蓋挖逆作地鐵車(chē)站CFST柱-RC梁雙暗牛腿節(jié)點(diǎn)抗剪性能數(shù)值分析

唐志勛，陳霧航，何彥榮

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.北京市城建設(shè)計(jì)總院責(zé)任有限公司，北京 100000；3.中鐵二十局集團(tuán)有限公司第四公司，甘肅 蘭州 730050 )

目前，關(guān)于鋼管混凝土的研究很多，未曉麗[1]結(jié)合天津地鐵站交通樞紐工程，建立了一個(gè)四層三跨典型框架模型，模擬地下結(jié)構(gòu)鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)施工期間的力學(xué)性能，得出圓形截面鋼管柱不論在施工階段還是使用階段，其受力性能都優(yōu)于方形截面鋼管柱。賀少輝等[2]進(jìn)行了廣州地鐵蓋挖逆筑公園前車(chē)站鋼管混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗剪性能的試驗(yàn)研究，節(jié)點(diǎn)通過(guò)法蘭盤(pán)與上、下鋼管連接，鋼筋焊接在法蘭盤(pán)上，試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶丛鸵欢ǖ谋壤s尺后分別做靜載試驗(yàn)和動(dòng)力試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：鋼管內(nèi)表面與核心混凝土外表面之間不存在黏結(jié)作用，節(jié)點(diǎn)的剪力主要依靠鋼管柱下柱的局部承壓作用傳遞；節(jié)點(diǎn)加載到極限荷載時(shí)，下柱鋼管出現(xiàn)鼓曲破壞，通過(guò)加厚破壞位置處鋼管可提高節(jié)點(diǎn)抗剪承載力。

為給該種節(jié)點(diǎn)在蓋挖逆作地下結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供參考和建議，文章依托呼和浩特蓋挖逆作地鐵車(chē)站，采用模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，深入研究了節(jié)點(diǎn)的抗剪性能、破壞形態(tài)和傳力機(jī)理，探索影響節(jié)點(diǎn)抗剪承載力的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 節(jié)點(diǎn)精細(xì)化數(shù)值模擬

受試驗(yàn)設(shè)備方面的限制，導(dǎo)致鋼管柱-混凝土梁節(jié)點(diǎn)內(nèi)部和梁的內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變情況無(wú)法獲知，因此利用非線性有限元軟件ABAQUS對(duì)其內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律進(jìn)行精細(xì)化研究，對(duì)于試驗(yàn)無(wú)法研究到的部位進(jìn)行補(bǔ)充分析[3]。

1.1 邊界條件及加載方式

在模擬研究中，為提升研究的準(zhǔn)確性，就需引入邊界條件，通過(guò)這種方式來(lái)使整個(gè)模擬研究工作與實(shí)際情況之間更為接近。具體而言，就是對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行倒置，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中所對(duì)應(yīng)的鋼支座布置情況來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用節(jié)點(diǎn)耦合（Coupling）法實(shí)現(xiàn)對(duì)U2、U3、UR1、UR3自由度的充分限制[4-5]。在模擬研究中，所使用的加載方式同真實(shí)試驗(yàn)一致。加載示意圖如圖1所示，U2、U3是模型里面的X軸和Y軸。

1.2 有限元計(jì)算結(jié)果

（1）混凝土梁的應(yīng)變分析。混凝土梁最大主塑性應(yīng)變分布云圖如圖2所示，在下環(huán)板位置處，所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變數(shù)值較高。由此可知，同下環(huán)板相接觸的混凝土位置處，最先會(huì)出現(xiàn)裂縫，所對(duì)應(yīng)的裂縫數(shù)量也比較多。究其原因主要在于，混凝土梁下部會(huì)對(duì)鋼管壁產(chǎn)生擠壓，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)力偶，導(dǎo)致此區(qū)域的混凝土出現(xiàn)裂紋。

圖1 加載方式示意圖

圖2 混凝土梁最大主塑性應(yīng)變分布云圖

（2）混凝土梁的應(yīng)力分析。梁壓應(yīng)力云圖如圖3所示，在梁下表面位置處，局部壓應(yīng)力具有最高數(shù)值。對(duì)于雙梁節(jié)點(diǎn)，梁主筋沿0°方向布置，伴隨剪力數(shù)值的增加，梁上表面會(huì)發(fā)生膨脹，而梁的上方位置處主要受到的是拉應(yīng)力，進(jìn)而使得梁與鋼管壁間所對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)力數(shù)值顯著提升。基于此，在90°方向位置處，所對(duì)應(yīng)的局部壓應(yīng)力數(shù)值最大。

圖3 梁壓應(yīng)力云圖

為實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)傳力機(jī)理的有效探究，在研究過(guò)程中選擇了上、下環(huán)板位置處所對(duì)應(yīng)的荷載-壓應(yīng)力分布情況進(jìn)行探究，所獲得的結(jié)果如圖4所示。在早期加載過(guò)程中，所對(duì)應(yīng)的荷載數(shù)值較小，此時(shí)，鋼管壁和梁內(nèi)表面之間由于黏結(jié)力的存在，繼而能夠承擔(dān)部分剪力。伴隨荷載數(shù)值的提升，將會(huì)使得黏結(jié)作用逐步降低，梁上表面便會(huì)開(kāi)始膨脹，下表面收縮，進(jìn)而對(duì)鋼管造成擠壓，產(chǎn)生力偶。在下環(huán)板位置，混凝土所對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)力數(shù)值逐步提升，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其他位置處的應(yīng)力。此時(shí)，上、下部環(huán)形牛腿中，所對(duì)應(yīng)的上環(huán)板壓應(yīng)力數(shù)值也會(huì)逐步趨于穩(wěn)定。在1900kN時(shí)，下環(huán)板混凝土屈服，所對(duì)應(yīng)的荷載數(shù)值為95%的極限荷載?；诖?，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，就需對(duì)下部環(huán)形牛腿的強(qiáng)度給予充分關(guān)注[6-7]。

圖4 牛腿環(huán)板位置處混凝土壓應(yīng)力變化

0°方向梁內(nèi)表面壓應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的變化情況如圖5所示。由此可知，在下環(huán)板位置處，所對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)力數(shù)值最大。

（3）鋼管柱應(yīng)力分析。鋼管柱外壁應(yīng)力分布如圖6所示。根據(jù)圖中顯示，鋼管壁最大壓應(yīng)力值出現(xiàn)在下部環(huán)形牛腿下方，拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在上部環(huán)形牛腿上方，這與室內(nèi)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)是一致的。根據(jù)圖中顯示，局部應(yīng)力最大值出現(xiàn)在下部的環(huán)形牛腿豎向加勁肋與鋼管接觸部位。

圖5 梁內(nèi)表面壓應(yīng)力沿高度的變化

圖6 鋼管柱應(yīng)力云圖

（4）環(huán)形牛腿應(yīng)力分析。環(huán)形牛腿應(yīng)力云圖如圖7所示，與上部環(huán)形牛腿應(yīng)力值相比較，下部環(huán)形牛腿所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值更高。與此同時(shí)，在肋板與鋼管連接位置處，所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力數(shù)值最高。與45°、90°方向的肋板應(yīng)力值相比，0°方向應(yīng)力值更高。

圖7 環(huán)形牛腿應(yīng)力云圖（0°方向）

環(huán)形牛腿應(yīng)力值對(duì)比圖如圖8所示，在加載過(guò)程中，與上部環(huán)形牛腿相比，下部加勁肋上所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、剪力數(shù)值均較高。在980kN時(shí)，下部環(huán)加勁肋屈服，上部牛腿應(yīng)力顯著提升。在加載完成后，受制于豎向加勁肋的影響，不會(huì)使得節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞。

圖8 環(huán)形牛腿應(yīng)力值對(duì)比圖

環(huán)形牛腿所對(duì)應(yīng)的剪力分布情況如圖9所示。當(dāng)試件被破壞以后，與上部牛腿相比，下部牛腿所對(duì)應(yīng)的剪力數(shù)值是其的2.4倍。由此可知，這一數(shù)值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了上部牛腿。在加載過(guò)程中，位于梁上部的混凝土?xí)l(fā)生徑向膨脹現(xiàn)象，進(jìn)而使其和鋼管接觸位置相分離。對(duì)于梁下部混凝土而言，則處于收縮狀態(tài)，能夠?qū)︿摴墚a(chǎn)生擠壓作用，進(jìn)而產(chǎn)生力偶。在下部環(huán)形牛腿位置處，所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力數(shù)值最高。

通過(guò)分析可知，在加載過(guò)程中，兩個(gè)牛腿所承受的剪力數(shù)值為總剪力值的50%左右。由此可知，剪力是由梁與環(huán)形牛腿承擔(dān)。在加載完成后，下部牛腿屈服，此時(shí)剪力由梁箍筋承擔(dān)。

使用兩個(gè)暗牛腿，當(dāng)荷載數(shù)值較高時(shí)，下部牛腿位置處所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布較高。基于此，便需要在梁中下部位置設(shè)置環(huán)形牛腿，通過(guò)這種方式來(lái)提升牛腿受力均勻性。

圖9 環(huán)形牛腿承擔(dān)的剪力對(duì)比

2 結(jié)論

模擬結(jié)果顯示，試件的極限承載能力為2020kN，破壞時(shí)梁上表面與鋼管接觸位置應(yīng)變較大。在加載過(guò)程中，下部環(huán)形牛腿承擔(dān)的剪力始終大于上部環(huán)形牛腿；加載結(jié)束時(shí)，下部環(huán)形牛腿肋板剪力值是上部環(huán)形牛腿的2.4倍。