钢管式格构柱在地铁车站中的应用

时间：2024-07-28

文/中交第一航务工程局有限公司张力王亚强

格构柱在地铁车站基坑中被广泛使用，特别是在基坑跨度较大的工况。由于跨度较大，为保证支撑的稳定往往在基坑内设置格构柱，以达到减少跨距和固定支撑的目的。目前，在地铁车站内使用的格构柱基本上均是按照《建筑基坑支护结构构造》（11SG814）图集里“钢格构立柱及立柱桩和钢格构柱拼接构造图”设计的角钢焊接式格构柱。此格构柱加工时工序较多、周期较长、工费较高、占用场地较大，且由于焊接较多，角钢的顺直度、焊缝质量等都难以保证。如采用钢管式格构柱，上述问题可以得到有效解决。

工程实例概况

哈尔滨市轨道交通3号线某标段共包含两站一区间。其中一车站主体基坑长482m、宽19.7m、深约17.112m，设格构柱63根。另一车站主体基坑长230m、宽19.7m、深约16.7m，设格构柱25根。初步设计均为传统角钢焊接式格构柱。

车站均位于道路交叉口城市主干道之下，车流量大，施工期间为保证道路的正常通行，施工围挡场地较小，格构柱加工场地受限。另外，哈尔滨冬期较长，每年有效施工时间仅为7个月，对进度要求较高。

格构柱设计

在初步设计阶段，均采用传统角钢焊接式格构柱，采用Q235B钢材，以四根L160×160×16mm角钢为主，由规格为400×300×14mm的缀板间距800mm焊接连成整体。

根据施工经验，结合现在施工条件，经研究分析，改为整体钢管式格构柱替代原方案。该整体钢管式格构柱采用φ406、t=14mm钢管，同时对格构柱、连系梁、钢支撑直接的连接节点进行优化匹配（如表1所示）。

表1 角钢焊接式与钢管式格构柱设计图对比

构件受力分析

角钢式格构柱

格构柱为轴心受压构件，传统工法中的格构柱主要由肢件（角钢）、缀材（缀板）构成，肢件（角钢）承受轴向压力，缀板的作用是将肢件连成整体，并能承担剪力，对焊缝要求较高，对偏心受压适应能力较差。

根据《建筑基坑支护结构构造》（11SG814）图集P63页，钢格构立柱常用规格及承载力选用表可知：Q235b材质4L160×16角钢式格构柱最大承载力为N角=2410kN。

整体钢管式格构柱

钢管式格构柱作为圆形整体钢构件，受力更加明确，且各向同性，不仅满足竖向承载力，同时加强了格构柱水平抗弯刚度，提高内支撑整体稳定性。

根据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）第5.2.5节，弯矩作用在两个主平面内的双轴对称实腹式工字形（含H形）和箱形（闭口）截面的压弯构件，其稳定性应按下列公式计算：

表2 钢格构立柱常用规格及承载力选用表（部分）

经过计算可知：

截面积：A=17241.1mm2

弹性模量： E=206000 N/mm2

解之得：φ406、t=14mm钢管柱最大承载力N管=2413.25KN

由以上计算结果可知，采用φ406、t=14的钢管式格构柱和4L160×16角钢式格构柱承载力均可满足施工需求。

施工工艺对比

施工进度与质量控制

传统角钢焊接式格构柱，施工时要先对钢板进行切割，再进行拼装焊接，且由于焊缝较多，施工速度较慢，高温也容易导致角钢变形，格构柱的顺直度和焊缝质量等难以保证。另外，在结构施工时，需要对格构柱内泥砂进行清理冲洗，以确保结构质量及防水效果。

整体钢管式格构柱，只需简单连接即可使用（焊接或螺栓连接均可），顺直度较好，基本无焊接质量隐患。另外，柱下方灌注桩混凝土浇筑完成后可对钢管柱上方加盖封堵，避免泥砂流入钢管内，结构施工时减少了清理泥砂的工作量。

安全环保与场地需求

传统角钢焊接式格构柱，施工时钢板切割、焊接等作业用时较长，焊工用量较多，需要较大的加工场地进行拼、焊接作业；另外，焊接作业所产生的光、烟雾对人和环境均会造成危害；且氧气乙炔切割作业也是一大安全隐患。

整体钢管式格构柱，钢管运至现场后可直接使用，基本无需加工，使用方便快捷，经济环保，占用施工场地较小，且不会带来因焊接质量而产生的安全隐患。

节点施工及后期处理

传统角钢焊接式格构柱，结构施工时板钢筋可以直接从孔隙中穿过或绕过，结构钢整体性较好。但需在板厚中间部位格构柱内外焊接止水环，防止地下水沿角钢侧壁进入结构内部。由于格构柱缀板间隔设置不连续，中间有空间且有错台，内外止水环下料及焊接作业较为困难，因而止水效果得不到保证。

整体钢管式格构柱，结构施工时板钢筋需断开，钢筋按照孔洞加强处理可满足规范结构受力要求。由于管壁是封闭的，内外止水环可随意确定焊接位置，且止水环与钢板连接密切，下料及焊接作业较为简单，止水效果较好。

经济效益分析

一方面，采用整体钢管式格构柱，钢管材料单价较角钢焊接式格构柱有所增加，但整体钢管式格构柱所耗费的钢材总量较传统角钢焊接式格构柱大大减少，此标段格构柱仅钢材节约成本约22.6万元。另一方面，整体钢管式格构柱无需现场加工，可直接连接使用，大幅减少电焊工的用量，每吨可节约人工费、机械费1000元左右。两站格构柱共节约60余万元。在人力资源昂贵且匮乏的今天，该项优化经济效益显著。

另外，市场上常见钢板为定尺，采用传统角钢焊接式格构柱在加工过程中缀板加工会产生部分废料，造成资源浪费。而整体钢管式格构柱基于其预制整体性，基本无废料产生，该类构件经检验处理后，可进行二次利用，带来较大的二次效益。