天津某地鐵站地下結構框架柱加固設計

王 蒙

(天津市建筑科學研究院有限公司)

一、工程概況

該地鐵車站原設計為地下三層（地鐵車站）、地上五層（物業開發）鋼筋混凝土框架結構，其零層板及以下結構土建施工已完成。后地上擬建為八層鋼筋混凝土結構。由于地上結構層數及使用功能的改變，原設計單位經初步核算，提出對該站地下三層結構約 140根框架柱進行加固的方案。受業主委托，對該工程進行復核計算及加固優化設計。原設計單位提供了地鐵車站及相鄰區域的結構計算模型，本設計在保持該計算模型基本數據不變的前提下進行復核計算。

二、主要計算過程、結果及分析結論：

使用的計算軟件為中國建筑科學研究院 PKPM系列，其整體結構模型如圖 1所示。原設計施工方案采用逆施法，將部分基坑圍護結構格構柱與地鐵車站混凝土框架柱共同澆筑，形成型鋼混凝土框架柱，并在施工圖（柱配筋詳圖）中明確示出。

本工程根據隱蔽工程現場變形檢測記錄，復核考慮格構柱內型鋼作用。以KZ-A-2截面為例，其截面如圖2所示，因目前建模無法模擬格構柱式型鋼混凝土柱，故在計算時，按等軸向剛度，且盡可能使抗彎剛度和抗剪剛度接近格構柱的剛度原則，代換為帶翼緣的十字形實腹式型鋼混凝土柱，目前軟件編制以規程[1]為依據。為摸索其計算結果的特點，我們又按規程[2]的簡化疊加法進行了手算復核（該部分內容從略）。并采用SATWE和PMSAP分別計算用以比較分析，代換后截面如圖3所示。

規程[1]4.3.3指出：型鋼混凝土柱的保護層厚度不宜小于 120mm，而本工程型鋼柱保護層厚度為75mm，考慮到格構式型鋼混凝土柱四個角鋼已靠近柱內主筋，故將角鋼視為鋼筋混凝土柱內主筋進行了計算，同時按規程[1]的 4.2.2條規定，將格構式型鋼混凝土框架柱按等剛度原則代換為混凝土框架柱建模計算。以圖 2的KZ-A-2為例，其代換為 880X880混凝土框架柱。由此得出配筋計算結果小于代換為十字形實腹式型鋼混凝土框架柱的結果。對此，仍取上述兩類簡化模型得出的最不利內力值作為加固設計依據。

圖1 結構整體模型

圖2 原格構柱截面

圖3 代換后實腹式截面

經過對結構進行整體分析核算，如地上結構為八層鋼筋混凝土框架或框-剪結構時，原結構筏板基礎配筋、沉降、樁基承載力及框架梁均滿足設計要求。地下結構部分框架柱不滿足承載力要求，需采取加固措施。

三、初步加固方案

經計算，地鐵車站需加固框架柱數目由原設計單位方案的140根優化到87根。原方案加固柱較多，經分析和了解到上部結構設計單位未充分考慮格構型鋼的有利作用，因而對單側最小配筋率不足的型鋼混凝土框架柱均進行了加固（部分型鋼混凝土框架柱單側最小配筋率為0.19%，規范[3]中規定柱縱向鋼筋每一側配筋率不應小于0.2%）。對此，考慮格構式型鋼柱在逆做法施工過程中的變形較小，除去極個別型鋼柱以外，均可考慮其實際作用，在計算柱配筋率時，應考慮型鋼的貢獻。部分型鋼混凝土框架柱盡管單側最小配筋率不滿足規范要求，但柱計算配筋小于實配鋼筋，同時柱軸壓比小于軸壓比限值較多時，亦可不必對單側最小配筋率不足的柱均進行加固。因此未對單側最小配筋率不足，軸壓比在0.23-0.59間的抗震等級為三級的型鋼混凝土框架柱（軸壓比限值0.90）和軸壓比在0.10-0.43間的抗震等級為一級的型鋼混凝土框架柱（軸壓比限值0.70）進行加固。

本工程中選用傳統方法的改進方法，即外粘型鋼與增大截面聯合應用的“綜合法”，從整體概念上具備較大安全儲備。本工程柱未加固時軸壓比在 0.10-0.72之間，剪跨比在2.5-3.8之間，不屬于短柱。對于需要加固的柱采用濕包鋼灌注的外粘型鋼加固法，形成外套豎向空間構架組合結構，不僅自身具有較高的承載力，而且對核心混凝土的約束作用使混凝土處于三向壓力狀態，從而提高了混凝土材料的強度和延性。

四、優化加固方案：

我們在保持上部結構模型數據不變的基礎上分析，同時也對上部結構的體系、荷載取值等提出了修改建議，如可否在不影響地鐵車站正常使用的前提下在地鐵車站區域增加少量剪力墻，或將剪力墻合理布置于與地鐵車站無關的區域，以減輕水平地震作用對需加固框架柱的影響；嘗試將地鐵車站范圍內地上一層結構框架柱柱底定義為鉸接，或另做作為首層柱基礎的局部筏基與需加固區域零層板之間可自由滑動等措施，考察當地上結構對地下需加固的框架柱不產生任何彎矩的前提下地下結構構件的受力形態；可否減輕上部結構的荷載等。經與上部結構設計單位協商，并經專家論證，上部結構各層樓面恒載降為 6.5kN/m2，活載降為3.5kN/m2。進過比較分析，上部結構設計單位提供的模型中的零層板上靜載活載對地下結構框架柱的影響亦較大，即豎向荷載的不均勻分布對地下結構框架柱的彎矩影響較大。初步設計時采用上部結構設計單位提供模型中的零層荷載值，分析知該荷載值包括地鐵車站施工荷載（恒載考慮覆土等取30kN/m2，活載考慮施工荷載取20kN/m2）此時地鐵車站零層板及以下結構施工已完成，故可將零層板上的荷載按使用階段設計進行降低調整，調整后恒載不變，活載降為10kN/m2。

經上述優化調整后，此時地鐵車站需加固框架柱數目降至34根，比原設計單位加固方案的減少了一百多根，經計算選用加固型鋼 L125X12，采用綜合法加固框架柱，框架柱每邊截面增大60mm。加固型鋼外包于原柱截面四角，截面新增材料為C60免振自密實混凝土，滿足地鐵使用對截面的限制、防火及耐久性要求。當新增截面及加固型鋼型號確定后再進一步從實際加固后的剛度復核確定。

需加固型鋼混凝土框架柱截面為800X800，型鋼含鋼率為5.7%，未加固前其軸壓比在0.60-0.72之間，為小偏心受壓，強度不足，需要加固。加固后型鋼混凝土框架柱型鋼含鋼率為 7.4%，在適宜含鋼率 5%-8%之間。加固后其軸壓比在0.53-0.64之間，仍為小偏心受壓構件，在滿足強度后，延性明顯改善。

五、結語

本工程由于原設計地采用了格構式鋼柱作為支護柱，在現行規范及計算軟件的局限下，不能對格構式型鋼混凝土柱直接計算分析。為此，我們通過多種近似方法進行比較分析，應是實際設計工作中常用的方式，但必須從概念、體系、荷載、構件、構造、材料、應用、計算等各方面著眼，做到概念清晰方法靈活，才能獲得優化的設計成果。同時，對外粘型鋼加固法比較有效地約束了內柱混凝土，是否可以統一地考慮內外格構柱與混凝土的共同作用提出了有待研究的課題。

[1]《型鋼混凝土組合結構技術規程》 JGJ138-2001

[2]《鋼骨混凝土結構設計規程》 YB9082-97

[3]《建筑抗震設計規范》 GB50011-2010

[4]《混凝土結構后錨固技術規程》 JGJ145-2004