盖挖逆作地铁车站CFST柱-RC梁双暗牛腿节点抗剪性能研究

唐志勋，陈雾航，何彦荣

（1.内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙古 包头 014010；2.北京市城建设计总院责任有限公司，北京 100000；3.中铁二十局集团有限公司第四公司，甘肃 兰州 730050）

1 前言

近年来，内蒙古呼和浩特市进入城市轨道交通的大规模建设时期。正在建设的呼和浩特轨道交通1号、2号线长约51km，两条线路在新华广场处换乘。该换乘站位于呼和浩特繁华闹市中心区，同期规划、同期实施，地面人流量和车流量大且交通组成复杂，周围建筑密集，受到周围环境严格限制，因此新华广场站设计为采用盖挖逆作法施工。采用该种工法建造的地铁车站，钢管混凝土柱（以下简称“CFST柱”）与车站楼板钢筋混凝土纵梁（以下简称“RC梁”）不能同期形成[1]。

目前，已有很多关于钢管混凝土梁柱节点的研究：陈鹤等[2]研究的国家图书馆站项目，该项目采用盖挖法来进行施工操作。对于钢管混凝土梁柱节点位置处所对应的应力情况，则是借助ANSYS软件来对其进行仿真分析。该研究指出，垂直于梁的方向的牛腿应力较大。蔡健等[3]针对井式对穿暗牛腿式节点对应的受力情况开展了相应试验研究，主要是从抗弯、抗剪梁两个角度进行分析。其研究指出，在剪力传递过程中，双梁节点所对应的性能更优。对于弯矩的传递，则是由梁纵筋和牛腿逐步传递至钢管柱[4]。在进行抗剪试验时能发现，与弯矩相比，剪力所对应的数值更高[5]。

文章依托呼和浩特盖挖逆作地铁车站，通过室内试验与ABAQUS数值分析相结合，深入研究了节点的抗剪性能、破坏形态和传力机理，探索了影响节点抗剪承载力的关键设计参数，以期为该种节点在盖挖逆作地下结构的应用提供参考和建议。

2 节点试验研究

2.1 试件设计

依托呼和浩特市地铁盖挖逆作站工程，模型试验中CFST柱与RC梁连接节点构造方式与实际设计的相同，节点区包括CFST柱、RC梁和预埋在混凝土梁内部的暗牛腿，考虑实验室加载条件及研究目的，模型缩尺比例为1∶4。

节点的设计参数：节点柱高1500mm，钢管尺寸为219mm×5mm，梁跨度1600mm，梁截面尺寸为175mm×550mm，梁主筋选用8C10+8C10混凝土梁内纵筋绕过钢管柱贯通布置，箍筋选用C8@100。牛腿的肋板和环板的厚度都为3.75mm。混凝土设计强度等级为C40，主筋及箍筋采用HRB400钢筋，钢管柱与环形牛腿钢材均采用Q235钢。模型节点设计参数如图1所示。

2.2 材料参数

室内试验所需材料和材料参数均为实测数据，如表1所示。

2.3 加载方案

考虑试验室加载条件及试验目的，将节点倒置[6]。试验采用静力分级加载，在试验中梁端固定在刚性支座上，同时在柱端上设置200t伺服作动器，预加载按10kN、20kN、30kN分级加荷载，正式加载阶段每级加载100kN[7]。试验加载装置如图2所示。

2.4 试验现象及结果分析

（1）节点裂缝发展及破坏演化过程分析。节点破坏形态及裂缝分布如图3所示。由图3可知，在加载操作中，便会出现弯曲裂缝，与此同时，这些裂缝也会逐步延伸，弯剪斜裂缝也开始出现并发展，在加载结束时裂缝呈П形分布，形成通裂，在节点核心区已贯通，受制于设备加载能力的限制。当加载数值达到1800kN时，节点完好，终止加载操作。通过对梁破坏情况进行分析可知，按照裂缝变化情况能够将其分成下述阶段。①初裂阶段：当加载数值达到500kN时，在梁低位置处，出现了弯曲直裂缝1。第一条裂缝出现之后，随着荷载的不断增加，当加载数值达到600kN时，第二条弯曲直裂缝2出现在梁低的中线位置，第三条弯曲裂缝3出现在与第二条弯曲直裂缝对称的位置。当加载数值达到560kN时，弯剪斜裂缝5出现，并开始从梁高中心处，向支座延伸。在初裂阶段节点始终处于弹性阶段，节点所对应的位移、应变量均较小。②通裂阶段：随着荷载数量的逐步提升，裂缝会进一步拓展。当加载数值达到660kN时，弯曲直裂缝便会出现延伸。当加载数值达到850kN时出现了新的弯剪斜裂缝7，弯剪正裂缝1也随之延伸发展到梁上下中间位置。随着荷载的继续增加，当加载数值达到1260kN时，弯曲直裂缝4出现。当加载数值达到1420kN时，斜裂缝8出现，与此同时，会逐步进行拓展，与弯剪斜裂缝8对称位置出现新的弯剪斜裂缝，呈П形分布，在牛腿位置处形成通裂，此时的荷载便可将其视作通裂荷载。此时，上环应变值显著提升，节点开始屈服。③破坏阶段：弯曲直裂缝和弯剪斜裂缝宽度伴随着荷载的增大和环形牛腿应变值的增加。当加载数值达到1600kN时，弯剪斜裂缝宽度0.25mm。由于实验室条件的限制，因此当加载数值达到1800kN时，实验结束。此时，斜裂缝宽度0.3mm，弯剪斜裂缝5延伸至梁下表面。

图1 节点构造及尺寸详图（单位：mm）

表1 钢材力学性能

（2）节点抗剪性能分析。为了监测加载过程中节点的相对位移，分别在梁中心及梁两端布置了位移计。荷载值取伺服作动器施加的荷载，相对位移取梁中心处位移减去梁两端位移的平均值，节点的荷载—相对位移曲线如图4所示。通过分析图4可知，能够将其划分成两段：在0～600kN，整个试件实际上为弹性阶段，荷载—相对位移曲线呈直线上升状态；加载到600kN之后，带裂缝的试件进入塑性工作阶段，相对位移增长速度开始加快。另外，由于梁的截面尺寸很大，因此梁自身的抗剪能力极强。由于增加了两个暗牛腿，且暗牛腿的抗剪能力很大，使得节点的抗剪能力大大加强。试验中所使用的设备极限为1800kN，当加载至此数值以后试件并未遭到破坏，因而研究中没有检测到极限承载能力。

图2 加载装置设计及试验现场图

图3 节点破坏形态及裂缝分布

图4 荷载—相对位移曲线

3 结论

（1）加载过程中梁的破坏模式为初始裂缝沿环形牛腿下环板高度拓展形成通裂缝并和节点区的主斜裂缝贯通形成剪切破坏，最终梁发生剪切破坏，节点并未破坏，符合强节点弱构件的设计原则。（2）单上暗牛腿极限承载力为690kN，单下暗牛腿极限承载力约是单上暗牛腿极限承载力的2倍，在双暗牛腿中下部牛腿分担的剪力大于上部牛腿。