張 波

(同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室,上海 200092)

盡管國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了多種有效的自復(fù)位柱腳節(jié)點形式，但均是被運用于抗震分析中。本文提出了一種新的柱腳節(jié)點，并將其運用于泥石流防治領(lǐng)域，通過試驗結(jié)果來驗證其自復(fù)位功能的有效性。

1 自復(fù)位柱腳節(jié)點設(shè)計

自復(fù)位柱腳節(jié)點如圖1所示?？蚣苤迦氲鬃ㄟ^兩根無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋與基礎(chǔ)底座相連，上部結(jié)構(gòu)與底座通過兩塊鉆孔鋼板隔離開來，鋼板同時能防止柱腳在沖擊荷載作用下與基礎(chǔ)頂面產(chǎn)生碰撞時發(fā)生局部破壞?？蚣苤闹芡ㄟ^橡膠與基礎(chǔ)隔離開，橡膠一方面能對混凝土提供側(cè)向約束并傳遞剪力，另一方面也能防止泥石流沖擊荷載作用下柱腳與基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)面碰撞時發(fā)生局部破壞，此時的功能與鉆孔鋼板相似。橡膠必須要有一個合適的厚度，既不能過大也不能過小，厚度過大，則剛度過大，會影響自復(fù)位功能的實現(xiàn)，厚度過小，無法有效實現(xiàn)防止柱腳與基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)面碰撞的作用。

這種自復(fù)位柱腳設(shè)計由鋼筋混凝土柱、內(nèi)置的預(yù)應(yīng)力鋼絞線、橡膠墊和鋼板組成。在泥石流沖擊荷載作用下，柱腳發(fā)生提離，即柱腳抬升，使結(jié)構(gòu)能發(fā)生更大幅度的位移，并允許一定幅度的轉(zhuǎn)動，耗散掉大量沖擊能量，隨后，由預(yù)應(yīng)力鋼絞線提供恢復(fù)力，結(jié)構(gòu)實現(xiàn)復(fù)位功能。

2 泥石流沖擊力

泥石流是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，是指在山區(qū)或者其他溝谷深壑以及地形險峻的地區(qū)，因為暴雨、暴雪或其他自然災(zāi)害引發(fā)的山體滑坡并攜帶有大量泥沙以及石塊的特殊洪流[5]。泥石流的沖擊主要由漿體靜水壓力、動水壓力和石塊沖擊力組成[6]，但相比石塊沖擊力，漿體的靜水壓力和動水壓力很小，在試驗條件下可不考慮。根據(jù)Zeng Chao等人[7]的研究結(jié)論，石塊作用的最不利位置是1/2最大流深處。因此本文將用石塊沖擊力來等效泥石流的沖擊力，并假設(shè)泥石流的深度與整個結(jié)構(gòu)的底層框架柱等高，石塊的撞擊點在底層柱的中點位置。

3 試驗驗證

為了驗證本文提出的柱腳節(jié)點在泥石流沖擊荷載作用下具有良好的自復(fù)位效果，本文設(shè)計了一次泥石流沖擊試驗。

3.1 試驗概況

本試驗采用平面1×2跨的框架模型，平面尺寸1.5 m×3 m，層高1.5 m，柱截面200 mm×200 mm，梁截面125 mm×200 mm，基礎(chǔ)底座平面尺寸600 mm×600 mm，高400 mm，底座預(yù)留260 mm×260 mm×300 mm的杯口用于柱腳與基礎(chǔ)的連接。柱腳部分，預(yù)應(yīng)力筋選用兩根φs15.2級鋼絞線，橡膠墊和兩塊鋼板厚度均取30 mm?，F(xiàn)場實際模型見圖2?？紤]到試驗的可行性，試驗中用鋼球來代替泥石流中的大石塊。加載裝置如圖3所示，鋼軌道出口距離地面高度2.53 m，正好對應(yīng)框架模型底層柱的柱中位置，鋼球沿著軌道下滑到平緩段，產(chǎn)生一個水平方向的沖擊荷載，對被撞擊柱實施沖擊作用。

試驗共進(jìn)行了7組工況，具體情況見表1。

表1 泥石流沖擊試驗加載工況

3.2 自復(fù)位功能有效準(zhǔn)則

從上文自復(fù)位柱腳的設(shè)計思路出發(fā)，如果柱腳的自復(fù)位功能能實現(xiàn)，將會發(fā)生以下幾種現(xiàn)象：

本組20例肺膿腫患者經(jīng)有效治療后,治愈者12例(60.00%),好轉(zhuǎn)者7例(35.00%),無效者1例(5.00%),故治療有效率為95.00%。

1)沖擊荷載增大到一定程度后，柱腳能發(fā)生提離，即柱底能抬升；

2)柱腳發(fā)生提離后，柱底鋼筋的最小應(yīng)變值變?yōu)榱悖?/p>

3)試驗?zāi)Ｐ捅蛔矒糁?jīng)過一段時間的振蕩后，能在預(yù)應(yīng)力鋼絞線的作用下消除殘余位移，恢復(fù)到撞擊前的狀態(tài)。其中，柱腳的提離由于無法直接測量，可在被撞擊柱靠近底座的某個部位粘貼應(yīng)變片，由測點位移來計算，相對關(guān)系參見圖4，柱腳提離x的計算公式推導(dǎo)如下：

(1)

h≈L1+L2

(2)

(3)

其中，x為柱腳提離；a為被撞擊柱側(cè)面的邊長；s為位移計的測量值；h為被撞擊柱發(fā)生提離后柱底到位移計安裝點的距離；L1為位移計安裝點到基礎(chǔ)底座表面的距離；L2為基礎(chǔ)底座表面到柱底的距離。

3.3 試驗結(jié)果分析

3.3.1柱底提離

試驗中在柱子底部靠近基礎(chǔ)底座處設(shè)置了位移計，由于試驗?zāi)Ｐ偷牡鬃叽巛^大，配筋十分富余，可認(rèn)為在撞擊過程中，底座始終保持不動，柱子底部的位移計相當(dāng)于局部位移計，可用于測量柱底提離，公式見式(3)。試驗?zāi)Ｐ脱豖向的柱底最大提離見表2。

表2 KJZ模型被撞擊柱柱腳最大提離

顯然，表2中數(shù)據(jù)證明，被撞擊柱在沖擊荷載作用下，柱底與基礎(chǔ)頂部鋼板分離，柱腳發(fā)生了提離。

3.3.2柱腳鋼筋應(yīng)變

澆筑試驗?zāi)Ｐ蜁r，即在試驗?zāi)Ｐ偷闹卒摻钐幷迟N了應(yīng)變片，用于配合監(jiān)測柱底提離現(xiàn)象的發(fā)生。圖5反映了歷次撞擊中柱底鋼筋最大應(yīng)變和最小應(yīng)變值的變化情況。

從圖5中可以看出，當(dāng)?shù)诙巫矒糁校撉虻闹睆皆黾拥?50 mm，質(zhì)量增加到64.3 kg之后，柱底鋼筋的最大應(yīng)變驟然增加，而最小應(yīng)變減小為零，很明顯柱底抬升，柱腳發(fā)生了提離。而第一次撞擊，由于鋼球直徑太小，沖擊荷載不足以使柱腳節(jié)點發(fā)揮自復(fù)位作用。

3.3.3被撞擊柱的最終位移

被撞擊柱的位移是驗證自復(fù)位功能的重要指標(biāo)，但限于篇幅，本文只選取工況2、工況4和工況6的位移變化情況為研究對象。圖6～圖8分別為被撞擊柱一層頂位置處在這三種工況下的位移時程曲線，以鋼球的撞擊方向為正方向。從圖中可知，每種工況下的位移變化規(guī)律一致：被撞擊點的初始位移接近于零，被撞擊瞬間位移達(dá)到峰值，然后往復(fù)振蕩，逐漸趨于靜止。由于柱腳與基礎(chǔ)分開，并未完全固接，能發(fā)生一定程度的轉(zhuǎn)動，所以撞擊瞬間的位移峰值遠(yuǎn)大于其余時刻。根據(jù)達(dá)朗貝尓原理，隨后被撞擊柱在沖擊荷載和慣性力的作用下處于動態(tài)平衡狀態(tài)。而預(yù)應(yīng)力鋼絞線提供了恢復(fù)力，使被撞擊柱的位移逐漸減小到接近于零的初始水平，僅有不到2%的殘余變形，自復(fù)位效果非常明顯。但每次撞擊后，不能完全恢復(fù)到位移初始值，所以每次加載前，都有很小的初始位移，并且由于累計效應(yīng)，初始位移逐漸增大。

4 結(jié)語

本文在前人研究的基礎(chǔ)上提出了一種新型的自復(fù)位柱腳節(jié)點設(shè)計方案，并設(shè)計了泥石流沖擊模擬試驗，將這種柱腳節(jié)點設(shè)計用于試驗?zāi)Ｐ椭校囼灲Y(jié)果表明：

1)泥石流沖擊荷載作用下，柱腳能產(chǎn)生向上的位移，與基礎(chǔ)頂部鋼板分離開來，柱底鋼筋應(yīng)變?yōu)榱?，柱腳發(fā)生提離；

2)由于柱腳發(fā)生提離，被撞擊柱在沖擊荷載下能產(chǎn)生較大的峰值位移，但隨后在預(yù)應(yīng)力筋鋼絞線提供的恢復(fù)力作用下，撞擊點的位移恢復(fù)到初始水平，幾乎無殘余變形，自復(fù)位效果明顯。