盖挖逆作地铁车站CFST柱-RC梁双暗牛腿节点抗剪性能数值分析

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 )

目前，关于钢管混凝土的研究很多，未晓丽[1]结合天津地铁站交通枢纽工程，建立了一个四层三跨典型框架模型，模拟地下结构钢管混凝土框架结构施工期间的力学性能，得出圆形截面钢管柱不论在施工阶段还是使用阶段，其受力性能都优于方形截面钢管柱。贺少辉等[2]进行了广州地铁盖挖逆筑公园前车站钢管混凝土框架节点抗剪性能的试验研究，节点通过法兰盘与上、下钢管连接，钢筋焊接在法兰盘上，试验模型按原型一定的比例缩尺后分别做静载试验和动力试验，得出以下结论：钢管内表面与核心混凝土外表面之间不存在黏结作用，节点的剪力主要依靠钢管柱下柱的局部承压作用传递；节点加载到极限荷载时，下柱钢管出现鼓曲破坏，通过加厚破坏位置处钢管可提高节点抗剪承载力。

为给该种节点在盖挖逆作地下结构的应用提供参考和建议，文章依托呼和浩特盖挖逆作地铁车站，采用模拟和实验相结合的方法，深入研究了节点的抗剪性能、破坏形态和传力机理，探索影响节点抗剪承载力的关键设计参数。

1 节点精细化数值模拟

受试验设备方面的限制，导致钢管柱-混凝土梁节点内部和梁的内部应力应变情况无法获知，因此利用非线性有限元软件ABAQUS对其内部应力应变的变化规律进行精细化研究，对于试验无法研究到的部位进行补充分析[3]。

1.1 边界条件及加载方式

在模拟研究中，为提升研究的准确性，就需引入边界条件，通过这种方式来使整个模拟研究工作与实际情况之间更为接近。具体而言，就是对节点进行倒置，根据实际试验过程中所对应的钢支座布置情况来进行设计，采用节点耦合（Coupling）法实现对U2、U3、UR1、UR3自由度的充分限制[4-5]。在模拟研究中，所使用的加载方式同真实试验一致。加载示意图如图1所示，U2、U3是模型里面的X轴和Y轴。

1.2 有限元计算结果

（1）混凝土梁的应变分析。混凝土梁最大主塑性应变分布云图如图2所示，在下环板位置处，所对应的应变数值较高。由此可知，同下环板相接触的混凝土位置处，最先会出现裂缝，所对应的裂缝数量也比较多。究其原因主要在于，混凝土梁下部会对钢管壁产生挤压，进而产生一个力偶，导致此区域的混凝土出现裂纹。

图1 加载方式示意图

图2 混凝土梁最大主塑性应变分布云图

（2）混凝土梁的应力分析。梁压应力云图如图3所示，在梁下表面位置处，局部压应力具有最高数值。对于双梁节点，梁主筋沿0°方向布置，伴随剪力数值的增加，梁上表面会发生膨胀，而梁的上方位置处主要受到的是拉应力，进而使得梁与钢管壁间所对应的压应力数值显著提升。基于此，在90°方向位置处，所对应的局部压应力数值最大。

图3 梁压应力云图

为实现对节点传力机理的有效探究，在研究过程中选择了上、下环板位置处所对应的荷载-压应力分布情况进行探究，所获得的结果如图4所示。在早期加载过程中，所对应的荷载数值较小，此时，钢管壁和梁内表面之间由于黏结力的存在，继而能够承担部分剪力。伴随荷载数值的提升，将会使得黏结作用逐步降低，梁上表面便会开始膨胀，下表面收缩，进而对钢管造成挤压，产生力偶。在下环板位置，混凝土所对应的压应力数值逐步提升，已经远远超过了其他位置处的应力。此时，上、下部环形牛腿中，所对应的上环板压应力数值也会逐步趋于稳定。在1900kN时，下环板混凝土屈服，所对应的荷载数值为95%的极限荷载。基于此，在进行设计时，就需对下部环形牛腿的强度给予充分关注[6-7]。

图4 牛腿环板位置处混凝土压应力变化

0°方向梁内表面压应力所对应的变化情况如图5所示。由此可知，在下环板位置处，所对应的压应力数值最大。

（3）钢管柱应力分析。钢管柱外壁应力分布如图6所示。根据图中显示，钢管壁最大压应力值出现在下部环形牛腿下方，拉应力最大值出现在上部环形牛腿上方，这与室内试验监测得到的数据是一致的。根据图中显示，局部应力最大值出现在下部的环形牛腿竖向加劲肋与钢管接触部位。

图5 梁内表面压应力沿高度的变化

图6 钢管柱应力云图

（4）环形牛腿应力分析。环形牛腿应力云图如图7所示，与上部环形牛腿应力值相比较，下部环形牛腿所对应的应力值更高。与此同时，在肋板与钢管连接位置处，所对应的应力数值最高。与45°、90°方向的肋板应力值相比，0°方向应力值更高。

图7 环形牛腿应力云图（0°方向）

环形牛腿应力值对比图如图8所示，在加载过程中，与上部环形牛腿相比，下部加劲肋上所对应的应力、剪力数值均较高。在980kN时，下部环加劲肋屈服，上部牛腿应力显著提升。在加载完成后，受制于竖向加劲肋的影响，不会使得节点发生破坏。

图8 环形牛腿应力值对比图

环形牛腿所对应的剪力分布情况如图9所示。当试件被破坏以后，与上部牛腿相比，下部牛腿所对应的剪力数值是其的2.4倍。由此可知，这一数值已经远远超过了上部牛腿。在加载过程中，位于梁上部的混凝土会发生径向膨胀现象，进而使其和钢管接触位置相分离。对于梁下部混凝土而言，则处于收缩状态，能够对钢管产生挤压作用，进而产生力偶。在下部环形牛腿位置处，所对应的应力数值最高。

通过分析可知，在加载过程中，两个牛腿所承受的剪力数值为总剪力值的50%左右。由此可知，剪力是由梁与环形牛腿承担。在加载完成后，下部牛腿屈服，此时剪力由梁箍筋承担。

使用两个暗牛腿，当荷载数值较高时，下部牛腿位置处所对应的应力分布较高。基于此，便需要在梁中下部位置设置环形牛腿，通过这种方式来提升牛腿受力均匀性。

图9 环形牛腿承担的剪力对比

2 结论

模拟结果显示，试件的极限承载能力为2020kN，破坏时梁上表面与钢管接触位置应变较大。在加载过程中，下部环形牛腿承担的剪力始终大于上部环形牛腿；加载结束时，下部环形牛腿肋板剪力值是上部环形牛腿的2.4倍。