雄安站半埋入式型钢混凝土柱脚设计及其受力性能研究*

宋志文

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

1 工程概况

新建雄安站(图1)位于中国河北省保定市雄安新区。雄安站为“桥建合一”高架车站，主体结构为5层，其中地上3层(高架候车层、站台层、地面层)，局部设夹层；地下2层，其他详细概况见文献[1]。

图1 雄安站建筑效果图

站房部分最大柱网30m×23m，标准柱网(20～23)m×24m，支撑承轨层的框架柱采用型钢混凝土柱，型钢采用十字形截面。由于雄安站站房柱距大，且雄安站抗震设防烈度高(8度0.3g)，故型钢混凝土柱截面较大，型钢混凝土柱截面2.7m×2.7m，十字形型钢截面2 200×1 400×45×80,混凝土强度等级为C50,型钢Q345GJ。

2 半埋式柱脚构造设计

按照传统埋入式型钢混凝土柱脚设计[2-4]，型钢混凝土柱脚埋深过大。按照《组合结构设计规范》[2](JGJ 138—2016)第6.5.4条计算，型钢在承台中的埋置深度不小于1.78倍型钢截面高度；按照此规范6.5.2条构造要求，型钢在承台中的埋置深度至少为2倍型钢截面高度，这样型钢混凝土柱下承台厚度需要5～6m，且承台基坑也需开挖大量土方工程，增加施工风险。如何在有效传递柱底荷载的同时尽量减小基础承台的厚度，是型钢混凝土柱脚设计的主要问题。借鉴有关工程研究成果[5-8]并反复比较论证，通过有限元分析和试验研究，针对雄安站型钢混凝土柱底内力大的特点，提出一种新型的半埋入式柱脚构造，型钢埋入承台约1.35倍型钢截面高度，采用双向设置靴梁的方式来解决型钢混凝土柱脚弯矩传递给基础的问题，同时减小了承台厚度，如图2所示。

图2 型钢混凝土柱脚示意图

该半埋入式柱脚主要有靴梁、锚栓和配筋承台三部分组成，其不同于埋入式柱脚的主要特点为：

(1)整个靴梁埋在混凝土内部，在靴梁内部适当位置设置加劲肋，增强靴梁底板的刚度。

(2)为抵抗柱底弯矩产生的巨大拉力，在靴梁底板设置锚栓，以保证柱脚有足够的抗拔承载力和刚度。

(3)在混凝土承台中配置3层钢筋网，提高柱脚的抗拔与抗剪承载力，增强型钢混凝土柱脚混凝土承台的整体抗弯性能。

(4)为了抵抗靴梁对承台的反向冲切，在靴梁长度范围配置U形钢筋，在靴梁端部反向冲切影响范围设置贯穿承台厚度的预应力钢筋。

3 有限元分析

为分析该半埋入式柱脚的受力、变形特点和破坏机理，采用大型通用有限元程序ABAQUS建立弹塑性有限元模型进行计算分析。模型按实际构件的规格和尺寸进行创建。柱包括钢筋、型钢和混凝土三部分，混凝土与型钢采用共节点建模；承台包括混凝土、钢筋和靴梁三大部分，混凝土与靴梁采用共节点建模，钢筋与混凝土采用嵌入区约束(Embedded Region)进行相互约束。钢筋采用Truss: T3D2单元，型钢、靴梁及混凝土采用C3D8: 8-node Brick单元。荷载施加在柱顶，分析时设置参考点与承台底面耦合，并对参考点施加边界条件，以模拟桩的位置及对承台的作用。有限元模型中材料强度均根据材性试验的结果确定(表1)。型钢和钢筋的本构关系采用二折线模型，无刚度退化。混凝土采用弹塑性损伤模型，该模型能够考虑混凝土材料拉压强度差异、刚度及强度退化以及拉压循环裂缝闭合呈现的刚度恢复等性质。

混凝土强度等级C50试块材性试验结果 表1

柱底设计荷载为：N=29 432kN，Vx=32 616kN，Vy=8 973，Mx=57 487 kN·m，My=154 321kN·m。设计荷载下有限元计算的柱脚承台、钢筋、型钢、锚栓和U形钢筋应力如图3所示。

图3 有限元计算的柱脚主要组成部分应力/kPa

有限元计算结果表明：1)在设计荷载作用下，柱受拉区和受压区的纵筋应力较大，最大应力为165MPa，钢筋仍处于弹性状态；2)型钢受拉区和受压区的应力水平较大，且上部应力大于柱根和柱底，型钢受压翼缘最大应力为152MPa，型钢和靴梁处于弹性状态，但靴梁腹板的应力明显大于上、下翼缘，说明靴梁腹板受到了较大剪力作用；3)U形钢筋最大拉、压应力分别为6MPa和40MPa，出现在靠近型钢的内侧位置；4)由于预应力的存在，锚栓应力均为压应力，最大为18MPa；5)在设计荷载作用下柱混凝土出现轻微的受压损伤，从柱脚位置向内侧延伸，损伤因子很小，在0.1左右。

综上所述，在设计荷载作用下半埋入式柱脚基本处于弹性工作阶段，承载力满足设计要求。

4 试验研究

4.1 试件制作及加载方式

为进一步验证半埋入式柱脚是否达到设计要求，通过静力试验，研究该柱脚的受力模式和破坏形态。根据实验室空间和加载设备能力，试件按1∶6比例缩尺。柱长度取杆件截面尺寸的1.5倍(675mm)，试件尺寸如图4和表2所示。柱和承台混凝土均采用C50，钢材采用Q345B，钢筋为HRB400。为了模拟桩对承台受力性能的影响，在试验中采用钢桩来模拟桩基对承台的约束作用。试件尺寸如图4和表2所示。

试件尺寸信息/mm 表2

图4 试件尺寸示意

试验加载采用单调静力加载，按比例在加载梁端部施加竖向荷载。试验在预载阶段反复加载2～3次，预加载力为试件最大加载量的15%。正式加载时分级进行，每级荷载约为试件最大加载量的10%，每级持荷不少于5min。加载过程中对所有的位移与应变进行实时监测。根据监测到的荷载-位移曲线和应力发展情况，在试件接近破坏时，局部调整加载数值与速度，并由荷载控制转为位移控制。加载点的加载力、加载装置、试验现场照片分别如表3和图5、图6所示。

图5 试验加载装置示意图

图6 试验现场照片

加载点的加载力 表3

4.2 试验结果

4.2.1 试件裂缝开展情况

在荷载作用下，柱受拉区混凝土在拉力作用下先出现微小裂缝，加载至1倍设计荷载(650kN)时，柱受压区混凝土、承台混凝土均未出现裂缝，钢筋、型钢均未屈服；随着荷载不断增大，柱受拉区出现水平贯通裂缝，柱受压区混凝土出现裂缝，承台在剪力和弯矩的作用下侧面出现竖向和斜向裂缝；加载至2倍设计荷载(1 300kN)时，钢筋、型钢仍未屈服；继续增大荷载，柱钢筋屈服，随后型钢也达到屈服应变，当加载至1 997kN时，柱受压区混凝土先压溃掉落；当加载至2 132kN(约为3.3倍设计荷载)时，柱破坏严重(图7)，结构丧失承载能力，此时承台裂缝数量较少，且预应力作用下的裂缝宽度较小，承台破坏程度较轻，整体表现为柱的破坏早于承台的破坏。

图7 试件破坏照片

4.2.2 试件变形

加载点荷载-竖向位移曲线及柱顶荷载-水平位移曲线分别如图8和图9所示。由图8和图9可知，当荷载达到1 820kN附近时，结构整体刚度降低，随着荷载的不断增大，结构表现出较好的延性，延性系数约为4.3。当竖向位移为68mm，水平向位移为20mm(对应位移角为1/37)时，承台上的裂缝宽度较小，裂缝数量不多，仍有一定的承载能力；但柱出现了较严重的破坏，无法继续加载，这是荷载-位移曲线未出现明显下降段的原因，此时荷载为2 132kN。

图8 加载点荷载-竖向位移曲线

图9 柱顶荷载-水平位移曲线

4.2.3 试件应变

加载至1倍设计荷载(650kN)时，柱钢筋均未屈服，柱钢筋应变最大为953με；加载至2倍设计荷载(1 300kN)时，柱根受拉区钢筋接近屈服，钢筋的应变为1 966με；加载至2 132kN时，柱根受拉区和受压区的钢筋屈服，应变分别为3 725με和-7 011με，柱底钢筋在承台内伸至靴梁顶面，此时均未屈服，处于弹性状态。在加载过程中，柱底钢筋应变均小于柱根钢筋应变，说明柱纵筋进入承台锚固段后，能够有效地将力传递给混凝土；当荷载较小时，柱纵筋应变增加较为平缓，当荷载较大时，应变增长速度加快，说明在较大荷载时试件混凝土损伤较为严重，混凝土和钢筋的协同工作能力降低，钢筋承担更多荷载作用，其应力迅速增大。

在荷载的作用下U形钢筋的应变较小，仍处于弹性工作状态；当加载至2 132kN时，U形钢筋最大应变为1 157με；越靠近型钢，U形钢筋应变越大。U形钢筋的主要作用是抵抗靴梁上撬的冲切作用，在1倍设计荷载下，其应变较小；但随着荷载增大，U形钢筋应变增长较快。说明承台混凝土开裂前，上撬的冲切力可由混凝土承担；当承台内部混凝土出现裂缝时，冲切力由U形钢筋和混凝土共同承担，U形钢筋应力开始增长。

在1倍设计荷载(650kN)和2倍设计荷载(1 300kN)作用下，型钢均未屈服，应变较大处位于柱根，最大压应变为-1 265με，最大拉应变为977με；当加载至2 132kN时，柱根型钢发生屈服，最大压应变为-3 895με，最大拉应变为2 092με。承台范围内型钢的应变小于柱根，说明型钢进入承台后，能够把力有效传递给承台混凝土；随着荷载增大，柱根附近型钢应变迅速增大，说明当柱混凝土损伤较大时，混凝土和型钢的协同工作能力减弱，型钢承担较多的荷载作用。

当加载至1倍设计荷载(650kN)时，靴梁应变较小，最大应变为615με；当加载至2倍设计荷载(1 300kN)时，靴梁未屈服，最大应变为930με；当加载至2 132kN时，靴梁仍未屈服，最大应变为1 457με。在加载过程中，靴梁翼缘应力较小，说明靴梁嵌固在承台中时，钢梁分配到的弯矩较小。

在荷载作用下，锚栓应变较小，处于弹性状态，锚杆最大应变为256με。锚杆的作用与U形钢筋相似，主要作用是抵抗靴梁上撬的冲切作用，在荷载较小时，其应变较小，随着荷载增大，锚杆应变迅速增长，说明承台混凝土开裂前，上撬的冲切力可由混凝土承担；当承台内部混凝土出现裂缝时，锚杆承担冲切力的作用增强，应力开始增长。

综上应变结果可知，在1倍设计荷载(650kN)和2倍设计荷载(1 300kN)作用下，钢筋、型钢、靴梁均未屈服；随着荷载增大，柱受拉区纵筋屈服早于其受压区纵筋，型钢受压区屈服早于其受拉区；当加载至2 132kN时，U形钢筋、锚杆和靴梁均未屈服，处于弹性状态，承台承载力未被充分发挥。整体上看，试件的极限承载力(2 132kN)为设计荷载的3.3倍，承载力可满足设计要求且具有足够的安全储备。

5 结论

雄安站型钢混凝土柱柱距、柱截面大，为了减小型钢埋入承台深度，并减小柱下承台厚度，提出一种半埋入式型钢混凝土柱脚。通过有限元仿真分析初步验证该柱脚的可行性，最后通过缩尺模型试验进一步验证了该柱脚的受力性能。通过以上研究得到如下结论：

(1)该半埋入式型钢混凝土柱脚抗弯刚度大，柱下承台厚度得到有效控制。

(2)有限元计算结果表明，在1倍设计荷载下该型钢混凝土柱柱脚节点基本处于弹性工作阶段，其抗弯承载力满足设计要求。

(3)缩尺模型试验结果表明，该柱脚抗弯承载力满足设计要求且极限承载力为设计荷载的3.3倍，具有足够的安全储备，相应的节点做法可靠。