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。
表2 钢格构立柱常用规格及承载力选用表（部分）
钢管式格构柱在地铁车站中的应用
文/中交第一航务工程局有限公司 张力 王亚强
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。
格构柱在地铁车站基坑中被广泛使用，特别是在基
名称 角钢焊接式格构柱（mm） 钢管式格构柱（mm） 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。
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
设 计 图 t=14mm 表1 角钢焊接式与钢管式格构柱设计图对比件受力分析 用φ406、t=14mm钢管，同时对格构柱、连系梁、钢支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，
撑直接的连接节点进行优化匹配（如表1所示）。对焊缝要求较高，对偏心受压适应能力较差。
角钢式格构柱
表2 钢格构立柱常用规格及承载力选用表（部分）
构件受力分析
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。
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，不仅满足竖向压力，缀板的作用是将肢件连成整体，并能承担剪力，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对焊缝要求较高，对偏心受压适应能力较差。
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，其稳定性向承载力，同时加强了格构柱水平抗弯刚度，提高内
体钢管式格构柱
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:
每米重量（kg/m）226计算长度钢筋牌号Q235BQ345B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
截面尺寸B×B(mm)460×460缀板尺寸a×h×t(mm)440×300×12截面积(cm2）196角钢6m272038907m256036408m241034104L160×16表2 钢格构立柱常用规格及承载力选用表（部分）
90 China Highway
实习编辑/罗地生 美术编辑/王德本
x.8N)N＇ExβM+ηtyy≤fϕbyWy≤fβmyMyγyWy(1-0.8N)N＇EyβMyy≤≤η+xtyytx+xmxxxββMmxxxN ＇η++≤fMtyMNN+mxη++β≤≤ff+fηη+ff tyNN+mxxϕϕAWyExβMη++≤fNϕϕAWβMx+by（5.2.5-1）η+≤tyϕyϕExNϕAWxbyymxxNW(1-0.8)γAWϕϕyNNNϕϕAWϕAWxxAbyWx(1-0.8)ϕγ(1x(1xxη＇+xγxbx+≤fbyyWyNbyy＇ϕϕxW-0.8)W(1-0.8)γNϕAW(1-0.8)xbyyW-0.8)γxNyyβMxxxbyy＇βMN＇x-mxxW(10.8)＇Mϕβ＇ExNExMβWϕNtyyxNmyyby)γγxtxx-M0.8βxANNN＇βNNx(1xxηMW≤ffmyyyEytx0.8ExNEx+＇+η+x+＇≤W(1-)γ+xηx+f NExExNϕANWN≤WϕϕyAϕExMβMβNN xbxxmyβyMbyyAWϕϕtxx-MβNExybxxmyyW(1-0.8)γW(10.8)γtxx++≤fηMβMNNMβy+yyβMβNxxxW(10.8γmyy-＇＇)≤ftx+η＇myyMtxxyMβMmyβmyMyN≤+ffηWϕMβtxNϕAtxxN++≤NExybxxx+ββNNNEyAϕη++γWηmy-0.8yNEy)txMxϕbxy+Wx≤f≤fηWϕϕAy+Mβ(1yymyMβϕNϕyyϕNAW＇NW)γ-yfxbxx+y-y(1-0.8AW+γyyϕ)WW0.8＇NN+y+fηηtxAWxϕbxϕybxy(10.8)≤Ey≤＇bxxxγNy(1W(1-yN0.8)γ(1＇)NEyW-my0.8γyWyAbxxyWyMββϕϕϕϕ＇Eyy(1N-0.8)γ＇yANbxWxtxMxEyyyN＇)γ+W(1-0.8＇+η≤fNEyEyN经过计算可知：EyNϕbxWxyyϕyANEy)γyWy(1-0.8＇βMβmxMxN++ηtyy≤fNϕxAϕbyWy-mx0.8)βtyβMyMMNNγxWx(1β＇xβmxMNty≤yf+++η+η应按下列公式计算: x Ex≤fNNϕxAϕNAϕWβbyMyWβϕβMMtyyβMNW(1-0.8)γxbyymxxβMtyyβMNmxxxxtyβtyyM≤MβM0.8)ηγMWβ(1＇βmy+βmxβNNN+M-xMyfy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
（5.2.5-2）
截面积：A=17241.1mm
NEy2
弹性模量: E=206000 N/mm2
（D−d）Ix=Iy=π×44=331588415.7mm4取：4（D（−d4）γ== 1.15 444dγ64xy.15截面塑性发展系数取：塑性发展系数取：−）Dγ（γ=1−4（d）D4==331588415.7mm4444Ix=Iy=π（−d=）−d4）D==×ππD×4=331588415.mmI=I×.7mm4.7.Ix=xIIyx=ππ=331588415mmI644331588415=×=33158841577mmx=yIy=y×4−4d644）24（D64464（−）4644−⋅E⋅Aπ4D（4dd）D4==π×=331588415.7mmII4（−）d2=331588415yIxI（dD=II==ππ×.774mm47mm.2KNN==9576πeD×−464=331588415.y=x=E⋅Aπ）exy 距：IxIIx=4⋅（D4−d4）=331588415.mm2=.7=πy=×=×=331588415mmIxN2A⋅E⋅2π−26464yyd1）D64NN（=9576.42KN 惯性距：2=Iy=π×=331588415.7mm4⋅⋅λ⋅πEAπyex==e64.1⋅2ENN==9576.2KN⋅E⋅Aπ==π×=331588415.7mmIIxy=NN==..22KNyNNexe=x==95769576KN2.6421⋅λey1yNex=N=x⋅A2=9576.2KN641.12⋅⋅⋅λEπexexeye2xE⋅A21.2π2π力：N 1.1⋅⋅λ⋅1E⋅ANex==NNey===9576.2KNx1.1⋅λ⋅E⋅Aπ⋅E⋅Aπ2=9576.2KN2x=9576.2KN 欧拉临界力：exN=eyN=2π⋅E⋅A2Nex=Ney=1.1⋅λx22
抗压强度设计值：f =215 N/mm44x=9576.2KN调整系数：
exeyπN95762KNNNNe==9576.2.KN1..11⋅⋅⋅E2λ⋅exex==yey==x2A21λx1⋅λ=9576.2KNNex=Ney=1.1λ1.⋅11⋅.xλx2x1.1⋅λx数：η=0.7
比：λx=57.68 构件对x轴长细比：
数：ϕx=ϕy=轴心受压构件稳定系数：
0.890（a（a类截面）
整体稳定系数：按附录B计算，闭口截面取
取ϕbx=ϕby=1
ϕ==βmy=βtx=βty=1 I2I2xx=1633440.47==WW=Wyy==2I1633440.47xx距：MW.26KNx⋅m x=My=104 最大弯距：DD==1633440.47Wx=Wy2IDx2IxβMβNM2tyy2IβMmxxβmxNMx=xW==1633440.472mmty=yxx===1633440.47W+W+215Nmm/2Ix2Iy+W2IIyηη=N/x1633440.4747 2===1633440.WxxWxI2152I2Nϕx+ϕA量：Wxy=1633440.47Wx=Wy=Dx===1633440.47W=x=D毛截面模量： M1633440byyβNβNγWWxMϕxAϕbyW==1633440.WWy247tyymxxW==1633440.47yWW(1-0.8)===.47WWxy===1633440.WDxxxyγW(1-0.8)=215N/mm47＇yx＇NyD+Dxx+xDηDNExExNDDϕxAϕbyWyγW(1-0.8)βMβMβNMββx2令：2 yy＇βtymxxMxmxxMyytytyβMtyη+=N215N22/mmβmxMxβMNmxMx NNNN+Nηβ+++βmxβ+=215N/mmMExtyyM215/2mmmmxMMβη+=215/βMM=tyyy215+ηtyy=215N/mm2令：ϕNβmxβMmxx/NmmNβNtyϕϕAWmxM2222tyyxxtyyyNϕAWmxMNx+ηη++=215N/mmbyxϕANϕWη++=215N/mmbyyxη/mmNϕbyWybyyy=215+x+yη=N215N/mmγxW-byN0.8ϕxAxϕAγxϕ)(1--0.8x(1γW0.8byWϕN)+xWx(1＇yWNW-(10.8)NϕWϕxxAϕϕbyAxWWN＇＇)xWx(1-0.8＇)ϕγϕANx(1γx(1W-0.8 byy管 ≈ Nxx管 ≈ NEx)bybyyyNx-γxW))-0.80.8＇NEx角 角γ-＇0.8ExExxx(1xWx(1N＇Ex＇NEx＇NNExExNEx管 ≈ N角 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
数：βmx等效弯矩系数：
由以上计算结果可知，采用φ406、t=14的钢管式格构柱和4L160×16角钢式格管 ≈ N≈ N 角 管 ≈ N角 管 管 ≈ N角 角≈ N≈ N管 角 角 管
≈ N 管 角≈ N=2413.25KN钢焊接式格构柱有所增加，但整体钢管式格构柱所耗费的≈ N 管 管 角角
结果可知，采用φ406、t=14的钢管式格构柱和4L160×16角钢式格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
管
解之得：φ406、t=14mm钢管柱最大承载力N管N管 ≈ N角
≈ N角
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。
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。
结语
经过施工检验，采用整体钢管式格构柱，与传统角钢焊接式格构柱相比，受力明确、抗弯刚度大；施工方便、节省工程造价；安全环保、占用施工场地较小。整体钢管式格构柱在地铁施工中有较为广阔的应用前景。
China Highway
91
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容