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。蓋挖逆作法車站鋼管混凝土柱(簡(jiǎn)稱RC柱)與后澆鋼筋混凝土梁(簡(jiǎn)稱RC梁)處的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)尤為重要，不僅關(guān)系到車站結(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，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站為背景，通過室內(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)量見表3。

表3 各部件網(wǎng)格數(shù)量

鋼材采用彈塑性模型，滿足Mises屈服準(zhǔn)則。通過材料性能試驗(yàn)確定其屈服荷載，有關(guān)信息見表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)通過在法線和切線方向上的滑移連接來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)，可以通過調(diào)整垂直肋板的高度來提高其抗剪承載力。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。考慮到施工技術(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。