蓋挖逆作地鐵車(chē)站明暗雙牛腿結(jié)構(gòu)抗剪性能研究

張 林， 吳 云

(1. 中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司， 山東 青島 266061； 2. 內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引言

目前呼和浩特市軌道交通1、2號(hào)線中有3座大型地鐵站采用了蓋挖逆作法，分別為換乘站新華廣場(chǎng)站、大學(xué)西街站、中山路站。蓋挖逆作法車(chē)站鋼管混凝土柱(簡(jiǎn)稱(chēng)RC柱)與后澆鋼筋混凝土梁(簡(jiǎn)稱(chēng)RC梁)處的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)尤為重要，不僅關(guān)系到車(chē)站結(jié)構(gòu)的整體傳力穩(wěn)定性，也會(huì)對(duì)后續(xù)施工造成直接影響。本文提出了一種新型明暗雙牛腿式鋼管混凝土梁節(jié)點(diǎn)形式，即由在梁下支撐的明牛腿及在混凝土梁中包裹的暗牛腿組成，其中，明暗牛腿由上環(huán)板、肋板和下環(huán)板組成，上環(huán)板進(jìn)行穿心處理，上環(huán)板嵌入鋼管混凝土柱12.5 mm。

近年來(lái)，已有學(xué)者對(duì)單一環(huán)形牛腿的剪力傳遞形式、力學(xué)破環(huán)機(jī)制等力學(xué)性能以及特殊形式牛腿的受力問(wèn)題進(jìn)行了研究。規(guī)范[1-2]提出了單個(gè)臺(tái)錐式深牛腿和環(huán)形牛腿的剪切理論公式；王元湘[3]通過(guò)研究得到了采用環(huán)形牛腿能夠確保該節(jié)點(diǎn)區(qū)剪力有效傳遞的結(jié)論；王文達(dá)等[4]對(duì)實(shí)際工程中的單、雙梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了單調(diào)和低周反復(fù)加載，結(jié)果表明雙梁節(jié)點(diǎn)的承載力和剛度均大于單梁節(jié)點(diǎn)；容柏生等[5]對(duì)高層建筑的鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究，給出了梁和節(jié)點(diǎn)之間剪力及彎矩的傳遞過(guò)程；陳鶴等[6]采用ANSYS對(duì)鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明垂直于梁的牛腿應(yīng)力最大；蔡健等[7]、楊?yuàn)^[8]研究了“井”字形對(duì)穿暗牛腿式節(jié)點(diǎn)的受力性能，結(jié)果表明該節(jié)點(diǎn)具有較好的傳力特性，并得到了該節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變變化規(guī)律；陳添明[9]通過(guò)數(shù)值模擬和靜力試驗(yàn)對(duì)RC梁-方鋼管混凝土柱環(huán)梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明該節(jié)點(diǎn)能有效傳遞彎矩和剪力；曲慧等[10]、堯國(guó)皇等[11]、李松柏等[12]對(duì)RC梁-CFST柱鋼筋環(huán)繞式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了荷載試驗(yàn)，得到了該節(jié)點(diǎn)的破壞形式和屈服過(guò)程；文獻(xiàn)[13-15]利用ANSYS對(duì)穿心暗牛腿鋼管混凝土柱與現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁的單梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了非線性分析；金懷印等[16]通過(guò)對(duì)CCFST柱-RC梁節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力影響因素進(jìn)行研究，提出了抗剪承載力計(jì)算公式。目前，關(guān)于蓋挖逆作地鐵車(chē)站的CFST柱-RC雙梁雙節(jié)點(diǎn)的研究較少，現(xiàn)行規(guī)范缺少對(duì)該節(jié)點(diǎn)的抗剪性能及機(jī)制的研究。

本文以呼和浩特蓋挖逆作地鐵車(chē)站為背景，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和ABAQUS分析明暗雙牛腿的剪力分布規(guī)律，得到牛腿的抗剪承載力，并對(duì)影響牛腿抗剪承載力的參數(shù)進(jìn)行分析，以期研究結(jié)果為以后在蓋挖逆作地鐵車(chē)站應(yīng)用該種新型節(jié)點(diǎn)時(shí)提供借鑒和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

本文以呼和浩特蓋挖逆作地鐵車(chē)站工程為依托，對(duì)該明暗雙牛腿節(jié)點(diǎn)進(jìn)行1∶4模型縮尺后，開(kāi)展靜力加載試驗(yàn)。節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方式和實(shí)際工程一致，明牛腿支撐在梁下表面，暗牛腿包裹在混凝土梁內(nèi)部，在梁內(nèi)布置縱筋并設(shè)置環(huán)板，環(huán)板之間的加勁肋板數(shù)量為8個(gè)。試件基本信息見(jiàn)表1。節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖1所示。

表1 試件基本信息

(a) 試件平面圖

(b) 試件立面圖

1.2 材料基本參數(shù)

本次試驗(yàn)采用與原構(gòu)件相同的材料，并根據(jù)相似原則確定材料的尺寸和材質(zhì)等，同時(shí)對(duì)混凝土進(jìn)行材料性能試驗(yàn)測(cè)量，材料性能試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 材料性能

1.3 試驗(yàn)加載方案

考慮實(shí)驗(yàn)室條件和試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的可靠性，將構(gòu)件倒置加載。將兩梁端放置在剛性支座上，同時(shí)在柱端設(shè)置2 000 kN伺服作動(dòng)器，采用分級(jí)加載的方案，按照10、20、30 kN等逐級(jí)加壓直到試件損壞。試驗(yàn)裝置如圖2所示。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)破壞主要出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)中心部位,如圖3所示，其中，1、2為彎曲正裂縫，3、4為斜裂縫。正、斜裂縫隨著加載的增加，依次出現(xiàn)并不斷延伸，在下環(huán)板部位的正裂縫貫通后與斜裂縫連接，出現(xiàn)剪切破壞。最后得到最大的裂縫寬度為1.4 mm，梁內(nèi)側(cè)與鋼管外側(cè)的混凝土出現(xiàn)剝離。

(a) 示意圖

1—反力架； 2—鋼管混凝土柱； 3—框架梁； 4—鋼墊塊。

(a) 試件破壞情況

(b) 裂縫分布情況

相比于單牛腿工況的試驗(yàn)結(jié)果[17]，在明暗雙牛腿工況下，得到的結(jié)構(gòu)屈服荷載能夠提升39.7%，如圖4所示。由研究結(jié)果可知，明、暗牛腿可以協(xié)同分擔(dān)剪力，其中，暗牛腿的屈服荷載可以顯著增加。因此，在蓋挖逆作地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于梁柱結(jié)構(gòu)承受較大剪力的情況，建議優(yōu)先采用明暗雙牛腿。

圖4 單牛腿和雙牛腿工況下結(jié)構(gòu)荷載變化曲線

2 有限元數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立及參數(shù)選取

以呼和浩特市地鐵蓋挖逆作車(chē)站工程為依托，采用ABAQUS獨(dú)立實(shí)體建模。該模型包括牛腿、鋼管、核心混凝土以及框架梁，模型柱高6 m，梁的跨度取6.4 m，鋼管尺寸為876 mm×20 mm。網(wǎng)格數(shù)量共23 792個(gè)，其中,對(duì)于牛腿等關(guān)鍵部位網(wǎng)格劃分較細(xì)，其他部件較粗略，具體網(wǎng)格數(shù)量見(jiàn)表3。

表3 各部件網(wǎng)格數(shù)量

鋼材采用彈塑性模型，滿(mǎn)足Mises屈服準(zhǔn)則。通過(guò)材料性能試驗(yàn)確定其屈服荷載，有關(guān)信息見(jiàn)表2。

CFST柱-RC梁節(jié)點(diǎn)由多個(gè)部件組成，每個(gè)部件在受力過(guò)程中存在復(fù)雜的接觸，因此，有限元分析的準(zhǔn)確性尤為重要。該構(gòu)件中有4種接觸類(lèi)型，即鋼管與混凝土、牛腿與鋼管、暗牛腿與混凝土梁、鋼筋與混凝土梁的接觸。

1)通過(guò)在法線和切線方向上的滑移連接來(lái)描述鋼管和核心混凝土之間的接觸[17]。在法線方向上，使用硬接觸；在切線方向上，摩擦采用罰函數(shù)[17]。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，罰函數(shù)摩擦因數(shù)被定義為0.6，便于收斂。

2)節(jié)點(diǎn)通過(guò)有效焊縫傳遞剪力，因此將牛腿與鋼管采用Tie綁定，保證二者協(xié)同變形的同時(shí)保證節(jié)點(diǎn)的抗剪承載能力。

3)暗牛腿及鋼筋與混凝土梁之間的接觸，通過(guò)嵌入(embed)命令設(shè)定混凝土梁中的協(xié)調(diào)變形[17]。

2.2 加載方式及邊界條件

明暗雙牛腿節(jié)點(diǎn)三維精細(xì)化有限元計(jì)算模型如圖5所示。模型尺寸與試驗(yàn)試件尺寸一致，邊界條件與試驗(yàn)條件保持一致。為簡(jiǎn)化各接觸面的計(jì)算，模型采用參考點(diǎn)耦合(coupling)的方法在柱端施加荷載，加載方式如圖6所示。

圖5 明暗雙牛腿節(jié)點(diǎn)三維精細(xì)化有限元計(jì)算模型

圖6 加載方式示意圖

2.3 結(jié)果對(duì)比分析

從數(shù)值模擬結(jié)果和室內(nèi)試驗(yàn)中提取荷載、位移數(shù)據(jù)繪制成荷載-位移曲線，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，模擬結(jié)果和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。在彈性階段，數(shù)值模擬得到的位移稍大于實(shí)測(cè)位移，這是由初期試驗(yàn)加載裝置的誤差造成；當(dāng)試件進(jìn)入屈服階段后誤差逐漸增大，主要是非線性階段假設(shè)的材料參數(shù)與實(shí)際無(wú)法相符導(dǎo)致的。

相對(duì)位移指混凝土梁底中心位移減去支點(diǎn)處位移的平均值。

圖7 荷載-位移曲線

Fig.7 Load-displacement curves

最大主塑性應(yīng)變模擬結(jié)果如圖8所示。破壞時(shí)模擬得出的最大主塑性應(yīng)變分布與試驗(yàn)得出的裂縫分布基本一致，裂縫主要集中在節(jié)點(diǎn)與支座之間。

(a) 混凝土梁側(cè)面

(b) 混凝土梁頂面

2.4 明、暗牛腿應(yīng)力狀態(tài)

加載開(kāi)始階段，暗牛腿上環(huán)板與其下環(huán)板的應(yīng)力基本相同；加載增加使得梁下表面與鋼管壁擠壓形成力偶，導(dǎo)致應(yīng)力不斷增加。明、暗牛腿最大應(yīng)力均發(fā)生在鋼管與加勁肋接觸焊接處，并且數(shù)值比較接近，明、暗牛腿具有基本相同的剪力，能夠協(xié)同工作[17]。環(huán)形牛腿應(yīng)力模擬結(jié)果如圖9所示。

加載期間暗牛腿應(yīng)力比明牛腿大，如圖10所示。暗牛腿首先屈服，而此時(shí)明牛腿應(yīng)力開(kāi)始顯著增長(zhǎng)，逐漸減小了與暗牛腿應(yīng)力的差距；之后，明、暗牛腿的應(yīng)力均快速變大，最后大致相同。

3 節(jié)點(diǎn)抗剪性能影響參數(shù)分析

根據(jù)文獻(xiàn)[17]，在混凝土梁參數(shù)相同的情況下，選取影響節(jié)點(diǎn)抗剪的4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行單調(diào)直剪分析。4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)分別為環(huán)形牛腿肋板數(shù)量、肋板高度、上環(huán)板穿心量、環(huán)形牛腿數(shù)量。其中，單調(diào)直剪模型的材料本構(gòu)、單元類(lèi)型、接觸均與有限元數(shù)值模型一致，加載點(diǎn)耦合到環(huán)形牛腿投影面上。

3.1 肋板高度的影響

接頭的剪切力是由鋼管與垂直肋板之間的焊接縫承受。在確定了肋板的數(shù)量時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整垂直肋板的高度來(lái)提高其抗剪承載力。當(dāng)暗牛腿肋板高度h分別取50、75、90 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線如圖11所示。研究表明： 當(dāng)h取75 mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)極限抗剪承載力比h取50 mm時(shí)增加了28.8%；當(dāng)h取90 mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)極限抗剪承載力降低，且小于h為75 mm時(shí)的極限抗剪承載力。

(a) 暗牛腿

(b) 明牛腿

(c) 90°方向剪應(yīng)力

(d) 0°方向剪應(yīng)力

圖10 明、暗牛腿荷載-應(yīng)力變化曲線對(duì)比

圖11 不同肋板高度條件下結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線

根據(jù)環(huán)形及臺(tái)錐式牛腿剪切承載力公式[1]，包括鋼管、肋板的焊接強(qiáng)度和混凝土的直剪強(qiáng)度以及牛腿環(huán)板的抗剪承載力，可知當(dāng)混凝土梁高不變時(shí)，暗牛腿肋板高度越大，上環(huán)板混凝土的抗剪承載力就越小。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，肋板高度與梁高度之比需要確保在某一區(qū)間范圍內(nèi)。因此，在已知梁的高度以及肋板數(shù)量的情況下，建議梁的高度取為肋板高度的4倍。

3.2 肋板數(shù)量的影響

如果肋板高度保持不變，則能夠根據(jù)肋板的數(shù)量增加焊接長(zhǎng)度。在穿心量等參數(shù)恒定的條件下，研究肋板數(shù)量n對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪承載力的影響規(guī)律。肋板數(shù)量n取4、8、12時(shí)結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線如圖12所示。

圖12 肋板數(shù)量n取4、8、12時(shí)結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線

由圖12可知： 將肋板數(shù)量從4塊更改為8塊時(shí)，極限抗剪承載力提高了26.7%，屈服荷載增加了53.2%；當(dāng)從8塊更改為12塊時(shí)，抗剪承載力變化差距較小。當(dāng)肋板數(shù)量不斷增加時(shí)，抗剪承載力不斷增大，達(dá)到了提高節(jié)點(diǎn)屈服荷載的目的?？紤]到施工技術(shù)和條件，肋板數(shù)量越多，施工越困難，且會(huì)影響混凝土梁在節(jié)點(diǎn)中心區(qū)域的澆筑質(zhì)量。因此實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，在保證肋板高度夠用的同時(shí)，建議肋板數(shù)量取為8塊。

3.3 牛腿數(shù)量的影響

通過(guò)單明、單暗牛腿和明暗雙牛腿的節(jié)點(diǎn)荷載-位移曲線對(duì)比牛腿節(jié)點(diǎn)的極限承載力，分析牛腿數(shù)量對(duì)抗剪承載力的影響規(guī)律。不同牛腿結(jié)構(gòu)條件下的荷載-位移曲線如圖13所示。由圖可知，明暗雙牛腿結(jié)構(gòu)的極限抗剪承載力比單暗牛腿結(jié)構(gòu)的極限抗剪承載力提高了39.7%，比單明牛腿結(jié)構(gòu)提高了49.4%。明暗雙牛腿結(jié)構(gòu)的極限抗剪承載力約為單暗牛腿結(jié)構(gòu)和單明牛腿結(jié)構(gòu)極限抗剪承載力的總和。由此可知，明暗雙牛腿結(jié)構(gòu)可以增加構(gòu)件的極限抗剪承載力。

圖13 不同牛腿結(jié)構(gòu)條件下的荷載-位移曲線

不同牛腿結(jié)構(gòu)條件下荷載-應(yīng)力曲線如圖14所示。由圖可知，明暗雙牛腿結(jié)構(gòu)的暗牛腿屈服荷載比單暗牛腿結(jié)構(gòu)的屈服荷載大54.6%，比單明牛腿結(jié)構(gòu)的屈服荷載大69.7%。明暗雙牛腿工況中的明牛腿承擔(dān)剪力，暗牛腿的屈服荷載較單暗牛腿結(jié)構(gòu)有顯著的改善。

3.4 上環(huán)板穿心量的影響

上環(huán)板穿心量△取0、12.5、17.5、22.5 mm時(shí)，研究上環(huán)板穿心量對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪承載力的影響規(guī)律。不同上環(huán)板穿心量條件下的荷載-位移曲線如圖15所示。不同上環(huán)板穿心量條件下的極限抗剪承載力見(jiàn)表4。

由表4可知： 1)當(dāng)上環(huán)板穿心量△為12.5 mm時(shí)，比不設(shè)穿心量(△為0 mm)工況的極限抗剪承載力增加16.9%； 2)當(dāng)△為17.5 mm時(shí)，較△為12.5 mm工況時(shí)的極限抗剪承載力略高； 3)當(dāng)△為22.5 mm時(shí)，極限抗剪承載力小于△為12.5 mm工況時(shí)的極限抗剪承載力。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，在剪力較大的部位，可以通過(guò)設(shè)置上環(huán)板穿心量的方式提高極限抗剪承載力，建議△取鋼管柱直徑的8.0%，能夠確保在牛腿節(jié)點(diǎn)中心區(qū)實(shí)現(xiàn)有效的剪力傳遞。

(a) 暗牛腿

(b) 明牛腿

圖15 不同上環(huán)板穿心量條件下的荷載-位移曲線

表4 不同上環(huán)板穿心量條件下的極限抗剪承載力

4 結(jié)論與建議

1)暗牛腿加勁肋應(yīng)力在加載初期比明牛腿大，之后明、暗牛腿應(yīng)力差值變小，明牛腿承擔(dān)部分剪力，加載至破壞時(shí)，明、暗牛腿應(yīng)力趨于相等，因此，明、暗牛腿能夠協(xié)同發(fā)揮作用。

2)肋板與鋼管壁之間的有效焊縫長(zhǎng)度為節(jié)點(diǎn)抗剪承載力的主要參數(shù)。通過(guò)控制有效焊縫長(zhǎng)度，調(diào)節(jié)肋板高度和垂直肋板的數(shù)量。為確保剪力的有效傳遞，其上環(huán)板穿心量宜設(shè)為鋼管柱直徑的8%。

3)在實(shí)際工程中，梁柱節(jié)點(diǎn)處剪力較大時(shí)，可采用明暗雙牛腿結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有較高的承載力，力學(xué)性能好，具有較廣泛的工程應(yīng)用前景。

4)本文針對(duì)節(jié)點(diǎn)核心參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)抗剪性能的影響分析均采用數(shù)值模擬的方法，還應(yīng)該通過(guò)更多的室內(nèi)足尺試驗(yàn)加以驗(yàn)證，并進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)力加載分析。