1、2021年月第期 城市道橋與防洪 結(jié)構(gòu) 半逆作法地下空間鋼管混凝土柱的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)收稿日期：2021-03-01作者簡介：顧云磊（1986-），男，碩士，工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。顧云磊1（1. 上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司,上海市 200092）摘要: 針對南京某采用半逆作法的超大型地下空間鋼管混凝土柱設(shè)計(jì)實(shí)例，提出了適用于本工程的改進(jìn)的梁柱節(jié)點(diǎn)形式，總結(jié)了環(huán)梁-環(huán)形牛腿梁柱節(jié)點(diǎn)的傳力機(jī)制及設(shè)計(jì)流程，對本工程中的抗彎最不利節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元補(bǔ)充分析，以期為類似設(shè)計(jì)提供有益的參考。結(jié)果表明，該節(jié)點(diǎn)能夠滿足承載力需求，但應(yīng)在配筋時(shí)進(jìn)行局部加強(qiáng)。關(guān)鍵詞：半逆作法；鋼管混凝土柱；梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)；

2、有限元分析中圖分類號：TU528.59 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： 文章編號:1009-7716(2017)07-0000-00 引言按照鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范1給出的定義，鋼管混凝土構(gòu)件(Concrete-filled Steel Tubular members, CFST構(gòu)件)是一種在圓形、矩形或多邊形鋼管內(nèi)部填充混凝土，由兩種材料共同承受外部荷載作用的構(gòu)件形式，其優(yōu)點(diǎn)在于：一方面，鋼管對內(nèi)部混凝土提供側(cè)向約束，使其承載能力遠(yuǎn)大于常規(guī)鋼筋混凝土，從而能有效減小柱截面尺寸；另一方面，內(nèi)部混凝土的存在對鋼材起到了保護(hù)作用，從而減少了后期防腐、防火的維護(hù)成本。鋼管混凝土柱在高層建筑、廠房、橋梁中的應(yīng)用較為成熟

3、，近年來也多出現(xiàn)在采用逆作法施工的地鐵車站工程中，它將施工階段的臨時(shí)柱和使用階段的永久柱合二為一，是一種較為經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)形式。鋼管混凝土柱需根據(jù)結(jié)構(gòu)布置及施工組織進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)，由混凝土環(huán)梁及環(huán)形牛腿承擔(dān)傳來的剪力，必要時(shí)還需應(yīng)對環(huán)梁的抗彎承載力進(jìn)行補(bǔ)充分析。本文以南京市江北新區(qū)某半逆作法地下空間結(jié)構(gòu)所采用的鋼管混凝土柱為例，對其梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行探討。1 工程概況南京市江北新區(qū)某超大型地下空間為地下六層結(jié)構(gòu)，其中地下一層為商業(yè)層，地下二層為停車庫及地下環(huán)路，地下三層為停車庫及管廊，地下四層為地鐵站廳層，局部設(shè)置管廊夾層，地下五層為地鐵設(shè)備層，地下六層為地鐵站臺(tái)層。上三層由市政院設(shè)計(jì)

4、，遠(yuǎn)期將與各地塊商業(yè)連為整體，下三層由地鐵院設(shè)計(jì)，同地下空間合建。地下商業(yè)、車庫主體結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)形式，地下環(huán)路、管廊采用箱涵結(jié)構(gòu)形式，基礎(chǔ)采用平板式筏板基礎(chǔ)，抗浮不滿足時(shí)設(shè)置鉆孔灌注樁。本案例為目前國內(nèi)江邊軟土挖深最大的地鐵車站，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度約為45m，基坑工程風(fēng)險(xiǎn)較大。經(jīng)工法比選，采用半順半逆作法施工，鋼管混凝土柱從地面下放，單根最大長度達(dá)59m，鋼材采用Q345，混凝土采用C50。基坑開挖至地下三層底板后，首先向上施工地下空間結(jié)構(gòu)，待封頂后再逆作開挖下部車站結(jié)構(gòu)。鋼管柱柱身預(yù)設(shè)環(huán)形牛腿，待順作施工時(shí)澆筑環(huán)梁，使之與混凝土梁板形成受力整體。鋼管柱上三層現(xiàn)場照片如圖1，立面如圖2，地下三

5、層結(jié)構(gòu)平面布置如圖3。 圖1 現(xiàn)場照片 圖2 上三層立面簡圖（單位：mm）(單位：)請作者添加單位。已添加。圖3 地下三層結(jié)構(gòu)平面布置圖（單位：mm）2梁柱節(jié)點(diǎn)形式本案例層數(shù)較多，功能復(fù)雜，同一層內(nèi)存在梁板與厚板兩種樓蓋體系，鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)需考慮銜接，因又由于地鐵車站、地下環(huán)路及商業(yè)主動(dòng)線的功能需求，導(dǎo)致了較多抽柱及托柱轉(zhuǎn)換的出現(xiàn)，因此，故梁柱連接應(yīng)被視作鋼管混凝土設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，給予特別的關(guān)注。中國建筑科學(xué)研究院在圖集鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造2中給出了多種應(yīng)用成熟的節(jié)點(diǎn)形式，綜合各種因素，本工程梁柱連接采用環(huán)梁-環(huán)形牛腿節(jié)點(diǎn)，在與厚板相接的部位進(jìn)行了改進(jìn)，如圖4、圖5，柱頂節(jié)點(diǎn)采用下放鋼筋籠的形

6、式，并將環(huán)形蓋板改進(jìn)為法蘭環(huán)，以便于施工單位調(diào)整垂直度，如圖6。a.接框架梁詳圖 b.接厚板詳圖圖4 環(huán)梁-環(huán)形牛腿梁柱連接（單位：mm）a.1-1剖面 b.2-2剖面圖5 環(huán)梁-環(huán)形牛腿梁柱連接剖面圖a.頂端連接詳圖 b.1-1剖面圖6 圓鋼管混凝土柱的頂端連接（單位：mm）3環(huán)梁-環(huán)形牛腿梁柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)3.1環(huán)梁-環(huán)形牛腿梁柱連接節(jié)點(diǎn)的 傳力機(jī)制方小丹等曾利用試驗(yàn)揭示了環(huán)梁-環(huán)形牛腿梁柱連接節(jié)點(diǎn)的傳力機(jī)制3。試驗(yàn)結(jié)果表明，此類節(jié)點(diǎn)通過繞鋼管設(shè)置的鋼筋混凝土環(huán)梁傳遞 彎矩，通過繞鋼管焊接于環(huán)梁內(nèi)的環(huán)形鋼筋或環(huán)形牛腿傳遞剪力。由于框架梁主筋僅錨固在環(huán)梁混凝土內(nèi)，現(xiàn)場施工方便，鋼管無需與鋼筋焊

7、接或開孔使其穿過，內(nèi)部相應(yīng)位置也無需加強(qiáng)。同濟(jì)大學(xué)則通過精細(xì)化有限元數(shù)值模擬對此類節(jié)點(diǎn)的承載力進(jìn)行了對比研究4。計(jì)算結(jié)果表明，該節(jié)點(diǎn)可以滿足“強(qiáng)柱弱梁”及“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)要求，其極限承載力性能遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，具有足夠的安全冗余，且對斜交梁系不敏感。相關(guān)分析還指出，環(huán)梁縱筋配筋率不是該節(jié)點(diǎn)承載力的主要影響因素，因此故當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要局部加強(qiáng)時(shí)，可從環(huán)梁尺寸、抗剪環(huán)布置、箍筋等方面著手考慮。3.2環(huán)梁-環(huán)形牛腿梁柱連接節(jié)點(diǎn)的抗剪設(shè)計(jì)環(huán)梁所承受的框架梁梁端剪力主要通過三個(gè)途徑傳遞給鋼管混凝土柱5：（1）通過環(huán)梁混凝土與抗剪環(huán)接觸面的局部承壓作用力將剪力由環(huán)梁傳遞到抗剪環(huán)上，再通過抗剪環(huán)與鋼管間的

8、焊縫將剪力傳遞到鋼管上；（2）環(huán)梁混凝土與鋼管之間的粘結(jié)作用；（3）梁端彎矩引起環(huán)梁上端或下端擠壓鋼管混凝土柱而產(chǎn)生的靜摩擦力。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范1 僅計(jì)入上述三個(gè)途徑中的第一個(gè)點(diǎn)，給出環(huán)形牛腿抗剪承載力計(jì)算公式如下：Vu = min Vu1, Vu2, Vu3, Vu4, Vu5 (1)請作者解釋公式：式中：(如含有單位，請?zhí)砑訂挝?已調(diào)整行文、補(bǔ)充解釋并添加單位。式中符號參見相應(yīng)條文。其中式中，Vul =(D + b)bfc，取決于為由環(huán)形牛腿支承面上的混凝土局部承壓強(qiáng)度決定的受剪承載力（N）；，Vu2 = nhwtwfv，取決于為由肋板鋼材抗剪強(qiáng)度決定的受剪承載力（N）；，Vu3 =

9、lwheffw，取決于為由肋板與鋼管間管壁的焊接強(qiáng)度決定的受剪承載力（N）；，Vu4 =(D + 2b)l2ft，取決于為由環(huán)形牛腿上部混凝土的抗直剪或沖切強(qiáng)度決定的受剪承載力（N）；，Vu5 =4t(hw + t)fs，取決于為由環(huán)形牛腿上下環(huán)板決定的受剪承載力（N）。，D為鋼管外徑（mm），b為環(huán)板寬度（mm），l為直剪面高度（mm），t為環(huán)板厚度（mm），n為肋板數(shù)量，hw為肋板高度（mm），tw為肋板厚度（mm），fv為鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa），fs為鋼材抗拉（壓）強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa），lw為肋板與鋼管壁連接角焊縫的計(jì)算總長度（mm），he為角焊縫有效高度（mm），ffw為角焊縫抗

10、剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa），fc為樓蓋混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa），ft為樓蓋混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa）。在本案例中，環(huán)形牛腿所承擔(dān)剪力來自與鋼管混凝土柱相交梁板，其數(shù)值多在1500kN至3000kN之間，最大值約為6700kN。結(jié)合相交梁高度，可將環(huán)梁節(jié)點(diǎn)按肋板數(shù)量及環(huán)梁高度分為三類，見表1。表1 環(huán)梁節(jié)點(diǎn)分類環(huán)梁節(jié)點(diǎn)分類肋板數(shù)量環(huán)梁高度/mm抗剪承載力/kN最薄弱環(huán)節(jié)節(jié)點(diǎn)188504370Vu3節(jié)點(diǎn)2188506350Vu4節(jié)點(diǎn)31816509840Vu3此外，在鋼管外表面環(huán)梁高度范圍內(nèi)還均勻設(shè)置了抗剪栓釘，栓釘直徑25mm，長度100mm，豎向間距150mm，環(huán)向間距20，單個(gè)栓釘?shù)目?/p>

11、剪承載力設(shè)計(jì)值約為103kN?？辜羲ㄡ敳粎⑴c抗剪計(jì)算，僅作為安全儲(chǔ)備。3.3環(huán)梁-環(huán)形牛腿梁柱連接節(jié)點(diǎn)的抗彎設(shè)計(jì)框架梁與鋼管混凝土柱之間的彎矩傳遞以環(huán)梁為中介5：當(dāng)框架梁端傳來負(fù)彎矩時(shí)，環(huán)梁下端擠壓鋼管混凝土柱，柱反作用于環(huán)梁并產(chǎn)生抵抗彎矩，該抵抗彎矩與本層樓板的約束作用相疊加，共同減小了環(huán)梁上部與柱之間的脫離趨勢。若將框架梁端負(fù)彎矩分解為環(huán)梁上部和下部的一對拉力和壓力，則拉力由環(huán)梁上部環(huán)筋與樓板共同承擔(dān)，壓力由環(huán)梁下部混凝土承擔(dān)并傳遞給鋼管混凝土柱。此傳遞過程一般無需計(jì)算，但需滿足相應(yīng)構(gòu)造要求，以保證環(huán)梁不先于框架梁端出現(xiàn)塑性鉸。環(huán)梁需滿足的構(gòu)造要求包括：環(huán)梁高度宜比框架梁高50mm，環(huán)梁寬

12、度不宜小于框架梁寬度，框架梁縱向鋼筋在環(huán)梁內(nèi)應(yīng)滿足相應(yīng)錨固長度，環(huán)梁上下環(huán)筋的截面積應(yīng)分別不小于框架梁上下縱筋的0.7倍等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合相交梁截面確定基本環(huán)梁尺寸，再根據(jù)剪力計(jì)算情況進(jìn)行歸并，同時(shí)考慮梁下凈高、板面高差、開洞位置等因素的影響。為驗(yàn)證環(huán)梁節(jié)點(diǎn)的抗彎特性，找出需要局部加強(qiáng)的薄弱部位，建立三維彈性有限元模型對位于地下二層的抗彎最不利節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初步分析。該節(jié)點(diǎn)一端與托柱轉(zhuǎn)換梁相連，其余方向均為普通梁，由此產(chǎn)生較大單側(cè)彎矩，其最大梁端彎矩為4500kN，不平衡彎矩為3200kN。該節(jié)點(diǎn)尺寸及配筋如圖7，有限元計(jì)算模型如圖8。梁端彎矩及剪力取1.3D+1.5L，柱底為剛性約束，忽略混凝土梁配

13、筋，忽略鋼管與環(huán)梁混凝土之間的粘結(jié)滑移影響。 圖7 節(jié)點(diǎn)尺寸及配筋（單位：mm） 圖8 有限元計(jì)算模型節(jié)點(diǎn)的Von Mises應(yīng)力云圖如圖9?？芍獞?yīng)力峰值點(diǎn)位于轉(zhuǎn)換梁與環(huán)梁相接面上部兩側(cè)凹口處（位置1），其值為211.0MPa。忽略梁配筋影響，則該處混凝土將出現(xiàn)局部開裂，成為整個(gè)節(jié)點(diǎn)的最薄弱環(huán)節(jié)。相應(yīng)位置混凝土柱峰值應(yīng)力為46.3MPa（位置2），鋼管峰值應(yīng)力為89.0 MPa（位置3），說明混凝土環(huán)梁起到了良好的緩沖作用，應(yīng)力被消解在環(huán)梁內(nèi)部的環(huán)筋和箍筋中。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為避免轉(zhuǎn)換梁端出現(xiàn)裂縫，除了按構(gòu)造要求配置環(huán)梁環(huán)筋外，還尚應(yīng)在保證環(huán)梁箍筋直徑不小于相交梁的基礎(chǔ)上，對應(yīng)力峰值附近箍筋進(jìn)行

14、局部加強(qiáng)，可將轉(zhuǎn)換梁及兩側(cè)各0.5m范圍箍筋截面加大一級。3211 a.整體 b.混凝土柱 c.鋼管圖9 Von Mises應(yīng)力云圖最后，根據(jù)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范1附錄D，對環(huán)梁環(huán)筋實(shí)配面積及箍筋單肢面積進(jìn)行復(fù)核，。當(dāng)環(huán)梁環(huán)向鋼筋的強(qiáng)度等級與框架梁相同、環(huán)向鋼筋直徑相同且水平間距相等時(shí)，在考慮樓板作用的條件下，環(huán)梁受拉環(huán)筋面積及箍筋單肢面積可按以下公式計(jì)算： Ash=0.70 Ask (2)Asv=0.19fyAskH/(fyvv) (3)式中，請作者對公式進(jìn)行解釋，如公式中含有單位請?zhí)砑訂挝弧Ｒ蜒a(bǔ)充解釋并添加單位。Ash為環(huán)向鋼筋截面面積（mm2），Ask為框架梁梁端受拉鋼筋面積（mm2）

15、，Asv為環(huán)梁箍筋單肢箍面積（mm2），fy為環(huán)梁環(huán)向鋼筋受拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa），H為箍筋?yuàn)A角（弧度），fyv為箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa），v為閉合箍筋計(jì)算系數(shù)。經(jīng)復(fù)核，Ash=0.7012860=90020，實(shí)配9650，Asv=0.19360128600.1053/(3603)=86實(shí)際計(jì)算結(jié)果不為86，為85.76334，是否為約數(shù)？為約數(shù)，已修改為約等號。，實(shí)配113（框架梁端為154），均滿足上述公式要求。4結(jié)語南京市江北新區(qū)某半逆作法地下空間結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土柱兼做臨時(shí)柱及永久柱，其梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)對于類似結(jié)構(gòu)具有一定的借鑒意義。（1）鋼管混凝土柱在采用半逆作法施工的地下空間結(jié)構(gòu)中

16、具有良好的適應(yīng)性；（2）本工程中所采用的環(huán)梁-環(huán)形牛腿梁柱連接節(jié)點(diǎn)具有足夠的抗剪及抗彎性能，在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意轉(zhuǎn)換梁等不利情況，對環(huán)梁薄弱環(huán)節(jié)的配筋進(jìn)行局部加強(qiáng)；（3）在后續(xù)的進(jìn)一步研究中，將對最不利梁柱連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行考慮實(shí)際配筋的非線性有限元分析，以期對該節(jié)點(diǎn)的受力特性及破壞情況進(jìn)行更準(zhǔn)確的模擬。參考文獻(xiàn)1 GB50936-2014. 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范S.2 06SG524. 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造S.3 方小丹, 李少云, 陳愛軍. 新型鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究J. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 1999(5): 2-10.4 吳強(qiáng), 錢江, 周穎, 胡凱, 陳祎. 基于ANSYS的復(fù)雜鋼管混凝土-環(huán)梁節(jié)

17、點(diǎn)承載力性能研究J. 結(jié)構(gòu)工程師, 2015, 31(4): 78-84.5 錢稼茹, 周棟梁, 方小舟. 鋼管混凝土柱-RC環(huán)梁節(jié)點(diǎn)及其應(yīng)用J. 建筑結(jié)構(gòu), 2003, 33(9): 60-62,72收稿日期：2021-03-05作者簡介：顧云磊（1986-），男，碩士，工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。作者聯(lián)系方式姓名顧云磊郵箱cloustone電話（或手機(jī)訊地址上海市楊浦區(qū)中山北二路901號12樓郵編200092Joint Design of Concrete-filled Steel Tubular Columns at Underground SpaceUsing

18、Semi-top-down Construction MethodGU YunleiAbstract：Based on a concrete-filled steel tubular (CFST) column design case at a super large underground space using semi-top-down construction method, several improved beam-column joints were proposed, force transmission mechanism and design process of ring-beam-bracket joints were summarized, and a supplementary finite element analysis of most disadvantageous flexural joint was carried out, in order to provide a beneficial