

3.3 柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本工程基底位于中風(fēng)化砂巖上，承載力較高，鋼管混凝土柱柱腳節(jié)點(diǎn)可采用外露式節(jié)點(diǎn)，外露式節(jié)點(diǎn)主要由環(huán)形底板、加勁肋和剛性錨桿組成；柱腳節(jié)點(diǎn)位于基底底縱梁上，縱梁截面為2400mm×2600mm。節(jié)點(diǎn)計(jì)算時(shí)需驗(yàn)算柱腳下混凝土的局壓承載力和抗剪承載力，另外還需驗(yàn)算錨栓在偏心受壓狀態(tài)下的承載力，同時(shí)柱腳底的環(huán)形底板及加勁肋也需進(jìn)行驗(yàn)算。

根據(jù)整體模型計(jì)算結(jié)果，鋼管混凝土柱柱腳控制內(nèi)力見(jiàn)下表3：

表3 鋼管混凝土柱柱腳控制內(nèi)力

3.3.1 對(duì)柱底板下混凝土承載力驗(yàn)算，控制工況為工況三，根據(jù)公式：

Nl= 28300.2 ≤π(D - 2t)(t + 3.5h) β2fc= 35828.5kN

柱底混凝土承載力滿足規(guī)范要求。

3.3.2 錨栓驗(yàn)算

根據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 99-2015）柱腳錨栓按混凝土壓彎構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)設(shè)計(jì)，受拉側(cè)錨栓面積As = 16534mm2，最不利工況為工況二，柱腳彎矩2431kN.m，鋼管柱軸力6122.4kN。

計(jì)算時(shí)，圓形截面柱根據(jù)規(guī)范可等效為正方形截面進(jìn)行驗(yàn)算等效截面等效寬度b=1.76r=1724mm，等效h0=1.6r=1568mm。在軸力N=18164.8kN 作用下，最大抗彎承載力M=8918kN.m＞2431kN.m，滿足規(guī)范要求。

3.3.3 柱腳地震作用驗(yàn)算

根據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 99-2015）應(yīng)進(jìn)行柱腳極限受彎承載力驗(yàn)算。該驗(yàn)算工況下，最不利計(jì)算工況為工況一，該工況下鋼管柱Ny=5665.8kN，N/Ny=0.183＜0.2，鋼管柱的全塑性受彎承載力Mpc=Mp=11564kN.m。

柱腳錨栓按混凝土壓彎構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算，取材料標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行錨栓受變承載力計(jì)算。在軸力N=5665.8kN作用下，最大抗彎承載力M=11806kN.m＞Mpc，滿足規(guī)范要求。柱底節(jié)點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖3。

圖3 柱底節(jié)點(diǎn)布置圖

4 結(jié)語(yǔ)

地鐵車站作為城市公共交通的重要一環(huán)，其重要性不言而喻。鋼管混凝土柱是地鐵車站的主要受力構(gòu)件，在設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮，同時(shí)由于地鐵車站鋼管混凝土柱與高層結(jié)構(gòu)不同，其節(jié)點(diǎn)受施工工法影響，不同的施工工法需采用不同的節(jié)點(diǎn)連接形式，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)明確采用何種施工方式。本文從實(shí)際案例出發(fā)，介紹了地鐵車站鋼管混凝土柱的設(shè)計(jì)及其與各層節(jié)點(diǎn)連接的設(shè)計(jì)，以此為后續(xù)設(shè)計(jì)提供參考。