雄安站半埋入式型鋼混凝土柱腳設(shè)計(jì)及其受力性能研究*

宋志文

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 工程概況

新建雄安站(圖1)位于中國(guó)河北省保定市雄安新區(qū)。雄安站為“橋建合一”高架車站，主體結(jié)構(gòu)為5層，其中地上3層(高架候車層、站臺(tái)層、地面層)，局部設(shè)夾層；地下2層，其他詳細(xì)概況見文獻(xiàn)[1]。

圖1 雄安站建筑效果圖

站房部分最大柱網(wǎng)30m×23m，標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)(20～23)m×24m，支撐承軌層的框架柱采用型鋼混凝土柱，型鋼采用十字形截面。由于雄安站站房柱距大，且雄安站抗震設(shè)防烈度高(8度0.3g)，故型鋼混凝土柱截面較大，型鋼混凝土柱截面2.7m×2.7m，十字形型鋼截面2 200×1 400×45×80,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,型鋼Q345GJ。

2 半埋式柱腳構(gòu)造設(shè)計(jì)

按照傳統(tǒng)埋入式型鋼混凝土柱腳設(shè)計(jì)[2-4]，型鋼混凝土柱腳埋深過(guò)大。按照《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](JGJ 138—2016)第6.5.4條計(jì)算，型鋼在承臺(tái)中的埋置深度不小于1.78倍型鋼截面高度；按照此規(guī)范6.5.2條構(gòu)造要求，型鋼在承臺(tái)中的埋置深度至少為2倍型鋼截面高度，這樣型鋼混凝土柱下承臺(tái)厚度需要5～6m，且承臺(tái)基坑也需開挖大量土方工程，增加施工風(fēng)險(xiǎn)。如何在有效傳遞柱底荷載的同時(shí)盡量減小基礎(chǔ)承臺(tái)的厚度，是型鋼混凝土柱腳設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題。借鑒有關(guān)工程研究成果[5-8]并反復(fù)比較論證，通過(guò)有限元分析和試驗(yàn)研究，針對(duì)雄安站型鋼混凝土柱底內(nèi)力大的特點(diǎn)，提出一種新型的半埋入式柱腳構(gòu)造，型鋼埋入承臺(tái)約1.35倍型鋼截面高度，采用雙向設(shè)置靴梁的方式來(lái)解決型鋼混凝土柱腳彎矩傳遞給基礎(chǔ)的問(wèn)題，同時(shí)減小了承臺(tái)厚度，如圖2所示。

圖2 型鋼混凝土柱腳示意圖

該半埋入式柱腳主要有靴梁、錨栓和配筋承臺(tái)三部分組成，其不同于埋入式柱腳的主要特點(diǎn)為：

(1)整個(gè)靴梁埋在混凝土內(nèi)部，在靴梁內(nèi)部適當(dāng)位置設(shè)置加勁肋，增強(qiáng)靴梁底板的剛度。

(2)為抵抗柱底彎矩產(chǎn)生的巨大拉力，在靴梁底板設(shè)置錨栓，以保證柱腳有足夠的抗拔承載力和剛度。

(3)在混凝土承臺(tái)中配置3層鋼筋網(wǎng)，提高柱腳的抗拔與抗剪承載力，增強(qiáng)型鋼混凝土柱腳混凝土承臺(tái)的整體抗彎性能。

(4)為了抵抗靴梁對(duì)承臺(tái)的反向沖切，在靴梁長(zhǎng)度范圍配置U形鋼筋，在靴梁端部反向沖切影響范圍設(shè)置貫穿承臺(tái)厚度的預(yù)應(yīng)力鋼筋。

3 有限元分析

為分析該半埋入式柱腳的受力、變形特點(diǎn)和破壞機(jī)理，采用大型通用有限元程序ABAQUS建立彈塑性有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。模型按實(shí)際構(gòu)件的規(guī)格和尺寸進(jìn)行創(chuàng)建。柱包括鋼筋、型鋼和混凝土三部分，混凝土與型鋼采用共節(jié)點(diǎn)建模；承臺(tái)包括混凝土、鋼筋和靴梁三大部分，混凝土與靴梁采用共節(jié)點(diǎn)建模，鋼筋與混凝土采用嵌入?yún)^(qū)約束(Embedded Region)進(jìn)行相互約束。鋼筋采用Truss: T3D2單元，型鋼、靴梁及混凝土采用C3D8: 8-node Brick單元。荷載施加在柱頂，分析時(shí)設(shè)置參考點(diǎn)與承臺(tái)底面耦合，并對(duì)參考點(diǎn)施加邊界條件，以模擬樁的位置及對(duì)承臺(tái)的作用。有限元模型中材料強(qiáng)度均根據(jù)材性試驗(yàn)的結(jié)果確定(表1)。型鋼和鋼筋的本構(gòu)關(guān)系采用二折線模型，無(wú)剛度退化。混凝土采用彈塑性損傷模型，該模型能夠考慮混凝土材料拉壓強(qiáng)度差異、剛度及強(qiáng)度退化以及拉壓循環(huán)裂縫閉合呈現(xiàn)的剛度恢復(fù)等性質(zhì)。

混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50試塊材性試驗(yàn)結(jié)果 表1

柱底設(shè)計(jì)荷載為：N=29 432kN，Vx=32 616kN，Vy=8 973，Mx=57 487 kN·m，My=154 321kN·m。設(shè)計(jì)荷載下有限元計(jì)算的柱腳承臺(tái)、鋼筋、型鋼、錨栓和U形鋼筋應(yīng)力如圖3所示。

圖3 有限元計(jì)算的柱腳主要組成部分應(yīng)力/kPa

有限元計(jì)算結(jié)果表明：1)在設(shè)計(jì)荷載作用下，柱受拉區(qū)和受壓區(qū)的縱筋應(yīng)力較大，最大應(yīng)力為165MPa，鋼筋仍處于彈性狀態(tài)；2)型鋼受拉區(qū)和受壓區(qū)的應(yīng)力水平較大，且上部應(yīng)力大于柱根和柱底，型鋼受壓翼緣最大應(yīng)力為152MPa，型鋼和靴梁處于彈性狀態(tài)，但靴梁腹板的應(yīng)力明顯大于上、下翼緣，說(shuō)明靴梁腹板受到了較大剪力作用；3)U形鋼筋最大拉、壓應(yīng)力分別為6MPa和40MPa，出現(xiàn)在靠近型鋼的內(nèi)側(cè)位置；4)由于預(yù)應(yīng)力的存在，錨栓應(yīng)力均為壓應(yīng)力，最大為18MPa；5)在設(shè)計(jì)荷載作用下柱混凝土出現(xiàn)輕微的受壓損傷，從柱腳位置向內(nèi)側(cè)延伸，損傷因子很小，在0.1左右。

綜上所述，在設(shè)計(jì)荷載作用下半埋入式柱腳基本處于彈性工作階段，承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

4 試驗(yàn)研究

4.1 試件制作及加載方式

為進(jìn)一步驗(yàn)證半埋入式柱腳是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，通過(guò)靜力試驗(yàn)，研究該柱腳的受力模式和破壞形態(tài)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室空間和加載設(shè)備能力，試件按1∶6比例縮尺。柱長(zhǎng)度取桿件截面尺寸的1.5倍(675mm)，試件尺寸如圖4和表2所示。柱和承臺(tái)混凝土均采用C50，鋼材采用Q345B，鋼筋為HRB400。為了模擬樁對(duì)承臺(tái)受力性能的影響，在試驗(yàn)中采用鋼樁來(lái)模擬樁基對(duì)承臺(tái)的約束作用。試件尺寸如圖4和表2所示。

試件尺寸信息/mm 表2

圖4 試件尺寸示意

試驗(yàn)加載采用單調(diào)靜力加載，按比例在加載梁端部施加豎向荷載。試驗(yàn)在預(yù)載階段反復(fù)加載2～3次，預(yù)加載力為試件最大加載量的15%。正式加載時(shí)分級(jí)進(jìn)行，每級(jí)荷載約為試件最大加載量的10%，每級(jí)持荷不少于5min。加載過(guò)程中對(duì)所有的位移與應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)到的荷載-位移曲線和應(yīng)力發(fā)展情況，在試件接近破壞時(shí)，局部調(diào)整加載數(shù)值與速度，并由荷載控制轉(zhuǎn)為位移控制。加載點(diǎn)的加載力、加載裝置、試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片分別如表3和圖5、圖6所示。

圖5 試驗(yàn)加載裝置示意圖

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

加載點(diǎn)的加載力 表3

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 試件裂縫開展情況

在荷載作用下，柱受拉區(qū)混凝土在拉力作用下先出現(xiàn)微小裂縫，加載至1倍設(shè)計(jì)荷載(650kN)時(shí)，柱受壓區(qū)混凝土、承臺(tái)混凝土均未出現(xiàn)裂縫，鋼筋、型鋼均未屈服；隨著荷載不斷增大，柱受拉區(qū)出現(xiàn)水平貫通裂縫，柱受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫，承臺(tái)在剪力和彎矩的作用下側(cè)面出現(xiàn)豎向和斜向裂縫；加載至2倍設(shè)計(jì)荷載(1 300kN)時(shí)，鋼筋、型鋼仍未屈服；繼續(xù)增大荷載，柱鋼筋屈服，隨后型鋼也達(dá)到屈服應(yīng)變，當(dāng)加載至1 997kN時(shí)，柱受壓區(qū)混凝土先壓潰掉落；當(dāng)加載至2 132kN(約為3.3倍設(shè)計(jì)荷載)時(shí)，柱破壞嚴(yán)重(圖7)，結(jié)構(gòu)喪失承載能力，此時(shí)承臺(tái)裂縫數(shù)量較少，且預(yù)應(yīng)力作用下的裂縫寬度較小，承臺(tái)破壞程度較輕，整體表現(xiàn)為柱的破壞早于承臺(tái)的破壞。

圖7 試件破壞照片

4.2.2 試件變形

加載點(diǎn)荷載-豎向位移曲線及柱頂荷載-水平位移曲線分別如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知，當(dāng)荷載達(dá)到1 820kN附近時(shí)，結(jié)構(gòu)整體剛度降低，隨著荷載的不斷增大，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較好的延性，延性系數(shù)約為4.3。當(dāng)豎向位移為68mm，水平向位移為20mm(對(duì)應(yīng)位移角為1/37)時(shí)，承臺(tái)上的裂縫寬度較小，裂縫數(shù)量不多，仍有一定的承載能力；但柱出現(xiàn)了較嚴(yán)重的破壞，無(wú)法繼續(xù)加載，這是荷載-位移曲線未出現(xiàn)明顯下降段的原因，此時(shí)荷載為2 132kN。

圖8 加載點(diǎn)荷載-豎向位移曲線

圖9 柱頂荷載-水平位移曲線

4.2.3 試件應(yīng)變

加載至1倍設(shè)計(jì)荷載(650kN)時(shí)，柱鋼筋均未屈服，柱鋼筋應(yīng)變最大為953με；加載至2倍設(shè)計(jì)荷載(1 300kN)時(shí)，柱根受拉區(qū)鋼筋接近屈服，鋼筋的應(yīng)變?yōu)? 966με；加載至2 132kN時(shí)，柱根受拉區(qū)和受壓區(qū)的鋼筋屈服，應(yīng)變分別為3 725με和-7 011με，柱底鋼筋在承臺(tái)內(nèi)伸至靴梁頂面，此時(shí)均未屈服，處于彈性狀態(tài)。在加載過(guò)程中，柱底鋼筋應(yīng)變均小于柱根鋼筋應(yīng)變，說(shuō)明柱縱筋進(jìn)入承臺(tái)錨固段后，能夠有效地將力傳遞給混凝土；當(dāng)荷載較小時(shí)，柱縱筋應(yīng)變?cè)黾虞^為平緩，當(dāng)荷載較大時(shí)，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度加快，說(shuō)明在較大荷載時(shí)試件混凝土損傷較為嚴(yán)重，混凝土和鋼筋的協(xié)同工作能力降低，鋼筋承擔(dān)更多荷載作用，其應(yīng)力迅速增大。

在荷載的作用下U形鋼筋的應(yīng)變較小，仍處于彈性工作狀態(tài)；當(dāng)加載至2 132kN時(shí)，U形鋼筋最大應(yīng)變?yōu)? 157με；越靠近型鋼，U形鋼筋應(yīng)變?cè)酱?。U形鋼筋的主要作用是抵抗靴梁上撬的沖切作用，在1倍設(shè)計(jì)荷載下，其應(yīng)變較??；但隨著荷載增大，U形鋼筋應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較快。說(shuō)明承臺(tái)混凝土開裂前，上撬的沖切力可由混凝土承擔(dān)；當(dāng)承臺(tái)內(nèi)部混凝土出現(xiàn)裂縫時(shí)，沖切力由U形鋼筋和混凝土共同承擔(dān)，U形鋼筋應(yīng)力開始增長(zhǎng)。

在1倍設(shè)計(jì)荷載(650kN)和2倍設(shè)計(jì)荷載(1 300kN)作用下，型鋼均未屈服，應(yīng)變較大處位于柱根，最大壓應(yīng)變?yōu)?1 265με，最大拉應(yīng)變?yōu)?77με；當(dāng)加載至2 132kN時(shí)，柱根型鋼發(fā)生屈服，最大壓應(yīng)變?yōu)?3 895με，最大拉應(yīng)變?yōu)? 092με。承臺(tái)范圍內(nèi)型鋼的應(yīng)變小于柱根，說(shuō)明型鋼進(jìn)入承臺(tái)后，能夠把力有效傳遞給承臺(tái)混凝土；隨著荷載增大，柱根附近型鋼應(yīng)變迅速增大，說(shuō)明當(dāng)柱混凝土損傷較大時(shí)，混凝土和型鋼的協(xié)同工作能力減弱，型鋼承擔(dān)較多的荷載作用。

當(dāng)加載至1倍設(shè)計(jì)荷載(650kN)時(shí)，靴梁應(yīng)變較小，最大應(yīng)變?yōu)?15με；當(dāng)加載至2倍設(shè)計(jì)荷載(1 300kN)時(shí)，靴梁未屈服，最大應(yīng)變?yōu)?30με；當(dāng)加載至2 132kN時(shí)，靴梁仍未屈服，最大應(yīng)變?yōu)? 457με。在加載過(guò)程中，靴梁翼緣應(yīng)力較小，說(shuō)明靴梁嵌固在承臺(tái)中時(shí)，鋼梁分配到的彎矩較小。

在荷載作用下，錨栓應(yīng)變較小，處于彈性狀態(tài)，錨桿最大應(yīng)變?yōu)?56με。錨桿的作用與U形鋼筋相似，主要作用是抵抗靴梁上撬的沖切作用，在荷載較小時(shí)，其應(yīng)變較小，隨著荷載增大，錨桿應(yīng)變迅速增長(zhǎng)，說(shuō)明承臺(tái)混凝土開裂前，上撬的沖切力可由混凝土承擔(dān)；當(dāng)承臺(tái)內(nèi)部混凝土出現(xiàn)裂縫時(shí)，錨桿承擔(dān)沖切力的作用增強(qiáng)，應(yīng)力開始增長(zhǎng)。

綜上應(yīng)變結(jié)果可知，在1倍設(shè)計(jì)荷載(650kN)和2倍設(shè)計(jì)荷載(1 300kN)作用下，鋼筋、型鋼、靴梁均未屈服；隨著荷載增大，柱受拉區(qū)縱筋屈服早于其受壓區(qū)縱筋，型鋼受壓區(qū)屈服早于其受拉區(qū)；當(dāng)加載至2 132kN時(shí)，U形鋼筋、錨桿和靴梁均未屈服，處于彈性狀態(tài)，承臺(tái)承載力未被充分發(fā)揮。整體上看，試件的極限承載力(2 132kN)為設(shè)計(jì)荷載的3.3倍，承載力可滿足設(shè)計(jì)要求且具有足夠的安全儲(chǔ)備。

5 結(jié)論

雄安站型鋼混凝土柱柱距、柱截面大，為了減小型鋼埋入承臺(tái)深度，并減小柱下承臺(tái)厚度，提出一種半埋入式型鋼混凝土柱腳。通過(guò)有限元仿真分析初步驗(yàn)證該柱腳的可行性，最后通過(guò)縮尺模型試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該柱腳的受力性能。通過(guò)以上研究得到如下結(jié)論：

(1)該半埋入式型鋼混凝土柱腳抗彎剛度大，柱下承臺(tái)厚度得到有效控制。

(2)有限元計(jì)算結(jié)果表明，在1倍設(shè)計(jì)荷載下該型鋼混凝土柱柱腳節(jié)點(diǎn)基本處于彈性工作階段，其抗彎承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)縮尺模型試驗(yàn)結(jié)果表明，該柱腳抗彎承載力滿足設(shè)計(jì)要求且極限承載力為設(shè)計(jì)荷載的3.3倍，具有足夠的安全儲(chǔ)備，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)做法可靠。