某明挖地铁车站钢管混凝土柱及节点设计研究

文/李义龙

1 项目概况

青岛某地铁车站为地下两层框架结构，车站长425m，宽98.8m，车站服务于高铁、地铁功能；地下一层为站厅层，层高8m；地下二层为站台层，高铁部分层高10.2m，地铁部分层高7m。车站上部有两层GTC 建筑，结构形式为框架结构。

2 钢管混凝土柱设计

地铁车站采用纵梁结构体系，框架柱采用钢管混凝土柱，钢管混凝土柱直径为1200mm，钢管壁厚为25mm，采用Q345B 钢材，钢管内灌注C60 自密实混凝土，车站采用明挖法施工。车站结构采用SAP2000 进行三维整体计算，荷载主要考虑结构自重、侧墙水土压力、设备荷载、混凝土收缩徐变、温度荷载、地震作用等影响。经整体计算，钢管混凝土柱的控制内力见下表1。

表1 钢管混凝土柱的控制内力表

按《组合结构设计规范》（JGJ 138-2016）对钢管混凝土柱受力进行计算，该钢管混凝土柱的套箍系数= 0.97，该钢管混凝土柱轴心受压承载力设计值 为Nu= 0.9ϕeϕlAcfc(1 + αθ)=49308.34kN，根 据整 体受力结果，钢管混凝土柱轴力N＜Nu，承载力满足要求[1]。

3 钢管混凝土柱梁柱节点设计

钢管混凝土柱作为地铁车站中的主要竖向受力构件，承担着地铁车站的大部分荷载，这部分荷载要通过梁柱连接节点传递至钢管混凝土柱上，同时需要满足“强柱、弱梁、强节点”设计[2]。根据研究梁柱节点设计尤为重要，本节对该项目钢管混凝土柱梁柱节点设计进行分别介绍。

3.1 柱顶节点设计

本项目钢管混凝土柱柱顶与顶梁的连接节点采用端承式节点，端承式柱顶节点一般由上环板、肋板和下环板组成，钢管混凝土柱柱内配置竖向短钢筋笼，两端分别锚入钢管混凝土柱内和顶纵梁内，锚固长度满足规范要求[3]。端承式柱顶节点竖向剪力由肋板承担，水平剪力由柱内钢筋笼承担，并应验算上环板处混凝土的局部承压。本项目为满足柱顶刚接，实现柱顶弯矩的传递，采用将上环板上布置锚筋，锚筋与上环板穿孔塞焊，通过锚筋来传递弯矩。

本项目柱顶纵梁截面为1800mm×2400mm，柱顶节点顶板采用八边形布置，顶板厚度为60mm，采用Q345B 钢材；沿钢管柱均布24 道竖向肋板，肋板厚度25mm；竖向肋板下布置下环板，厚度35mm。

根据整体计算模型，钢管混凝土柱柱顶控制内力见下表2：

表2 钢管混凝土柱柱顶控制内力表

根据控制内力，柱顶节点按按压弯进行设计，锚筋抗弯承载力计算按预埋件方式进行计算，经计算，需配锚筋面积为39750mm2，实配锚筋10428，满足要求；锚筋采用HRB400 钢筋，与顶板以穿孔塞焊进行连接；锚筋与纵梁钢筋平行布置，方便纵梁钢筋排布，布置见下图1。

图1 柱顶节点布置图

3.2 中间层梁柱节点设计

钢管混凝土柱中间层梁柱节点采用承重销式连接节点，框架梁在节点区梁端部进行扩大，形成扩大头；部分梁纵筋通过弯绕进行贯通，受钢管混凝土柱影响无法贯通的梁纵筋焊接与钢筋连接板上，且根据规范规定宜保证有一半梁钢筋贯通。梁端剪力通过承重销进行传递，承重销采用穿心腹板形式，翼缘在钢管内延伸一部分，见图2[4]。中间层梁柱节点计算如下：

图2 中间层梁柱节点布置图

3.2.1 承重销抗剪设计

中间层梁截面为1200mm×1400mm，根据整体模型计算，梁端最大剪力为2750kN，剪力全由承重销进行承担，本节点承重销截面为H650×420×35×35。

根据规范，承重销的受剪承载力：

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

其中：Vu1= 0.75β2fcAl= 3556.75kN

3.2.2 钢筋连接板承载力验算

梁钢筋连接板主要连接受钢管影响无法贯通的钢筋，根据设计，节点板最多连接12 根直径32mm 的HRB400 钢筋，连接板厚35mm，宽900mm。

根据《钢管混凝土结构技术规范》（GB50936-2014）式7.2.1，板的最小厚度

3.3 柱脚节点设计

本工程基底位于中风化砂岩上，承载力较高，钢管混凝土柱柱脚节点可采用外露式节点，外露式节点主要由环形底板、加劲肋和刚性锚杆组成；柱脚节点位于基底底纵梁上，纵梁截面为2400mm×2600mm。节点计算时需验算柱脚下混凝土的局压承载力和抗剪承载力，另外还需验算锚栓在偏心受压状态下的承载力，同时柱脚底的环形底板及加劲肋也需进行验算。

根据整体模型计算结果，钢管混凝土柱柱脚控制内力见下表3：

表3 钢管混凝土柱柱脚控制内力

3.3.1 对柱底板下混凝土承载力验算，控制工况为工况三，根据公式：

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

柱底混凝土承载力满足规范要求。

3.3.2 锚栓验算

根据《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99-2015）柱脚锚栓按混凝土压弯构件进行验算。根据设计，受拉侧锚栓面积As = 16534mm2，最不利工况为工况二，柱脚弯矩2431kN.m，钢管柱轴力6122.4kN。

计算时，圆形截面柱根据规范可等效为正方形截面进行验算等效截面等效宽度b=1.76r=1724mm，等效h0=1.6r=1568mm。在轴力N=18164.8kN 作用下，最大抗弯承载力M=8918kN.m＞2431kN.m，满足规范要求。

3.3.3 柱脚地震作用验算

根据《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99-2015）应进行柱脚极限受弯承载力验算。该验算工况下，最不利计算工况为工况一，该工况下钢管柱Ny=5665.8kN，N/Ny=0.183＜0.2，钢管柱的全塑性受弯承载力Mpc=Mp=11564kN.m。

柱脚锚栓按混凝土压弯构件进行验算，取材料标准值进行锚栓受变承载力计算。在轴力N=5665.8kN作用下，最大抗弯承载力M=11806kN.m＞Mpc，满足规范要求。柱底节点布置图见图3。

图3 柱底节点布置图

4 结语

地铁车站作为城市公共交通的重要一环，其重要性不言而喻。钢管混凝土柱是地铁车站的主要受力构件，在设计时需重点考虑，同时由于地铁车站钢管混凝土柱与高层结构不同，其节点受施工工法影响，不同的施工工法需采用不同的节点连接形式，节点设计时应明确采用何种施工方式。本文从实际案例出发，介绍了地铁车站钢管混凝土柱的设计及其与各层节点连接的设计，以此为后续设计提供参考。