蓋挖逆作地鐵車站CFST柱-RC梁雙暗牛腿節(jié)點(diǎn)抗剪性能研究

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）

1 前言

近年來，內(nèi)蒙古呼和浩特市進(jìn)入城市軌道交通的大規(guī)模建設(shè)時(shí)期。正在建設(shè)的呼和浩特軌道交通1號(hào)、2號(hào)線長約51km，兩條線路在新華廣場處換乘。該換乘站位于呼和浩特繁華鬧市中心區(qū)，同期規(guī)劃、同期實(shí)施，地面人流量和車流量大且交通組成復(fù)雜，周圍建筑密集，受到周圍環(huán)境嚴(yán)格限制，因此新華廣場站設(shè)計(jì)為采用蓋挖逆作法施工。采用該種工法建造的地鐵車站，鋼管混凝土柱（以下簡稱“CFST柱”）與車站樓板鋼筋混凝土縱梁（以下簡稱“RC梁”）不能同期形成[1]。

目前，已有很多關(guān)于鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的研究：陳鶴等[2]研究的國家圖書館站項(xiàng)目，該項(xiàng)目采用蓋挖法來進(jìn)行施工操作。對于鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)位置處所對應(yīng)的應(yīng)力情況，則是借助ANSYS軟件來對其進(jìn)行仿真分析。該研究指出，垂直于梁的方向的牛腿應(yīng)力較大。蔡健等[3]針對井式對穿暗牛腿式節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的受力情況開展了相應(yīng)試驗(yàn)研究，主要是從抗彎、抗剪梁兩個(gè)角度進(jìn)行分析。其研究指出，在剪力傳遞過程中，雙梁節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的性能更優(yōu)。對于彎矩的傳遞，則是由梁縱筋和牛腿逐步傳遞至鋼管柱[4]。在進(jìn)行抗剪試驗(yàn)時(shí)能發(fā)現(xiàn)，與彎矩相比，剪力所對應(yīng)的數(shù)值更高[5]。

文章依托呼和浩特蓋挖逆作地鐵車站，通過室內(nèi)試驗(yàn)與ABAQUS數(shù)值分析相結(jié)合，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，探索了影響節(jié)點(diǎn)抗剪承載力的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，以期為該種節(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。

2 節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究

2.1 試件設(shè)計(jì)

依托呼和浩特市地鐵蓋挖逆作站工程，模型試驗(yàn)中CFST柱與RC梁連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方式與實(shí)際設(shè)計(jì)的相同，節(jié)點(diǎn)區(qū)包括CFST柱、RC梁和預(yù)埋在混凝土梁內(nèi)部的暗牛腿，考慮實(shí)驗(yàn)室加載條件及研究目的，模型縮尺比例為1∶4。

節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)參數(shù)：節(jié)點(diǎn)柱高1500mm，鋼管尺寸為219mm×5mm，梁跨度1600mm，梁截面尺寸為175mm×550mm，梁主筋選用8C10+8C10混凝土梁內(nèi)縱筋繞過鋼管柱貫通布置，箍筋選用C8@100。牛腿的肋板和環(huán)板的厚度都為3.75mm。混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40，主筋及箍筋采用HRB400鋼筋，鋼管柱與環(huán)形牛腿鋼材均采用Q235鋼。模型節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)如圖1所示。

2.2 材料參數(shù)

室內(nèi)試驗(yàn)所需材料和材料參數(shù)均為實(shí)測數(shù)據(jù)，如表1所示。

2.3 加載方案

考慮試驗(yàn)室加載條件及試驗(yàn)?zāi)康模瑢⒐?jié)點(diǎn)倒置[6]。試驗(yàn)采用靜力分級(jí)加載，在試驗(yàn)中梁端固定在剛性支座上，同時(shí)在柱端上設(shè)置200t伺服作動(dòng)器，預(yù)加載按10kN、20kN、30kN分級(jí)加荷載，正式加載階段每級(jí)加載100kN[7]。試驗(yàn)加載裝置如圖2所示。

2.4 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

（1）節(jié)點(diǎn)裂縫發(fā)展及破壞演化過程分析。節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)及裂縫分布如圖3所示。由圖3可知，在加載操作中，便會(huì)出現(xiàn)彎曲裂縫，與此同時(shí)，這些裂縫也會(huì)逐步延伸，彎剪斜裂縫也開始出現(xiàn)并發(fā)展，在加載結(jié)束時(shí)裂縫呈П形分布，形成通裂，在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)已貫通，受制于設(shè)備加載能力的限制。當(dāng)加載數(shù)值達(dá)到1800kN時(shí)，節(jié)點(diǎn)完好，終止加載操作。通過對梁破壞情況進(jìn)行分析可知，按照裂縫變化情況能夠?qū)⑵浞殖上率鲭A段。①初裂階段：當(dāng)加載數(shù)值達(dá)到500kN時(shí)，在梁低位置處，出現(xiàn)了彎曲直裂縫1。第一條裂縫出現(xiàn)之后，隨著荷載的不斷增加，當(dāng)加載數(shù)值達(dá)到600kN時(shí)，第二條彎曲直裂縫2出現(xiàn)在梁低的中線位置，第三條彎曲裂縫3出現(xiàn)在與第二條彎曲直裂縫對稱的位置。當(dāng)加載數(shù)值達(dá)到560kN時(shí)，彎剪斜裂縫5出現(xiàn)，并開始從梁高中心處，向支座延伸。在初裂階段節(jié)點(diǎn)始終處于彈性階段，節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的位移、應(yīng)變量均較小。②通裂階段：隨著荷載數(shù)量的逐步提升，裂縫會(huì)進(jìn)一步拓展。當(dāng)加載數(shù)值達(dá)到660kN時(shí)，彎曲直裂縫便會(huì)出現(xiàn)延伸。當(dāng)加載數(shù)值達(dá)到850kN時(shí)出現(xiàn)了新的彎剪斜裂縫7，彎剪正裂縫1也隨之延伸發(fā)展到梁上下中間位置。隨著荷載的繼續(xù)增加，當(dāng)加載數(shù)值達(dá)到1260kN時(shí)，彎曲直裂縫4出現(xiàn)。當(dāng)加載數(shù)值達(dá)到1420kN時(shí)，斜裂縫8出現(xiàn)，與此同時(shí)，會(huì)逐步進(jìn)行拓展，與彎剪斜裂縫8對稱位置出現(xiàn)新的彎剪斜裂縫，呈П形分布，在牛腿位置處形成通裂，此時(shí)的荷載便可將其視作通裂荷載。此時(shí)，上環(huán)應(yīng)變值顯著提升，節(jié)點(diǎn)開始屈服。③破壞階段：彎曲直裂縫和彎剪斜裂縫寬度伴隨著荷載的增大和環(huán)形牛腿應(yīng)變值的增加。當(dāng)加載數(shù)值達(dá)到1600kN時(shí)，彎剪斜裂縫寬度0.25mm。由于實(shí)驗(yàn)室條件的限制，因此當(dāng)加載數(shù)值達(dá)到1800kN時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。此時(shí)，斜裂縫寬度0.3mm，彎剪斜裂縫5延伸至梁下表面。

圖1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及尺寸詳圖（單位：mm）

表1 鋼材力學(xué)性能

（2）節(jié)點(diǎn)抗剪性能分析。為了監(jiān)測加載過程中節(jié)點(diǎn)的相對位移，分別在梁中心及梁兩端布置了位移計(jì)。荷載值取伺服作動(dòng)器施加的荷載，相對位移取梁中心處位移減去梁兩端位移的平均值，節(jié)點(diǎn)的荷載—相對位移曲線如圖4所示。通過分析圖4可知，能夠?qū)⑵鋭澐殖蓛啥危涸?～600kN，整個(gè)試件實(shí)際上為彈性階段，荷載—相對位移曲線呈直線上升狀態(tài)；加載到600kN之后，帶裂縫的試件進(jìn)入塑性工作階段，相對位移增長速度開始加快。另外，由于梁的截面尺寸很大，因此梁自身的抗剪能力極強(qiáng)。由于增加了兩個(gè)暗牛腿，且暗牛腿的抗剪能力很大，使得節(jié)點(diǎn)的抗剪能力大大加強(qiáng)。試驗(yàn)中所使用的設(shè)備極限為1800kN，當(dāng)加載至此數(shù)值以后試件并未遭到破壞，因而研究中沒有檢測到極限承載能力。

圖2 加載裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)現(xiàn)場圖

圖3 節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)及裂縫分布

圖4 荷載—相對位移曲線

3 結(jié)論

（1）加載過程中梁的破壞模式為初始裂縫沿環(huán)形牛腿下環(huán)板高度拓展形成通裂縫并和節(jié)點(diǎn)區(qū)的主斜裂縫貫通形成剪切破壞，最終梁發(fā)生剪切破壞，節(jié)點(diǎn)并未破壞，符合強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的設(shè)計(jì)原則。（2）單上暗牛腿極限承載力為690kN，單下暗牛腿極限承載力約是單上暗牛腿極限承載力的2倍，在雙暗牛腿中下部牛腿分擔(dān)的剪力大于上部牛腿。