蓋挖逆作地鐵車站CFST柱-RC梁雙暗牛腿節點抗剪性能數值分析

唐志勛，陳霧航，何彥榮

(1.內蒙古科技大學土木工程學院，內蒙古 包頭 014010；2.北京市城建設計總院責任有限公司，北京 100000；3.中鐵二十局集團有限公司第四公司，甘肅 蘭州 730050 )

目前，關于鋼管混凝土的研究很多，未曉麗[1]結合天津地鐵站交通樞紐工程，建立了一個四層三跨典型框架模型，模擬地下結構鋼管混凝土框架結構施工期間的力學性能，得出圓形截面鋼管柱不論在施工階段還是使用階段，其受力性能都優于方形截面鋼管柱。賀少輝等[2]進行了廣州地鐵蓋挖逆筑公園前車站鋼管混凝土框架節點抗剪性能的試驗研究，節點通過法蘭盤與上、下鋼管連接，鋼筋焊接在法蘭盤上，試驗模型按原型一定的比例縮尺后分別做靜載試驗和動力試驗，得出以下結論：鋼管內表面與核心混凝土外表面之間不存在黏結作用，節點的剪力主要依靠鋼管柱下柱的局部承壓作用傳遞；節點加載到極限荷載時，下柱鋼管出現鼓曲破壞，通過加厚破壞位置處鋼管可提高節點抗剪承載力。

為給該種節點在蓋挖逆作地下結構的應用提供參考和建議，文章依托呼和浩特蓋挖逆作地鐵車站，采用模擬和實驗相結合的方法，深入研究了節點的抗剪性能、破壞形態和傳力機理，探索影響節點抗剪承載力的關鍵設計參數。

1 節點精細化數值模擬

受試驗設備方面的限制，導致鋼管柱-混凝土梁節點內部和梁的內部應力應變情況無法獲知，因此利用非線性有限元軟件ABAQUS對其內部應力應變的變化規律進行精細化研究，對于試驗無法研究到的部位進行補充分析[3]。

1.1 邊界條件及加載方式

在模擬研究中，為提升研究的準確性，就需引入邊界條件，通過這種方式來使整個模擬研究工作與實際情況之間更為接近。具體而言，就是對節點進行倒置，根據實際試驗過程中所對應的鋼支座布置情況來進行設計，采用節點耦合（Coupling）法實現對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試驗一致。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 有限元計算結果

（1）混凝土梁的應變分析。混凝土梁最大主塑性應變分布云圖如圖2所示，在下環板位置處，所對應的應變數值較高。由此可知，同下環板相接觸的混凝土位置處，最先會出現裂縫，所對應的裂縫數量也比較多。究其原因主要在于，混凝土梁下部會對鋼管壁產生擠壓，進而產生一個力偶，導致此區域的混凝土出現裂紋。

圖1 加載方式示意圖

圖2 混凝土梁最大主塑性應變分布云圖

（2）混凝土梁的應力分析。梁壓應力云圖如圖3所示，在梁下表面位置處，局部壓應力具有最高數值。對于雙梁節點，梁主筋沿0°方向布置，伴隨剪力數值的增加，梁上表面會發生膨脹，而梁的上方位置處主要受到的是拉應力，進而使得梁與鋼管壁間所對應的壓應力數值顯著提升。基于此，在90°方向位置處，所對應的局部壓應力數值最大。

圖3 梁壓應力云圖

為實現對節點傳力機理的有效探究，在研究過程中選擇了上、下環板位置處所對應的荷載-壓應力分布情況進行探究，所獲得的結果如圖4所示。在早期加載過程中，所對應的荷載數值較小，此時，鋼管壁和梁內表面之間由于黏結力的存在，繼而能夠承擔部分剪力。伴隨荷載數值的提升，將會使得黏結作用逐步降低，梁上表面便會開始膨脹，下表面收縮，進而對鋼管造成擠壓，產生力偶。在下環板位置，混凝土所對應的壓應力數值逐步提升，已經遠遠超過了其他位置處的應力。此時，上、下部環形牛腿中，所對應的上環板壓應力數值也會逐步趨于穩定。在1900kN時，下環板混凝土屈服，所對應的荷載數值為95%的極限荷載。基于此，在進行設計時，就需對下部環形牛腿的強度給予充分關注[6-7]。

圖4 牛腿環板位置處混凝土壓應力變化

0°方向梁內表面壓應力所對應的變化情況如圖5所示。由此可知，在下環板位置處，所對應的壓應力數值最大。

（3）鋼管柱應力分析。鋼管柱外壁應力分布如圖6所示。根據圖中顯示，鋼管壁最大壓應力值出現在下部環形牛腿下方，拉應力最大值出現在上部環形牛腿上方，這與室內試驗監測得到的數據是一致的。根據圖中顯示，局部應力最大值出現在下部的環形牛腿豎向加勁肋與鋼管接觸部位。

圖5 梁內表面壓應力沿高度的變化

圖6 鋼管柱應力云圖

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

圖7 環形牛腿應力云圖（0°方向）

環形牛腿應力值對比圖如圖8所示，在加載過程中，與上部環形牛腿相比，下部加勁肋上所對應的應力、剪力數值均較高。在980kN時，下部環加勁肋屈服，上部牛腿應力顯著提升。在加載完成后，受制于豎向加勁肋的影響，不會使得節點發生破壞。

圖8 環形牛腿應力值對比圖

環形牛腿所對應的剪力分布情況如圖9所示。當試件被破壞以后，與上部牛腿相比，下部牛腿所對應的剪力數值是其的2.4倍。由此可知，這一數值已經遠遠超過了上部牛腿。在加載過程中，位于梁上部的混凝土會發生徑向膨脹現象，進而使其和鋼管接觸位置相分離。對于梁下部混凝土而言，則處于收縮狀態，能夠對鋼管產生擠壓作用，進而產生力偶。在下部環形牛腿位置處，所對應的應力數值最高。

通過分析可知，在加載過程中，兩個牛腿所承受的剪力數值為總剪力值的50%左右。由此可知，剪力是由梁與環形牛腿承擔。在加載完成后，下部牛腿屈服，此時剪力由梁箍筋承擔。

使用兩個暗牛腿，當荷載數值較高時，下部牛腿位置處所對應的應力分布較高。基于此，便需要在梁中下部位置設置環形牛腿，通過這種方式來提升牛腿受力均勻性。

圖9 環形牛腿承擔的剪力對比

2 結論

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