天津某地铁站地下结构框架柱加固设计

王 蒙

(天津市建筑科学研究院有限公司)

一、工程概况

该地铁车站原设计为地下三层（地铁车站）、地上五层（物业开发）钢筋混凝土框架结构，其零层板及以下结构土建施工已完成。后地上拟建为八层钢筋混凝土结构。由于地上结构层数及使用功能的改变，原设计单位经初步核算，提出对该站地下三层结构约 140根框架柱进行加固的方案。受业主委托，对该工程进行复核计算及加固优化设计。原设计单位提供了地铁车站及相邻区域的结构计算模型，本设计在保持该计算模型基本数据不变的前提下进行复核计算。

二、主要计算过程、结果及分析结论：

使用的计算软件为中国建筑科学研究院 PKPM系列，其整体结构模型如图 1所示。原设计施工方案采用逆施法，将部分基坑围护结构格构柱与地铁车站混凝土框架柱共同浇筑，形成型钢混凝土框架柱，并在施工图（柱配筋详图）中明确示出。

本工程根据隐蔽工程现场变形检测记录，复核考虑格构柱内型钢作用。以KZ-A-2截面为例，其截面如图2所示，因目前建模无法模拟格构柱式型钢混凝土柱，故在计算时，按等轴向刚度，且尽可能使抗弯刚度和抗剪刚度接近格构柱的刚度原则，代换为带翼缘的十字形实腹式型钢混凝土柱，目前软件编制以规程[1]为依据。为摸索其计算结果的特点，我们又按规程[2]的简化叠加法进行了手算复核（该部分内容从略）。并采用SATWE和PMSAP分别计算用以比较分析，代换后截面如图3所示。

规程[1]4.3.3指出：型钢混凝土柱的保护层厚度不宜小于 120mm，而本工程型钢柱保护层厚度为75mm，考虑到格构式型钢混凝土柱四个角钢已靠近柱内主筋，故将角钢视为钢筋混凝土柱内主筋进行了计算，同时按规程[1]的 4.2.2条规定，将格构式型钢混凝土框架柱按等刚度原则代换为混凝土框架柱建模计算。以图 2的KZ-A-2为例，其代换为 880X880混凝土框架柱。由此得出配筋计算结果小于代换为十字形实腹式型钢混凝土框架柱的结果。对此，仍取上述两类简化模型得出的最不利内力值作为加固设计依据。

图1 结构整体模型

图2 原格构柱截面

图3 代换后实腹式截面

经过对结构进行整体分析核算，如地上结构为八层钢筋混凝土框架或框-剪结构时，原结构筏板基础配筋、沉降、桩基承载力及框架梁均满足设计要求。地下结构部分框架柱不满足承载力要求，需采取加固措施。

三、初步加固方案

经计算，地铁车站需加固框架柱数目由原设计单位方案的140根优化到87根。原方案加固柱较多，经分析和了解到上部结构设计单位未充分考虑格构型钢的有利作用，因而对单侧最小配筋率不足的型钢混凝土框架柱均进行了加固（部分型钢混凝土框架柱单侧最小配筋率为0.19%，规范[3]中规定柱纵向钢筋每一侧配筋率不应小于0.2%）。对此，考虑格构式型钢柱在逆做法施工过程中的变形较小，除去极个别型钢柱以外，均可考虑其实际作用，在计算柱配筋率时，应考虑型钢的贡献。部分型钢混凝土框架柱尽管单侧最小配筋率不满足规范要求，但柱计算配筋小于实配钢筋，同时柱轴压比小于轴压比限值较多时，亦可不必对单侧最小配筋率不足的柱均进行加固。因此未对单侧最小配筋率不足，轴压比在0.23-0.59间的抗震等级为三级的型钢混凝土框架柱（轴压比限值0.90）和轴压比在0.10-0.43间的抗震等级为一级的型钢混凝土框架柱（轴压比限值0.70）进行加固。

本工程中选用传统方法的改进方法，即外粘型钢与增大截面联合应用的“综合法”，从整体概念上具备较大安全储备。本工程柱未加固时轴压比在 0.10-0.72之间，剪跨比在2.5-3.8之间，不属于短柱。对于需要加固的柱采用湿包钢灌注的外粘型钢加固法，形成外套竖向空间构架组合结构，不仅自身具有较高的承载力，而且对核心混凝土的约束作用使混凝土处于三向压力状态，从而提高了混凝土材料的强度和延性。

四、优化加固方案：

我们在保持上部结构模型数据不变的基础上分析，同时也对上部结构的体系、荷载取值等提出了修改建议，如可否在不影响地铁车站正常使用的前提下在地铁车站区域增加少量剪力墙，或将剪力墙合理布置于与地铁车站无关的区域，以减轻水平地震作用对需加固框架柱的影响；尝试将地铁车站范围内地上一层结构框架柱柱底定义为铰接，或另做作为首层柱基础的局部筏基与需加固区域零层板之间可自由滑动等措施，考察当地上结构对地下需加固的框架柱不产生任何弯矩的前提下地下结构构件的受力形态；可否减轻上部结构的荷载等。经与上部结构设计单位协商，并经专家论证，上部结构各层楼面恒载降为 6.5kN/m2，活载降为3.5kN/m2。进过比较分析，上部结构设计单位提供的模型中的零层板上静载活载对地下结构框架柱的影响亦较大，即竖向荷载的不均匀分布对地下结构框架柱的弯矩影响较大。初步设计时采用上部结构设计单位提供模型中的零层荷载值，分析知该荷载值包括地铁车站施工荷载（恒载考虑覆土等取30kN/m2，活载考虑施工荷载取20kN/m2）此时地铁车站零层板及以下结构施工已完成，故可将零层板上的荷载按使用阶段设计进行降低调整，调整后恒载不变，活载降为10kN/m2。

经上述优化调整后，此时地铁车站需加固框架柱数目降至34根，比原设计单位加固方案的减少了一百多根，经计算选用加固型钢 L125X12，采用综合法加固框架柱，框架柱每边截面增大60mm。加固型钢外包于原柱截面四角，截面新增材料为C60免振自密实混凝土，满足地铁使用对截面的限制、防火及耐久性要求。当新增截面及加固型钢型号确定后再进一步从实际加固后的刚度复核确定。

需加固型钢混凝土框架柱截面为800X800，型钢含钢率为5.7%，未加固前其轴压比在0.60-0.72之间，为小偏心受压，强度不足，需要加固。加固后型钢混凝土框架柱型钢含钢率为 7.4%，在适宜含钢率 5%-8%之间。加固后其轴压比在0.53-0.64之间，仍为小偏心受压构件，在满足强度后，延性明显改善。

五、结语

本工程由于原设计地采用了格构式钢柱作为支护柱，在现行规范及计算软件的局限下，不能对格构式型钢混凝土柱直接计算分析。为此，我们通过多种近似方法进行比较分析，应是实际设计工作中常用的方式，但必须从概念、体系、荷载、构件、构造、材料、应用、计算等各方面着眼，做到概念清晰方法灵活，才能获得优化的设计成果。同时，对外粘型钢加固法比较有效地约束了内柱混凝土，是否可以统一地考虑内外格构柱与混凝土的共同作用提出了有待研究的课题。

[1]《型钢混凝土组合结构技术规程》 JGJ138-2001

[2]《钢骨混凝土结构设计规程》 YB9082-97

[3]《建筑抗震设计规范》 GB50011-2010

[4]《混凝土结构后锚固技术规程》 JGJ145-2004