盖挖逆作地铁车站明暗双牛腿结构抗剪性能研究

张 林， 吴 云

(1. 中铁二十局集团第四工程有限公司， 山东 青岛 266061； 2. 内蒙古科技大学土木工程学院， 内蒙古 包头 014010)

0 引言

目前呼和浩特市轨道交通1、2号线中有3座大型地铁站采用了盖挖逆作法，分别为换乘站新华广场站、大学西街站、中山路站。盖挖逆作法车站钢管混凝土柱(简称RC柱)与后浇钢筋混凝土梁(简称RC梁)处的节点设计尤为重要，不仅关系到车站结构的整体传力稳定性，也会对后续施工造成直接影响。本文提出了一种新型明暗双牛腿式钢管混凝土梁节点形式，即由在梁下支撑的明牛腿及在混凝土梁中包裹的暗牛腿组成，其中，明暗牛腿由上环板、肋板和下环板组成，上环板进行穿心处理，上环板嵌入钢管混凝土柱12.5 mm。

近年来，已有学者对单一环形牛腿的剪力传递形式、力学破环机制等力学性能以及特殊形式牛腿的受力问题进行了研究。规范[1-2]提出了单个台锥式深牛腿和环形牛腿的剪切理论公式；王元湘[3]通过研究得到了采用环形牛腿能够确保该节点区剪力有效传递的结论；王文达等[4]对实际工程中的单、双梁节点进行了单调和低周反复加载，结果表明双梁节点的承载力和刚度均大于单梁节点；容柏生等[5]对高层建筑的钢管混凝土柱节点进行了研究，给出了梁和节点之间剪力及弯矩的传递过程；陈鹤等[6]采用ANSYS对钢管混凝土梁柱节点进行了模拟研究，结果表明垂直于梁的牛腿应力最大；蔡健等[7]、杨奋[8]研究了“井”字形对穿暗牛腿式节点的受力性能，结果表明该节点具有较好的传力特性，并得到了该节点的应变变化规律；陈添明[9]通过数值模拟和静力试验对RC梁-方钢管混凝土柱环梁节点进行了分析研究，结果表明该节点能有效传递弯矩和剪力；曲慧等[10]、尧国皇等[11]、李松柏等[12]对RC梁-CFST柱钢筋环绕式节点进行了荷载试验，得到了该节点的破坏形式和屈服过程；文献[13-15]利用ANSYS对穿心暗牛腿钢管混凝土柱与现浇钢筋混凝土梁的单梁节点进行了非线性分析；金怀印等[16]通过对CCFST柱-RC梁节点的抗剪承载力影响因素进行研究，提出了抗剪承载力计算公式。目前，关于盖挖逆作地铁车站的CFST柱-RC双梁双节点的研究较少，现行规范缺少对该节点的抗剪性能及机制的研究。

本文以呼和浩特盖挖逆作地铁车站为背景，通过室内试验和ABAQUS分析明暗双牛腿的剪力分布规律，得到牛腿的抗剪承载力，并对影响牛腿抗剪承载力的参数进行分析，以期研究结果为以后在盖挖逆作地铁车站应用该种新型节点时提供借鉴和理论依据。

1 试验概况

1.1 试验设计方案

本文以呼和浩特盖挖逆作地铁车站工程为依托，对该明暗双牛腿节点进行1∶4模型缩尺后，开展静力加载试验。节点构造方式和实际工程一致，明牛腿支撑在梁下表面，暗牛腿包裹在混凝土梁内部，在梁内布置纵筋并设置环板，环板之间的加劲肋板数量为8个。试件基本信息见表1。节点构造如图1所示。

表1 试件基本信息

(a) 试件平面图

(b) 试件立面图

1.2 材料基本参数

本次试验采用与原构件相同的材料，并根据相似原则确定材料的尺寸和材质等，同时对混凝土进行材料性能试验测量，材料性能试验结果如表2所示。

表2 材料性能

1.3 试验加载方案

考虑实验室条件和试验数据采集的可靠性，将构件倒置加载。将两梁端放置在刚性支座上，同时在柱端设置2 000 kN伺服作动器，采用分级加载的方案，按照10、20、30 kN等逐级加压直到试件损坏。试验装置如图2所示。

1.4 试验结果分析

结构破坏主要出现在节点中心部位,如图3所示，其中，1、2为弯曲正裂缝，3、4为斜裂缝。正、斜裂缝随着加载的增加，依次出现并不断延伸，在下环板部位的正裂缝贯通后与斜裂缝连接，出现剪切破坏。最后得到最大的裂缝宽度为1.4 mm，梁内侧与钢管外侧的混凝土出现剥离。

(a) 示意图

1—反力架； 2—钢管混凝土柱； 3—框架梁； 4—钢垫块。

(a) 试件破坏情况

(b) 裂缝分布情况

相比于单牛腿工况的试验结果[17]，在明暗双牛腿工况下，得到的结构屈服荷载能够提升39.7%，如图4所示。由研究结果可知，明、暗牛腿可以协同分担剪力，其中，暗牛腿的屈服荷载可以显著增加。因此，在盖挖逆作地铁车站结构设计时，对于梁柱结构承受较大剪力的情况，建议优先采用明暗双牛腿。

图4 单牛腿和双牛腿工况下结构荷载变化曲线

2 有限元数值模拟分析

2.1 模型建立及参数选取

以呼和浩特市地铁盖挖逆作车站工程为依托，采用ABAQUS独立实体建模。该模型包括牛腿、钢管、核心混凝土以及框架梁，模型柱高6 m，梁的跨度取6.4 m，钢管尺寸为876 mm×20 mm。网格数量共23 792个，其中,对于牛腿等关键部位网格划分较细，其他部件较粗略，具体网格数量见表3。

表3 各部件网格数量

钢材采用弹塑性模型，满足Mises屈服准则。通过材料性能试验确定其屈服荷载，有关信息见表2。

CFST柱-RC梁节点由多个部件组成，每个部件在受力过程中存在复杂的接触，因此，有限元分析的准确性尤为重要。该构件中有4种接触类型，即钢管与混凝土、牛腿与钢管、暗牛腿与混凝土梁、钢筋与混凝土梁的接触。

1)通过在法线和切线方向上的滑移连接来描述钢管和核心混凝土之间的接触[17]。在法线方向上，使用硬接触；在切线方向上，摩擦采用罚函数[17]。根据文献[6]，罚函数摩擦因数被定义为0.6，便于收敛。

2)节点通过有效焊缝传递剪力，因此将牛腿与钢管采用Tie绑定，保证二者协同变形的同时保证节点的抗剪承载能力。

3)暗牛腿及钢筋与混凝土梁之间的接触，通过嵌入(embed)命令设定混凝土梁中的协调变形[17]。

2.2 加载方式及边界条件

明暗双牛腿节点三维精细化有限元计算模型如图5所示。模型尺寸与试验试件尺寸一致，边界条件与试验条件保持一致。为简化各接触面的计算，模型采用参考点耦合(coupling)的方法在柱端施加荷载，加载方式如图6所示。

图5 明暗双牛腿节点三维精细化有限元计算模型

图6 加载方式示意图

2.3 结果对比分析

从数值模拟结果和室内试验中提取荷载、位移数据绘制成荷载-位移曲线，结果如图7所示。由图7可知，模拟结果和室内试验结果吻合较好。在弹性阶段，数值模拟得到的位移稍大于实测位移，这是由初期试验加载装置的误差造成；当试件进入屈服阶段后误差逐渐增大，主要是非线性阶段假设的材料参数与实际无法相符导致的。

相对位移指混凝土梁底中心位移减去支点处位移的平均值。

图7 荷载-位移曲线

Fig.7 Load-displacement curves

最大主塑性应变模拟结果如图8所示。破坏时模拟得出的最大主塑性应变分布与试验得出的裂缝分布基本一致，裂缝主要集中在节点与支座之间。

(a) 混凝土梁侧面

(b) 混凝土梁顶面

2.4 明、暗牛腿应力状态

加载开始阶段，暗牛腿上环板与其下环板的应力基本相同；加载增加使得梁下表面与钢管壁挤压形成力偶，导致应力不断增加。明、暗牛腿最大应力均发生在钢管与加劲肋接触焊接处，并且数值比较接近，明、暗牛腿具有基本相同的剪力，能够协同工作[17]。环形牛腿应力模拟结果如图9所示。

加载期间暗牛腿应力比明牛腿大，如图10所示。暗牛腿首先屈服，而此时明牛腿应力开始显著增长，逐渐减小了与暗牛腿应力的差距；之后，明、暗牛腿的应力均快速变大，最后大致相同。

3 节点抗剪性能影响参数分析

根据文献[17]，在混凝土梁参数相同的情况下，选取影响节点抗剪的4个关键参数进行单调直剪分析。4个关键参数分别为环形牛腿肋板数量、肋板高度、上环板穿心量、环形牛腿数量。其中，单调直剪模型的材料本构、单元类型、接触均与有限元数值模型一致，加载点耦合到环形牛腿投影面上。

3.1 肋板高度的影响

接头的剪切力是由钢管与垂直肋板之间的焊接缝承受。在确定了肋板的数量时，可以通过调整垂直肋板的高度来提高其抗剪承载力。当暗牛腿肋板高度h分别取50、75、90 mm时，结构的荷载-位移曲线如图11所示。研究表明： 当h取75 mm时，节点极限抗剪承载力比h取50 mm时增加了28.8%；当h取90 mm时，节点极限抗剪承载力降低，且小于h为75 mm时的极限抗剪承载力。

(a) 暗牛腿

(b) 明牛腿

(c) 90°方向剪应力

(d) 0°方向剪应力

图10 明、暗牛腿荷载-应力变化曲线对比

图11 不同肋板高度条件下结构的荷载-位移曲线

根据环形及台锥式牛腿剪切承载力公式[1]，包括钢管、肋板的焊接强度和混凝土的直剪强度以及牛腿环板的抗剪承载力，可知当混凝土梁高不变时，暗牛腿肋板高度越大，上环板混凝土的抗剪承载力就越小。在工程结构设计时，肋板高度与梁高度之比需要确保在某一区间范围内。因此，在已知梁的高度以及肋板数量的情况下，建议梁的高度取为肋板高度的4倍。

3.2 肋板数量的影响

如果肋板高度保持不变，则能够根据肋板的数量增加焊接长度。在穿心量等参数恒定的条件下，研究肋板数量n对节点抗剪承载力的影响规律。肋板数量n取4、8、12时结构的荷载-位移曲线如图12所示。

图12 肋板数量n取4、8、12时结构的荷载-位移曲线

由图12可知： 将肋板数量从4块更改为8块时，极限抗剪承载力提高了26.7%，屈服荷载增加了53.2%；当从8块更改为12块时，抗剪承载力变化差距较小。当肋板数量不断增加时，抗剪承载力不断增大，达到了提高节点屈服荷载的目的。考虑到施工技术和条件，肋板数量越多，施工越困难，且会影响混凝土梁在节点中心区域的浇筑质量。因此实际设计时，在保证肋板高度够用的同时，建议肋板数量取为8块。

3.3 牛腿数量的影响

通过单明、单暗牛腿和明暗双牛腿的节点荷载-位移曲线对比牛腿节点的极限承载力，分析牛腿数量对抗剪承载力的影响规律。不同牛腿结构条件下的荷载-位移曲线如图13所示。由图可知，明暗双牛腿结构的极限抗剪承载力比单暗牛腿结构的极限抗剪承载力提高了39.7%，比单明牛腿结构提高了49.4%。明暗双牛腿结构的极限抗剪承载力约为单暗牛腿结构和单明牛腿结构极限抗剪承载力的总和。由此可知，明暗双牛腿结构可以增加构件的极限抗剪承载力。

图13 不同牛腿结构条件下的荷载-位移曲线

不同牛腿结构条件下荷载-应力曲线如图14所示。由图可知，明暗双牛腿结构的暗牛腿屈服荷载比单暗牛腿结构的屈服荷载大54.6%，比单明牛腿结构的屈服荷载大69.7%。明暗双牛腿工况中的明牛腿承担剪力，暗牛腿的屈服荷载较单暗牛腿结构有显著的改善。

3.4 上环板穿心量的影响

上环板穿心量△取0、12.5、17.5、22.5 mm时，研究上环板穿心量对节点抗剪承载力的影响规律。不同上环板穿心量条件下的荷载-位移曲线如图15所示。不同上环板穿心量条件下的极限抗剪承载力见表4。

由表4可知： 1)当上环板穿心量△为12.5 mm时，比不设穿心量(△为0 mm)工况的极限抗剪承载力增加16.9%； 2)当△为17.5 mm时，较△为12.5 mm工况时的极限抗剪承载力略高； 3)当△为22.5 mm时，极限抗剪承载力小于△为12.5 mm工况时的极限抗剪承载力。因此在实际设计时，在剪力较大的部位，可以通过设置上环板穿心量的方式提高极限抗剪承载力，建议△取钢管柱直径的8.0%，能够确保在牛腿节点中心区实现有效的剪力传递。

(a) 暗牛腿

(b) 明牛腿

图15 不同上环板穿心量条件下的荷载-位移曲线

表4 不同上环板穿心量条件下的极限抗剪承载力

4 结论与建议

1)暗牛腿加劲肋应力在加载初期比明牛腿大，之后明、暗牛腿应力差值变小，明牛腿承担部分剪力，加载至破坏时，明、暗牛腿应力趋于相等，因此，明、暗牛腿能够协同发挥作用。

2)肋板与钢管壁之间的有效焊缝长度为节点抗剪承载力的主要参数。通过控制有效焊缝长度，调节肋板高度和垂直肋板的数量。为确保剪力的有效传递，其上环板穿心量宜设为钢管柱直径的8%。

3)在实际工程中，梁柱节点处剪力较大时，可采用明暗双牛腿结构。这种结构具有较高的承载力，力学性能好，具有较广泛的工程应用前景。

4)本文针对节点核心参数对结构抗剪性能的影响分析均采用数值模拟的方法，还应该通过更多的室内足尺试验加以验证，并进行相应的动力加载分析。