宋志文

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

1 工程概況

新建雄安站(圖1)位于中國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、站臺層、地面層)，局部設夾層；地下2層，其他詳細概況見文獻[1]。

圖1 雄安站建筑效果圖

站房部分最大柱網(wǎng)30m×23m，標準柱網(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,混凝土強度等級為C50,型鋼Q345GJ。

2 半埋式柱腳構(gòu)造設計

按照傳統(tǒng)埋入式型鋼混凝土柱腳設計[2-4]，型鋼混凝土柱腳埋深過大。按照《組合結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》[2](JGJ 138—2016)第6.5.4條計算，型鋼在承臺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厚度需要5～6m，且承臺基坑也需開挖大量土方工程，增加施工風險。如何在有效傳遞柱底荷載的同時盡量減小基礎承臺的厚度，是型鋼混凝土柱腳設計的主要問題。借鑒有關(guān)工程研究成果[5-8]并反復比較論證，通過有限元分析和試驗研究，針對雄安站型鋼混凝土柱底內(nèi)力大的特點，提出一種新型的半埋入式柱腳構(gòu)造，型鋼埋入承臺約1.35倍型鋼截面高度，采用雙向設置靴梁的方式來解決型鋼混凝土柱腳彎矩傳遞給基礎的問題，同時減小了承臺厚度，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、錨栓和配筋承臺三部分組成，其不同于埋入式柱腳的主要特點為：

(1)整個靴梁埋在混凝土內(nèi)部，在靴梁內(nèi)部適當位置設置加勁肋，增強靴梁底板的剛度。

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

(4)為了抵抗靴梁對承臺的反向沖切，在靴梁長度范圍配置U形鋼筋，在靴梁端部反向沖切影響范圍設置貫穿承臺厚度的預應力鋼筋。

3 有限元分析

為分析該半埋入式柱腳的受力、變形特點和破壞機理，采用大型通用有限元程序ABAQUS建立彈塑性有限元模型進行計算分析。模型按實際構(gòu)件的規(guī)格和尺寸進行創(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)點建模；承臺包括混凝土、鋼筋和靴梁三大部分，混凝土與靴梁采用共節(jié)點建模，鋼筋與混凝土采用嵌入?yún)^(qū)約束(Embedded Region)進行相互約束。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，分析時設置參考點與承臺底面耦合，并對參考點施加邊界條件，以模擬樁的位置及對承臺的作用。有限元模型中材料強度均根據(jù)材性試驗的結(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，無剛度退化?；炷敛捎脧椝苄該p傷模型，該模型能夠考慮混凝土材料拉壓強度差異、剛度及強度退化以及拉壓循環(huán)裂縫閉合呈現(xiàn)的剛度恢復等性質(zhì)。

混凝土強度等級C50試塊材性試驗結(jié)果 表1

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

圖3 有限元計算的柱腳主要組成部分應力/kPa

有限元計算結(jié)果表明：1)在設計荷載作用下，柱受拉區(qū)和受壓區(qū)的縱筋應力較大，最大應力為165MPa，鋼筋仍處于彈性狀態(tài)；2)型鋼受拉區(qū)和受壓區(qū)的應力水平較大，且上部應力大于柱根和柱底，型鋼受壓翼緣最大應力為152MPa，型鋼和靴梁處于彈性狀態(tài)，但靴梁腹板的應力明顯大于上、下翼緣，說明靴梁腹板受到了較大剪力作用；3)U形鋼筋最大拉、壓應力分別為6MPa和40MPa，出現(xiàn)在靠近型鋼的內(nèi)側(cè)位置；4)由于預應力的存在，錨栓應力均為壓應力，最大為18MPa；5)在設計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，在設計荷載作用下半埋入式柱腳基本處于彈性工作階段，承載力滿足設計要求。

4 試驗研究

4.1 試件制作及加載方式

為進一步驗證半埋入式柱腳是否達到設計要求，通過靜力試驗，研究該柱腳的受力模式和破壞形態(tài)。根據(jù)實驗室空間和加載設備能力，試件按1∶6比例縮尺。柱長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。柱和承臺混凝土均采用C50，鋼材采用Q345B，鋼筋為HRB400。為了模擬樁對承臺受力性能的影響，在試驗中采用鋼樁來模擬樁基對承臺的約束作用。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。試驗在預載階段反復加載2～3次，預加載力為試件最大加載量的15%。正式加載時分級進行，每級荷載約為試件最大加載量的10%，每級持荷不少于5min。加載過程中對所有的位移與應變進行實時監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測到的荷載-位移曲線和應力發(fā)展情況，在試件接近破壞時，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。加載點的加載力、加載裝置、試驗現(xiàn)場照片分別如表3和圖5、圖6所示。

圖5 試驗加載裝置示意圖

圖6 試驗現(xiàn)場照片

加載點的加載力 表3

4.2 試驗結(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倍設計荷載(650kN)時，柱受壓區(qū)混凝土、承臺混凝土均未出現(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倍設計荷載(1 300kN)時，鋼筋、型鋼仍未屈服；繼續(xù)增大荷載，柱鋼筋屈服，隨后型鋼也達到屈服應變，當加載至1 997kN時，柱受壓區(qū)混凝土先壓潰掉落；當加載至2 132kN(約為3.3倍設計荷載)時，柱破壞嚴重(圖7)，結(jié)構(gòu)喪失承載能力，此時承臺裂縫數(shù)量較少，且預應力作用下的裂縫寬度較小，承臺破壞程度較輕，整體表現(xiàn)為柱的破壞早于承臺的破壞。

圖7 試件破壞照片

4.2.2 試件變形

加載點荷載-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，當荷載達到1 820kN附近時，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。當豎向位移為68mm，水平向位移為20mm(對應位移角為1/37)時，承臺上的裂縫寬度較小，裂縫數(shù)量不多，仍有一定的承載能力；但柱出現(xiàn)了較嚴重的破壞，無法繼續(xù)加載，這是荷載-位移曲線未出現(xiàn)明顯下降段的原因，此時荷載為2 132kN。

圖8 加載點荷載-豎向位移曲線

圖9 柱頂荷載-水平位移曲線

4.2.3 試件應變

加載至1倍設計荷載(650kN)時，柱鋼筋均未屈服，柱鋼筋應變最大為953με；加載至2倍設計荷載(1 300kN)時，柱根受拉區(qū)鋼筋接近屈服，鋼筋的應變?yōu)? 966με；加載至2 132kN時，柱根受拉區(qū)和受壓區(qū)的鋼筋屈服，應變分別為3 725με和-7 011με，柱底鋼筋在承臺內(nèi)伸至靴梁頂面，此時均未屈服，處于彈性狀態(tài)。在加載過程中，柱底鋼筋應變均小于柱根鋼筋應變，說明柱縱筋進入承臺錨固段后，能夠有效地將力傳遞給混凝土；當荷載較小時，柱縱筋應變增加較為平緩，當荷載較大時，應變增長速度加快，說明在較大荷載時試件混凝土損傷較為嚴重，混凝土和鋼筋的協(xié)同工作能力降低，鋼筋承擔更多荷載作用，其應力迅速增大。

在荷載的作用下U形鋼筋的應變較小，仍處于彈性工作狀態(tài)；當加載至2 132kN時，U形鋼筋最大應變?yōu)? 157με；越靠近型鋼，U形鋼筋應變越大。U形鋼筋的主要作用是抵抗靴梁上撬的沖切作用，在1倍設計荷載下，其應變較小；但隨著荷載增大，U形鋼筋應變增長較快。說明承臺混凝土開裂前，上撬的沖切力可由混凝土承擔；當承臺內(nèi)部混凝土出現(xiàn)裂縫時，沖切力由U形鋼筋和混凝土共同承擔，U形鋼筋應力開始增長。

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

當加載至1倍設計荷載(650kN)時，靴梁應變較小，最大應變?yōu)?15με；當加載至2倍設計荷載(1 300kN)時，靴梁未屈服，最大應變?yōu)?30με；當加載至2 132kN時，靴梁仍未屈服，最大應變?yōu)? 457με。在加載過程中，靴梁翼緣應力較小，說明靴梁嵌固在承臺中時，鋼梁分配到的彎矩較小。

在荷載作用下，錨栓應變較小，處于彈性狀態(tài)，錨桿最大應變?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，其應變較小，隨著荷載增大，錨桿應變迅速增長，說明承臺混凝土開裂前，上撬的沖切力可由混凝土承擔；當承臺內(nèi)部混凝土出現(xiàn)裂縫時，錨桿承擔沖切力的作用增強，應力開始增長。

綜上應變結(jié)果可知，在1倍設計荷載(650kN)和2倍設計荷載(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)；當加載至2 132kN時，U形鋼筋、錨桿和靴梁均未屈服，處于彈性狀態(tài)，承臺承載力未被充分發(fā)揮。整體上看，試件的極限承載力(2 132kN)為設計荷載的3.3倍，承載力可滿足設計要求且具有足夠的安全儲備。

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深度，并減小柱下承臺厚度，提出一種半埋入式型鋼混凝土柱腳。通過有限元仿真分析初步驗證該柱腳的可行性，最后通過縮尺模型試驗進一步驗證了該柱腳的受力性能。通過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，柱下承臺厚度得到有效控制。

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

(3)縮尺模型試驗結(jié)果表明，該柱腳抗彎承載力滿足設計要求且極限承載力為設計荷載的3.3倍，具有足夠的安全儲備，相應的節(jié)點做法可靠。