地铁车站钢管混凝土柱设计
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钢管混凝土结构柱是将混凝土填入钢管内形成的一种 组合结构。混凝土的抗压强度高，但抗拉强度低； 钢构件的 承载力高，具有良好的塑性性能，但受压构件容易失稳，使 钢构件的承载力不能得到充分发挥。而钢管混凝土构件则 能够将这两者的 优 点 有 机 结 合 起 来，使 钢 管 内 混 凝 土 在 承 受轴向压力同时还受侧压力，使构件处于三向受压状态； 由 于钢管在外部形成的约束效应可延缓和限制管内混凝土微 裂缝的发生，对于已经发生的微细裂缝，还有重新闭合的趋 势，因而钢管混凝土柱具有更高的抗压强度和塑性性能［1］。 2 钢管混凝土设计 2. 1 钢管柱设计
竖向荷载。文中对钢管混凝土柱节点设计进行了重点分析，并介绍了加强环式中节点计算方法，为类似工程提供
设计参考。
【关键词】 地铁车站； 钢管混凝土柱； 节点设计； 加强环式
【中图分类号】 TU921
【文献标识码】 B
【文章编号】 1001 － 6864（ 2012） 12 － 0032 － 02
在地下车站 结 构 中，采 用 高 强 混 凝 土 钢 管 柱 是 解 决 采 用普通混凝土出 现 轴 压 比 超 限、柱 截 面 尺 寸 过 大 问 题 的 最 好措施之一。 近 年 来，在 城 市 中 心 地 区 修 建 的 地 铁 车 站 多 为浅埋式的、具有综合功能的多层地下建筑，并且常常位于 交通繁忙道路的 中 央，这 种 车 站 施 工 时 通 常 采 用 盖 挖 逆 作 法施工，以尽量 减 少 对 城 市 正 常 生 活 的 干 扰 以 及 对 地 面 交 通和邻近建筑的 影 响，因 此 采 用 钢 管 混 凝 土 柱 是 最 好 的 选 择。在北京地铁各条线工程中，“动物园站”、“大北窑站”和 “永安里站”等采用了钢管混凝土结构； 现在正在建设的天 津东站、于家堡 枢 纽 站 房 也 采 用 盖 挖 逆 作 法 和 钢 管 混 凝 土 结构进行施工。 1 钢管混凝土柱的受力特点
32
低温建筑技术
2012 年第 12 期（ 总第 174 期）
结构设计与 施工技术
地铁车站钢管混凝土柱设计研究
刘 瑜1 ， 王玉良2
（ 1. 铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津 300251； 2. 天津城市建设学院土木工程学院， 天津 300384）
【摘 要】 在盖挖逆作地铁车站中，经常采用钢管混凝土柱作为永久性中间立柱，并最终承受主纵梁传递的
最后 校 核 肋 板 剪 力 对 钢 管 的 套 箍 影 响，计 算 肋 板 高 度
范围内钢管总极限抗剪承载力：
V0 = 2hw tfv 和 β = 槡1 － （ V / V0 ） 2
钢管混凝土柱强度的计算，依据 CECS28： 90《钢管混凝 土结构设计与施工规程》［2］ 公式 4. 1. 1 ～ 4. 1. 3 进行计算， 一般选取最大轴向力对应的工况进行钢管混凝土柱的计算 分析。 2. 2 钢管柱 － RC 梁节点设计
钢管柱与车 站 钢 筋 混 凝 土 梁 的 节 点 可 分 为 顶 节 点、中 节点和底节点三个部位的节点。
相连的框架梁的最大剪力 Vmax，然 后 进 行 以 下 步 骤 计 算
分析。
按构造确定下加强环板的尺寸，挑出宽度 b ＞ 5d（ 梁纵
筋直径） ，要求：
π（ D + b） bβfc ＞ Vmax
（ 1）
式中，D 为钢管柱的外径； b 为环板宽度； β 为混凝土局
部承压提高系数； fc 为混凝土的抗压强度设计值。环板的厚
度 t 满足：
t ≥ 槡6M / f
（ 2）
式中，M 依据《钢结构连接节点设计手册》中按受压环
板三面简支的最大 区 格 查 表 确 定 环 板 承 受 的 弯 矩 。同 时 应
考虑环板翼缘的面积与强度的乘积 ≥ 梁纵筋面积与强度的
乘积。进行肋板、肋板与管壁连接焊缝的抗剪计算以及牛腿
上部混凝土强度的直剪计算。
［基金项目］ 天津市自然科学基金（ 12JCQNJC05000）
刘 瑜等： 地铁车站钢管混凝土柱设计研究
33
因此在浇筑混凝土时能够很好的保证混凝土的浇筑质量，
Hale Waihona Puke 梁端纵筋与钢板 加 强 环 之 间 焊 接 工 作 量 较 大 ，焊 缝 质 量 要
求较高。
下面简要介 绍 此 典 型 节 点 的 计 算 方 法，首 先 选 择 与 柱
顶节点方案相对简单，如图 1 中所示，管柱与顶梁的连 接节点一般由环形盖板、加劲肋和衬板构成，钢管柱与顶纵 梁的连接依靠钢 管 柱 中 的 附 加 纵 筋 进 行 连 接 ，顶 节 点 通 过
在钢管柱上方焊接环形盖板与附加钢筋来满足竖向承压及 水平抗剪的受力 要 求，顶 板 与 顶 梁 钢 筋 可 以 从 环 形 盖 板 上 侧通过，因此钢筋不需断开，保证了顶梁与顶板结构配筋整 体性［3］； 作为顶梁的支撑点，为加强梁柱的连接及抗震性 能，顶节点区钢管内设置箍筋加密的附加钢筋笼，钢筋笼上 部锚入顶纵 梁 中，下 部 锚 入 钢 管 混 凝 土 柱 内。 由 于 钢 管 未 伸入到顶梁内，从梁柱的协调受力来讲，此种节点按半刚性 节点考虑较为合理。
中节点方案 比 较 复 杂，一 般 又 可 分 为 单 梁 节 点 和 双 梁 节点，由于考虑楼梯扶梯开洞的原因，大部分地铁车站均采 用单梁节点。 单 梁 节 点 又 有 加 强 环 式、钢 筋 环 绕 变 宽 度 环 梁式、暗牛腿式三种形式。
加强环式节点是应用较成熟、应用较多的刚性节点，可 分为外加强 环、内 加 强 环 及 内 外 加 强 环 三 种 形 式。 外 加 强 环节点在地下车 站 应 用 最 多，与 钢 筋 混 凝 土 梁 连 接 时 环 板 之间的距离为钢 筋 混 凝 土 梁 的 梁 高，上 下 钢 板 加 强 环 传 递 弯矩。由于混 凝 土 中 板、中 板 梁 钢 筋 遇 到 钢 管 混 凝 土 柱 部 分断开的问题，而钢管混凝土柱与中板梁、板的可靠连接相 对困难； 这时钢管混凝土柱与梁、板节点处一般采用焊接加 强环板与梁钢筋连接。加强环在下部设置均匀放射状钢加 劲肋，与下加强环板钢管柱焊接，承受纵梁传来的剪力。图 2 所示为这种节点，这种节点没有任何零星部件穿过钢板，
竖向荷载。文中对钢管混凝土柱节点设计进行了重点分析，并介绍了加强环式中节点计算方法，为类似工程提供
设计参考。
【关键词】 地铁车站； 钢管混凝土柱； 节点设计； 加强环式
【中图分类号】 TU921
【文献标识码】 B
【文章编号】 1001 － 6864（ 2012） 12 － 0032 － 02
在地下车站 结 构 中，采 用 高 强 混 凝 土 钢 管 柱 是 解 决 采 用普通混凝土出 现 轴 压 比 超 限、柱 截 面 尺 寸 过 大 问 题 的 最 好措施之一。 近 年 来，在 城 市 中 心 地 区 修 建 的 地 铁 车 站 多 为浅埋式的、具有综合功能的多层地下建筑，并且常常位于 交通繁忙道路的 中 央，这 种 车 站 施 工 时 通 常 采 用 盖 挖 逆 作 法施工，以尽量 减 少 对 城 市 正 常 生 活 的 干 扰 以 及 对 地 面 交 通和邻近建筑的 影 响，因 此 采 用 钢 管 混 凝 土 柱 是 最 好 的 选 择。在北京地铁各条线工程中，“动物园站”、“大北窑站”和 “永安里站”等采用了钢管混凝土结构； 现在正在建设的天 津东站、于家堡 枢 纽 站 房 也 采 用 盖 挖 逆 作 法 和 钢 管 混 凝 土 结构进行施工。 1 钢管混凝土柱的受力特点
32
低温建筑技术
2012 年第 12 期（ 总第 174 期）
结构设计与 施工技术
地铁车站钢管混凝土柱设计研究
刘 瑜1 ， 王玉良2
（ 1. 铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津 300251； 2. 天津城市建设学院土木工程学院， 天津 300384）
【摘 要】 在盖挖逆作地铁车站中，经常采用钢管混凝土柱作为永久性中间立柱，并最终承受主纵梁传递的
最后 校 核 肋 板 剪 力 对 钢 管 的 套 箍 影 响，计 算 肋 板 高 度
范围内钢管总极限抗剪承载力：
V0 = 2hw tfv 和 β = 槡1 － （ V / V0 ） 2
钢管混凝土柱强度的计算，依据 CECS28： 90《钢管混凝 土结构设计与施工规程》［2］ 公式 4. 1. 1 ～ 4. 1. 3 进行计算， 一般选取最大轴向力对应的工况进行钢管混凝土柱的计算 分析。 2. 2 钢管柱 － RC 梁节点设计
钢管柱与车 站 钢 筋 混 凝 土 梁 的 节 点 可 分 为 顶 节 点、中 节点和底节点三个部位的节点。
相连的框架梁的最大剪力 Vmax，然 后 进 行 以 下 步 骤 计 算
分析。
按构造确定下加强环板的尺寸，挑出宽度 b ＞ 5d（ 梁纵
筋直径） ，要求：
π（ D + b） bβfc ＞ Vmax
（ 1）
式中，D 为钢管柱的外径； b 为环板宽度； β 为混凝土局
部承压提高系数； fc 为混凝土的抗压强度设计值。环板的厚
度 t 满足：
t ≥ 槡6M / f
（ 2）
式中，M 依据《钢结构连接节点设计手册》中按受压环
板三面简支的最大 区 格 查 表 确 定 环 板 承 受 的 弯 矩 。同 时 应
考虑环板翼缘的面积与强度的乘积 ≥ 梁纵筋面积与强度的
乘积。进行肋板、肋板与管壁连接焊缝的抗剪计算以及牛腿
上部混凝土强度的直剪计算。
［基金项目］ 天津市自然科学基金（ 12JCQNJC05000）
刘 瑜等： 地铁车站钢管混凝土柱设计研究
33
因此在浇筑混凝土时能够很好的保证混凝土的浇筑质量，
Hale Waihona Puke 梁端纵筋与钢板 加 强 环 之 间 焊 接 工 作 量 较 大 ，焊 缝 质 量 要
求较高。
下面简要介 绍 此 典 型 节 点 的 计 算 方 法，首 先 选 择 与 柱
顶节点方案相对简单，如图 1 中所示，管柱与顶梁的连 接节点一般由环形盖板、加劲肋和衬板构成，钢管柱与顶纵 梁的连接依靠钢 管 柱 中 的 附 加 纵 筋 进 行 连 接 ，顶 节 点 通 过
在钢管柱上方焊接环形盖板与附加钢筋来满足竖向承压及 水平抗剪的受力 要 求，顶 板 与 顶 梁 钢 筋 可 以 从 环 形 盖 板 上 侧通过，因此钢筋不需断开，保证了顶梁与顶板结构配筋整 体性［3］； 作为顶梁的支撑点，为加强梁柱的连接及抗震性 能，顶节点区钢管内设置箍筋加密的附加钢筋笼，钢筋笼上 部锚入顶纵 梁 中，下 部 锚 入 钢 管 混 凝 土 柱 内。 由 于 钢 管 未 伸入到顶梁内，从梁柱的协调受力来讲，此种节点按半刚性 节点考虑较为合理。
中节点方案 比 较 复 杂，一 般 又 可 分 为 单 梁 节 点 和 双 梁 节点，由于考虑楼梯扶梯开洞的原因，大部分地铁车站均采 用单梁节点。 单 梁 节 点 又 有 加 强 环 式、钢 筋 环 绕 变 宽 度 环 梁式、暗牛腿式三种形式。
加强环式节点是应用较成熟、应用较多的刚性节点，可 分为外加强 环、内 加 强 环 及 内 外 加 强 环 三 种 形 式。 外 加 强 环节点在地下车 站 应 用 最 多，与 钢 筋 混 凝 土 梁 连 接 时 环 板 之间的距离为钢 筋 混 凝 土 梁 的 梁 高，上 下 钢 板 加 强 环 传 递 弯矩。由于混 凝 土 中 板、中 板 梁 钢 筋 遇 到 钢 管 混 凝 土 柱 部 分断开的问题，而钢管混凝土柱与中板梁、板的可靠连接相 对困难； 这时钢管混凝土柱与梁、板节点处一般采用焊接加 强环板与梁钢筋连接。加强环在下部设置均匀放射状钢加 劲肋，与下加强环板钢管柱焊接，承受纵梁传来的剪力。图 2 所示为这种节点，这种节点没有任何零星部件穿过钢板，