半逆作法地下空间钢管混凝土柱的节点设计

顾云磊

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092]

0 引言

按照《钢管混凝土结构设计规范》[1]给出的定义，钢管混凝土构件（Concrete-filled Steel Tubular members, CFST 构件）是一种在圆形、矩形或多边形钢管内部填充混凝土，由两种材料共同承受外部荷载作用的构件形式，其优点在于：一方面，钢管对内部混凝土提供侧向约束，使其承载能力远大于常规钢筋混凝土，从而能有效减小柱截面尺寸；另一方面，内部混凝土的存在对钢材起到了保护作用，从而减少了后期防腐、防火的维护成本。钢管混凝土柱在高层建筑、厂房、桥梁中的应用较为成熟，近年来也多出现在采用逆作法施工的地铁车站工程中，它将施工阶段的临时柱和使用阶段的永久柱合二为一，是一种较为经济合理的结构形式。

钢管混凝土柱需根据结构布置及施工组织进行有针对性的设计，由混凝土环梁及环形牛腿承担传来的剪力，必要时还需对环梁的抗弯承载力进行补充分析。本文以南京市江北新区某半逆作法地下空间结构所采用的钢管混凝土柱为例，对其梁柱节点的设计流程进行探讨。

1 工程概况

南京市江北新区某超大型地下空间为地下六层结构，其中地下一层为商业层，地下二层为停车库及地下环路，地下三层为停车库及管廊，地下四层为地铁站厅层，局部设置管廊夹层，地下五层为地铁设备层，地下六层为地铁站台层。上三层由市政院设计，远期将与各地块商业连为整体，下三层由地铁院设计，同地下空间合建。地下商业、车库主体结构采用框架结构形式，地下环路、管廊采用箱涵结构形式，基础采用平板式筏板基础，抗浮不满足时设置钻孔灌注桩。

本案例为目前国内江边软土挖深最大的地铁车站，标准段基坑深度约为45 m，基坑工程风险较大。经工法比选，采用半顺半逆作法施工，钢管混凝土柱从地面下放，单根最大长度达59m，钢材采用Q345，混凝土采用C50。基坑开挖至地下三层底板后，首先向上施工地下空间结构，待封顶后再逆作开挖下部车站结构。钢管柱柱身预设环形牛腿，待顺作施工时浇筑环梁，使之与混凝土梁板形成受力整体。钢管柱上三层现场照片如图1，立面如图2，地下三层结构平面布置如图3。

图1 现场照片

图2 上三层立面简图（单位：mm）

图3 地下三层结构平面布置图（单位：mm）

2 梁柱节点形式

本案例层数较多，功能复杂，同一层内存在梁板与厚板两种楼盖体系，钢管混凝土节点需考虑衔接，因地铁车站、地下环路及商业主动线的功能需求，导致较多抽柱及托柱转换的出现，故梁柱连接应被视作钢管混凝土设计中的关键环节，给予特别的关注。中国建筑科学研究院在图集《钢管混凝土结构构造》[2]中给出了多种应用成熟的节点形式，综合各种因素，本工程梁柱连接采用环梁- 环形牛腿节点，在与厚板相接的部位进行了改进，如图4、图5，柱顶节点采用下放钢筋笼的形式，并将环形盖板改进为法兰环，以便于施工单位调整垂直度，如图6。

图4 环梁- 环形牛腿梁柱连接（单位：mm）

图5 环梁- 环形牛腿梁柱连接剖面图

图6 圆钢管混凝土柱的顶端连接（单位：mm）

3 环梁- 环形牛腿梁柱连接节点设计

3.1 环梁- 环形牛腿梁柱连接节点的传力机制

方小丹等曾利用试验揭示了环梁- 环形牛腿梁柱连接节点的传力机制[3]。试验结果表明，此类节点通过绕钢管设置的钢筋混凝土环梁传递弯矩，通过绕钢管焊接于环梁内的环形钢筋或环形牛腿传递剪力。由于框架梁主筋仅锚固在环梁混凝土内，现场施工方便，钢管无需与钢筋焊接或开孔使其穿过，内部相应位置也无需加强。

同济大学则通过精细化有限元数值模拟对此类节点的承载力进行了对比研究[4]。计算结果表明，该节点可以满足“强柱弱梁”及“强节点弱构件”的抗震设计要求，其极限承载力性能远高于设计水准，具有足够的安全冗余，且对斜交梁系不敏感。相关分析还指出，环梁纵筋配筋率不是该节点承载力的主要影响因素，因此当节点需要局部加强时，可从环梁尺寸、抗剪环布置、箍筋等方面着手考虑。

3.2 环梁- 环形牛腿梁柱连接节点的抗剪设计

环梁所承受的框架梁梁端剪力主要通过三个途径传递给钢管混凝土柱[5]：（1）通过环梁混凝土与抗剪环接触面的局部承压作用力将剪力由环梁传递到抗剪环上，再通过抗剪环与钢管间的焊缝将剪力传递到钢管上；（2） 环梁混凝土与钢管之间的粘结作用；（3）梁端弯矩引起环梁上端或下端挤压钢管混凝土柱而产生的静摩擦力。《钢管混凝土结构技术规范》[1]仅计入上述三个途径中的第一个，给出环形牛腿抗剪承载力计算公式如下：

式中：Vu1=π（D + b）bfc，为由环形牛腿支承面上的混凝土局部承压强度决定的受剪承载力，N；Vu2=nhwtwfv，为由肋板抗剪强度决定的受剪承载力，N；Vu3=∑lwhefwf，为由肋板与管壁的焊接强度决定的受剪承载力，N；Vu4=π（D + 2b）l·2ft，为由环形牛腿上部混凝土的直剪或冲切强度决定的受剪承载力，N；Vu5=4πt（hw+ t）fs，为由环形牛腿上下环板决定的受剪承载力，N；D 为钢管外径，mm；b 为环板宽度，mm；l 为直剪面高度，mm；t 为环板厚度，mm；n 为肋板数量，hw为肋板高度，mm；tw为肋板厚度，mm；fv为钢材抗剪强度设计值，MPa；fs为钢材抗拉强度，MPa；强度设计值，MPa；∑lw为肋板与钢管壁连接角焊缝的计算总长度，mm；he为角焊缝有效高度，mm；fwf为角焊缝抗剪强度设计值，MPa；fc为楼盖混凝土抗压强度设计值，MPa；ft为楼盖混凝土抗拉强度设计值，MPa。

在本案例中，环形牛腿所承担剪力来自与钢管混凝土柱相交梁板，其数值多在1 500 kN 至3 000 kN 之间，最大值约为6 700 kN。结合相交梁高度，可将环梁节点按肋板数量及环梁高度分为三类，见表1。

表1 环梁节点分类

此外，在钢管外表面环梁高度范围内还均匀设置了抗剪栓钉，栓钉直径25 mm，长度100 mm，竖向间距150 mm，环向间距20°，单个栓钉的抗剪承载力设计值约为103 kN。抗剪栓钉不参与抗剪计算，仅作为安全储备。

3.3 环梁- 环形牛腿梁柱连接节点的抗弯设计

框架梁与钢管混凝土柱之间的弯矩传递以环梁为中介[5]：当框架梁端传来负弯矩时，环梁下端挤压钢管混凝土柱，柱反作用于环梁并产生抵抗弯矩，该抵抗弯矩与本层楼板的约束作用相叠加，共同减小了环梁上部与柱之间的脱离趋势。若将框架梁端负弯矩分解为环梁上部和下部的一对拉力和压力，则拉力由环梁上部环筋与楼板共同承担，压力由环梁下部混凝土承担并传递给钢管混凝土柱。此传递过程一般无需计算，但需满足相应构造要求，以保证环梁不先于框架梁端出现塑性铰。

环梁需满足的构造要求包括：环梁高度宜比框架梁高50 mm，环梁宽度不宜小于框架梁宽度，框架梁纵向钢筋在环梁内应满足相应锚固长度，环梁上下环筋的截面积应分别不小于框架梁上下纵筋的0.7 倍等。设计时应结合相交梁截面确定基本环梁尺寸，再根据剪力计算情况进行归并，同时考虑梁下净高、板面高差、开洞位置等因素的影响。

为验证环梁节点的抗弯特性，找出需要局部加强的薄弱部位，建立三维弹性有限元模型对位于地下二层的抗弯最不利节点进行初步分析。该节点一端与托柱转换梁相连，其余方向均为普通梁，由此产生较大单侧弯矩，其最大梁端弯矩为4 500 kN，不平衡弯矩为3 200 kN。该节点尺寸及配筋如图7，有限元计算模型如图8。梁端弯矩及剪力取1.3D+1.5L，柱底为刚性约束，忽略混凝土梁配筋，忽略钢管与环梁混凝土之间的粘结滑移影响。

图7 节点尺寸及配筋（单位：mm）

图8 有限元计算模型

节点的Von Mises 应力云图如图9。可知应力峰值点位于转换梁与环梁相接面上部两侧凹口处（位置1），其值为211.0 MPa。忽略梁配筋影响，则该处混凝土将出现局部开裂，成为整个节点的最薄弱环节。相应位置混凝土柱峰值应力为46.3 MPa （位置2），钢管峰值应力为89.0 MPa（位置3），说明混凝土环梁起到了良好的缓冲作用，应力被消解在环梁内部的环筋和箍筋中。在实际设计中，为避免转换梁端出现裂缝，除了按构造要求配置环梁环筋外，还应在保证环梁箍筋直径不小于相交梁的基础上，对应力峰值附近箍筋进行局部加强，可将转换梁及两侧各0.5 m 范围箍筋截面加大一级。

图9 Von Mis e s 应力云图

最后，根据《钢管混凝土结构技术规范》[1]附录D对环梁环筋实配面积及箍筋单肢面积进行复核，当环梁环向钢筋的强度等级与框架梁相同、环向钢筋直径相同且水平间距相等时，在考虑楼板作用的条件下，环梁受拉环筋面积及箍筋单肢面积可按以下公式计算：

式中：Ash为环向钢筋截面面积，mm2；Ask为框架梁梁端受拉钢筋面积，mm2；Asv为环梁箍筋单肢箍面积，mm2；fy为环梁环向钢筋受拉强度设计值，MPa；γH为箍筋夹角，rad；fyv为箍筋抗拉强度设计值，MPa；αv为闭合箍筋计算系数。

经复核，Ash= 0.70×12 860= 9 002，实配9 650，Asv= 0.19×360×12 860×0.105 3/（360×3）≈86，实配113（框架梁端为154），均满足上述公式要求。

4 结语

南京市江北新区某半逆作法地下空间结构采用钢管混凝土柱兼做临时柱及永久柱，其梁柱节点设计对于类似结构具有一定的借鉴意义。

（1）钢管混凝土柱在采用半逆作法施工的地下空间结构中具有良好的适应性；

（2）本工程中所采用的环梁- 环形牛腿梁柱连接节点具有足够的抗剪及抗弯性能，在设计中应注意转换梁等不利情况，对环梁薄弱环节的配筋进行局部加强；

（3）在后续的进一步研究中，将对最不利梁柱连接节点进行考虑实际配筋的非线性有限元分析，以期对该节点的受力特性及破坏情况进行更准确的模拟。