格构柱,也常被称作钢格构柱,属于格构式钢结构竖向承重构件,由四根主肢型钢,搭配横向缀板或者斜向缀条焊接组合形成空间桁架式立柱。整体构造自重相对较轻,但是具备良好的竖向承压能力与侧向刚度,广泛应用于深基坑支护工程、地下室逆作法施工、钢结构临时支撑体系、地下工程竖向承重立柱等场景,承担上部结构传递下来的竖向荷载,将荷载传递至下部桩基,是地下基坑工程当中重要的竖向受力构件。
格构柱和实腹式钢柱结构形式差异明显。实腹柱依靠整块钢板或者型钢承受压力;格构柱由多根分离主肢,依靠缀材连接形成整体共同受力。这种构造可以在保证构件整体刚度、承压能力前提下,减少钢材使用量,降低构件自重,方便现场吊装、下放安装。格构柱一般与钻孔灌注桩配套使用,立柱下部嵌入桩基混凝土内部,上部延伸至基坑内部,作为基坑开挖阶段,主体结构、支撑体系的竖向承重立柱。基坑施工完成、地下主体结构达到设计强度之后,格构柱部分构件可以按照设计要求割除。
格构柱设计过程当中,需要进行轴心受压稳定验算,构件长细比是核心控制指标。格构柱在承受竖向压力时,整体失稳是主要破坏形式,所以主肢截面大小、缀条 / 缀板间距、柱体总长度都需要经过计算确定。不同基坑深度、上部荷载大小,对应格构柱规格不一样。荷载较大的深基坑项目,选用截面尺寸更大、主肢型钢规格更高的格构柱;荷载较小工况,可以选用常规规格,合理控制项目用材。
格构柱生产在工厂分段预制完成,分段制作便于运输,施工现场通过焊接完成分段对接。生产阶段对主肢型钢直线度、缀材焊接质量、构件外形尺寸进行管控。焊缝质量直接影响格构柱整体协同受力能力,如果缀材焊缝出现开裂,四根主肢无法协同工作,会造成单根主肢独立受力,引发构件失稳风险。构件加工完成之后,可做除锈处理,按需涂刷防护涂层。
现场施工流程包含工厂分段预制、运输至工地、桩基钢筋笼组装、格构柱和钢筋笼对接、整体下放至钻孔桩孔内,浇筑桩基混凝土,使格构柱底部和桩基结合为一体。整个下放安装工序,需要严格控制格构柱垂直度,垂直度偏差过大,会造成柱体附加弯矩,降低构件承压能力,留下结构隐患。安装定位是格构柱施工当中关键控制点。
格构柱投入基坑使用阶段,基坑开挖过程中,土方开挖需要分层进行,避免单侧土方不对称开挖,对格构柱造成侧向推力。开挖过程中注意保护构件,土方机械不能直接撞击格构柱主体,防止构件变形、缀材焊缝撕裂。施工期间定期巡检格构柱外观状态,查看有无扭曲变形、缀材焊缝开裂、锈蚀严重等情况。基坑内部环境湿度高,地下水丰富区域钢材锈蚀速度加快,需要做好监测工作。
格构柱主要应用在深基坑、地铁车站、大型地下室逆作施工项目。逆作法施工中,上部楼板结构荷载通过格构柱传递到下部桩基,在基坑向下开挖的同时,上部主体结构同步施工,有效缩短整体项目工期。除基坑工程以外,格构柱也可用于部分临时钢结构工程,作为竖向支撑立柱使用。但格构柱设计核心针对竖向承压工况,抵抗侧向水平荷载能力有限,不能直接作为抗侧力构件使用。
格构柱属于工程受力构件,规格选型必须由专业技术人员结合地质条件、上部荷载、基坑方案进行计算确定,不能仅凭经验选型。格构柱属于隐蔽工程构件,下部埋入桩基内部,一旦出现问题排查难度大,所以加工质量、安装定位精度管控要求较高。构件在存储转运过程中,防止碰撞扭曲,堆放做好支撑,避免长构件自重发生弯曲变形。
基坑施工结束之后,按照设计图纸要求对格构柱进行分段割除,割除作业不能对已经成型的主体结构造成损伤。割除下来的钢材构件,可回收处理。格构柱凭借自重轻、竖向承载力良好、工厂预制加工等特点,在国内深基坑与逆作法项目当中得到大量应用。但构件使用专业性强,加工、安装、监测、拆除各个环节均需要遵循钢结构以及基坑工程相关技术规范,保障地下工程施工安全。