福田站钢管混凝土柱_型钢混凝土梁节点研究.pdf

第 43 卷 第 6 期 2013 年 3 月下 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 6 Mar 2013 福田站钢管混凝土柱-型钢混凝土梁节点研究 陈远洲 ( 中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063) 摘要福田站采用钢管混凝土柱和纵横型钢混凝土梁的结构体系， 该体系能满足大跨度地下结构的承载力要 求。对钢管混凝土柱-型钢混凝土梁节点进行静载试验， 介绍了节点试验方案， 总结了试件裂缝发展情况及破坏形 态等规律。并对梁柱节点进行了有限元数值模拟分析。对比静载试验结果和数值分析结果， 钢管混凝土柱-型钢 混凝土梁节点的荷载-变形、 荷载-应变曲线与数值模拟结果比较接近， 能应用于类似地下结构中。 关键词钢管混凝土柱;型钢混凝土梁;节点;有限元方法 中图分类号: TU398 + 7文献标识码: A文章编号: 1002- 848X( 2013) 06- 0077- 05 Research on the joint between concrete- filled steel tubular column and steel reinforced concrete beam of Futian Railway Station Chen Yuanzhou ( China Railway Siyuan Survey and Design Group Co， Ltd，Wuhan 430063，China) Abstract: Structural system of concrete-filled steel tubular column and steel reinforced concrete beam is used in Futian Railway Station to support the large span underground structure Static load test of the joint between concrete-filled steel tubular column and steel reinforced concrete beam was carried out The test scheme was introduced and the joint crack and failure mode were summarized The joint was analyzed by the finite element method It is proved that the test results of load-deformation and load-strain are close to the results of the numerical simulation by comparative analysis The structural system can be applied in the similar underground structure Keywords: concrete-filled steel tubular column;steel reinforced concrete beam;joint;finite element method 作者简介: 陈远洲， 硕士， 高级工程师， Email: tsycyz 126 com。 1工程概况 广深港客运专线深圳福田站是我国第一个地下 火车站， 位于深圳市福田中心区， 地下 3 层， 总建筑 面积约为15 万m2。 车站基坑最宽处达 80m， 平均埋 深约 32m， 车站主体结构最大跨度为 21. 46m， 顶板 覆土约 3m， 为超大、 超深、 大跨度地下结构。 为满足大跨度地下结构受力要求， 车站主体结 构采用 3 层单跨 3 层 5 跨现浇劲性钢筋混凝土框 架结构， 采用钢管混凝土柱和纵横型钢混凝土梁的 结构形式， 钢管和型钢均采用 Q345 钢材。其中钢 管混凝土柱截面尺寸为 1 600 35， 柱内浇筑 C60 高强混凝土。车站采用 C40 防水高性能混凝土、 HPB235 钢 筋、 HRB335 钢 筋 现 浇。 车 站 中 板 厚 250mm， 中 横 型 钢 混 凝 土 梁 截 面 尺 寸 为 1 600 1 000， 型钢截面尺寸为 1 000 600 40 30。中纵 梁采用截面尺寸为 1 600 1 000 的混凝土梁。中板 结构布置图、 钢管柱-纵横梁 节 点详 图 如 图 1 3 所示。 钢管混凝土柱或型钢混凝土梁结构已大量应用 于实际工程中， 但同时采用这两种构件形成的框架 结构在地下工程中应用很少。对于钢管混凝土柱和 型钢混凝土梁形成的梁柱节点的受力研究也较少， 图 1中板结构布置图 目前关于节点的研究仍不能很好地满足钢管混凝 土-型钢混凝土梁结构发展的需要 1， 2。 本文通过模型试验， 对福田站大型地下车站主 体结构中钢管混凝土柱-型钢混凝土梁节点在荷载 建筑结构2013 年 图 2钢管混凝土柱-中横型钢混凝土梁节点 图 3钢管混凝土柱-中纵混凝土梁节点 作用下的应力、 应变分布以及变形情况进行研究。 同时， 采用 ANSYS 软件对梁柱节点受力情况进行了 模拟， 得到梁柱节点在轴压与横梁集中力分级加载 情况下特定部分的位移、 应变值， 绘制出位移、 应变 随荷载变化的曲线， 并与模型试验结果相关曲线进 行对比分析。 2模型试验 2. 1 试件制作与基本参数 根据试验设计要求， 采用与实际结构 1 5比例 的试验模型。根据相似理论 3， 在模型设计中材料 的强度值、 弹性模量、 泊松比等与实际结构相同， 即: C= CE= C= C= 1 与原结构相比， 试验模型的尺寸为实际结构的 1 /5， 即 CL= 1 /5 ; 模型所加轴力和剪力为构件的 1 /25， 即 CN= CL 2 = 1 /25 ; 模型所加弯矩为构件的 1 /125， 即 CM= CL 3 = 1 /125 。 模型试验中各节点与实际构件的详细尺寸和材 料参数见表 1。模型试验构件内力根据 MIDAS/Gen 实际整体计算结果进行取值， 模型试验中节点内力 与实际构件的计算内力见表 2。模型试验中钢管混 凝土柱、 中横型钢混凝土梁、 中纵混凝土梁形成的中 节点的缩尺模型如图 4 所示。 2. 2 试验方法 将中节点模型试验试件正向放置于加载反力架 上， 钢管柱顶端放置千斤顶， 在千斤顶的顶端放置球 铰， 对节点的钢管柱分级施加轴向集中荷载至控制 荷载， 然后持载。中横梁和柱节点的横向集中荷载 施加在中横梁上， 加载前在加载点放置垫板和铰， 用 两个千斤顶对钢管柱两侧的梁同步分级施加横向集 中荷载， 直至试件破坏。节点加载如图 5 所示。 实际构件与模型试验构件基本参数表 1 类别 试验模型 截面 /mm 实际构件 截面 /mm 结构材料 弹性模量 E/GPa 管柱320 61 600 35 C60 钢管 混凝土 38 中横梁 320 200 型钢 200 12 8 6 1 600 1 000 型钢 1 000 600 40 30 C40 型钢 混凝土 36 中纵梁320 2001 600 1 000 C40 钢筋 混凝土 36 中板50250 C40 钢筋 混凝土 33 正常使用工况下模型试验与实际构件内力值表 2 内容 控制荷载 作用位置 轴力 /kN 剪力 /kN 弯矩 /( kNm) 模型试验 控制荷载值 中横梁与柱边缘 相切横断面 2 205126. 4103. 0 实际构件 设计内力值 中横梁与柱边缘 相切横断面 55 1253 02912 878 图 4中节点模型试验试件模型 图 5节点加载示意图 2. 3 测量方法 在中节点上预埋监测元件。用对称安装于钢管 柱两侧的位移计来测量钢管柱的轴向变形; 用安装 于梁与柱相切处和安装于加载点处的位移计来测量 87 第 43 卷 第 6 期陈远洲 福田站钢管混凝土柱-型钢混凝土梁节点研究 梁的挠度; 用粘贴在靠近试件加强环位置的钢板、 钢 筋及混凝土表面的应变片来测量梁相应位置的应 变; 用粘贴在加强环梁混凝土表面和上下加强环上 的应变片来测量加强环梁的应变; 用粘贴在钢管表 面的应变片来测量钢管柱的轴向局部应变。所有测 点的传感器均通过应变仪连接到计算机上， 通过数 据采集程序， 控制采集仪， 进行数据采集。监测元件 安装示意如图 6 所示。 图 6节点监测元件位置示意 2. 4 试验工况 ( 1) 正常使用工况 第 1 阶段试验考虑运营阶段， 正常使用工况下 节点的力学性能。在中横梁上加载， 按正常使用工 况下节点在第 1 阶段加载中横梁的最大弯矩值为控 制标准进行加载。 ( 2) 破坏工况 第 2 阶段试验考虑模型节点的持续加载直至节 点破坏的试验工况。根据正常使用状态的试验结 果， 对节点做破坏状态试验， 中横梁上逐步按比例加 大荷载直到其破坏为止。 3试验结果 3. 1 节点加载过程及破坏现象 对钢 管 柱 逐 步 分 级 施 加 轴 向 集 中 荷 载 至 2 205kN， 钢管柱无明显的变形。对中横梁施加横向 集中荷载至 60kN 时， 横梁上侧出现 0. 04mm 裂缝; 加载至 160kN 左右时中横梁靠近加强环梁部分出 现 0. 20mm 的裂缝， 裂缝向板上延伸， 随着荷载增 大， 梁上裂缝持续增宽， 板上和加强环梁上的裂缝也 持续发展。当荷载达到 457. 9kN 时， 荷载突然下 降， 在中横梁上部距钢管柱与中横梁相切处约 80 100mm 处产生明显的大裂缝， 裂缝在板上沿长度方 向贯通; 横梁下部受压区靠近加强环梁处混凝土被 压碎; 横梁腹板出现轻微斜裂缝， 试件破坏时加强环 梁侧面出现明显的斜裂缝， 试件破坏时， 出现加强环 梁与钢管柱剥离的现象， 如图 7、 图 8 所示。 各级主要观测荷载值所对应的横梁最大弯矩值 如表 3 所示。 图 7中节点中横梁裂缝 图 8 节点横梁下侧混凝土被压碎 中横梁主要观测荷载及对应弯矩值表 3 中横梁主要观测剪力 /kN对应最大弯矩 /( kNm) 加载值 160 48. 9 试验控制荷载126. 4103 加载值 2160 130. 4 试验破坏荷载407. 9332. 4 3. 2 节点试验相关曲线及结果分析 中节点钢管柱在荷载作用下应变如表 4 所示。 中节点在加载情况下的荷载-应变曲线如图 9 12 所示。 荷载-应变测量数据表 4 荷载 /kN 钢管柱 上端应变 钢管柱 下端应变 荷载 /kN 钢管柱 上端应变 钢管柱 下端应变 0. 0001 480. 4 849 670 307. 2 150 1391 473. 9 852 671 303. 9 150 1401 774. 5 1 052 808 598. 0 320 2771 771. 2 1 062 812 591. 5 320 2772 068. 6 1 288 955 892. 2 497 4092 085. 0 1 303 966 888. 9 501 4122 176. 5 1 369 1 006 1 186. 3 671 5392 186. 3 1 379 1 012 1 183. 6 676 543 图 9钢管柱轴向荷载-变形曲线 图 10中横梁荷载-挠度曲线 97 建筑结构2013 年 图 11中横梁钢骨荷载-应变曲线 图 12中横梁混凝土荷载-应变曲线 由图 9 可以看出， 对钢管柱施加轴向荷载至 2 205kN时， 钢管柱上段的轴向变形为 0. 83mm， 钢 管柱下段的轴向变形为 0. 65mm。由图 10 可见， 中横梁施加荷载至控制荷载 126. 4kN 时， 中横梁的 变形处于弹性变形阶段， 两侧加载点处挠度分别为 2. 37 mm 和 1. 76 mm; 中横梁施加荷载至最终破坏 荷载 457. 9kN， 超过 400kN 后中横梁进入塑性大变 形阶段， 两侧加载点处挠度为 27. 50 mm 和 31. 16 mm。由图 11 可看出， 中横梁的型钢在达到最大荷 载时， 其受拉翼缘的最大拉应变大于 3 000， 受压 翼缘的最大压应变超过 3 000， 均达到屈服强度。 从图 12 可看出， 中横梁节点出现明显的弯曲破坏的 现象， 受拉侧钢筋和受拉侧钢骨翼缘屈服后， 受压侧 混凝土压碎， 属于弯曲破坏。 4数值分析 4. 1 数值计算模型的建立 采用 ANSYS 软件对钢管混凝土柱-型钢混凝土 梁中节点在荷载作用下的力学性能进行分析， 将数 值计算结果与模型试验结果进行对比， 分析节点的 受力状况， 确保节点安全。 数值分析模型的尺寸同模型试验， 按与原型 1 5的比例进行建模分析。节点数值分析模型综合考 虑混凝土和钢筋两种材料共同作用的影响， 材料弹 性模量通过面积、 刚度等效折算得到， 通过计算复合 模量把相同部分的混凝土和钢筋转化为同一种复合 材料进行考虑， 弹性模量取值大小见表 1。 节点模型中钢管核心混凝土与钢筋混凝土采用 八节点减缩积分格式的三维实体单元 Solid654， 5， 该单元具有塑性、 膨胀、 应力强化等分析功能， 能很 好地模拟钢材的受力特性。为保证计算精度， 节点 全部采用六面体单元， 在梁翼缘与柱钢管和梁连接 处应力梯度较大， 对其附近的钢材与填充混凝土网 格适当加密。为使模型加载后在各个方向上能协调 变形， 在节点模型的柱顶和梁截面上设置了两个刚 性接触面单元。材料采用弹塑性 应力-应变本构 关系。 钢管混凝土柱与纵梁采用绑定约束“Tie” ，钢 管和圆柱核心混凝土以及承台之间， 界面法线方向 采用硬接触( Hard Contact) 单元， 而切线方向采用库 仑摩擦( Friction) 模型模拟钢管与核心混凝土变形 不一致时的受力情况， 中横梁、 中纵梁、 柱的连接为 固接， 柱顶、 底固接。同样利用刚度等效、 面积等效 等原则综合考虑混凝土和钢筋两种材料的共同作用 的影响。 数值计算模型加载方式、 加载大小与模型试验 相同， 先分级加载柱顶荷载到 2 205kN， 再在中横梁 两端分级 加载 剪 力至 457. 9kN， 其中柱顶荷载每 200kN 设定为一级， 中横梁两端荷载每 40kN 设定为 一级。数值分析荷载工况与模型试验工况相同。数 值试验模型如图 13 所示。 图 13中横梁柱顶节点有限元模型 4. 2 数值结果与试验结果的对比与分析 按模型试验荷载进行逐级加载， 计算得到中梁 节点应变云图， 如图 14 所示。 通过 ANSYS 有限元分析， 中节点在加载情况下 的轴向荷载-应变曲线、 轴向荷载-压缩变形曲线与 节点试验结果对比如图 15， 16 所示。 对钢管柱施加荷载至控制荷载 2 205kN 时， 试 验中钢管柱上段的应变为 1 037， 轴向变形为 0. 83 mm; 而数值分析中钢管柱上端的平均应变 为 1 015， 轴向变形为 0. 79 mm。对比试验和 数值分析结果， 数值模拟中钢管柱应变及变形均比 模型试验结果小。图 15， 16 显示， 模型试验及数值 08 第 43 卷 第 6 期陈远洲 福田站钢管混凝土柱-型钢混凝土梁节点研究 模拟中， 钢管柱在弹性工作阶段， 钢管柱的荷载与应 变、 荷载与变形均呈线性关系。 图 14中横梁节点模型应变云图 图 15钢管柱轴向荷载-应变曲线 图 16钢管柱轴力-压缩变形曲线 图 17中横梁 A 侧挠度曲线比较 有限元分析与荷载模型试验中横梁节点 A 侧 挠度对比如图 17 所示。数值分析中， 加载至控制荷 载时， 中横梁处于弹性变形阶段， 挠度约 为 2. 18 mm， 较为接近荷载试验值， 且在此阶段荷载-挠度呈 线性关系。但在继续加载至破坏的过程中， 荷载与 挠度仍呈线性关系， 并未破坏， 与实际试验中的弹塑 性变形直至最终破坏有所出入。 5结论 ( 1) 钢管柱荷载-应变、 荷载-压缩变形曲线在整 个受力期间仍然基本呈线性关系变化， 有限元分析 与试验具体结果略有误差， 但曲线的趋势均呈线性 关系且斜率基本相同， 钢管柱处于弹性工作范围内， 钢管柱承载力较大。 ( 2) 中横梁的最大荷载约为控制荷载的 3. 6 倍， 中横梁节点出现明显的弯曲破坏的现象， 受拉侧 钢筋和受拉侧型钢翼缘屈服， 受压侧混凝土压碎， 属 于弯曲破坏。中横梁节点处于安全状态， 节点设计 满足要求。 ( 3) 在弹性阶段， 模型试验与数值模拟试验的 中横梁荷载-挠度曲线基本趋势相同， 均呈线性关 系， 且曲线斜率基本相同， 可见模型试验和数值模拟 试验结果比较接近。在破坏工况下， 有限元模拟试 验的中横梁荷载-挠度曲线呈线性关系， 与模型试验 在塑性阶段有较大出入。实际构件中梁为连续梁， 节点试验中梁采用悬臂梁加载， 加载方式和边界条 件存在差异， 导致结果存在一定的差异。 参考文献 1 CECS 28: 90 钢管混凝土结构设计与施工规程S 北 京: 中国计划出版社， 2001 2 JGJ 1382001 型钢混凝土组合结构技术规程S 北 京: 中国建筑工业出版社， 2002 3 张曙光 建筑结构试验M 北京: 中国电力出版社， 2005 4 叶先磊， 史亚杰 ANSYS 工程分析软件应用实例M 北京: 清华大学出版社， 2003 5 陆新征， 江见鲸 用 ANSYS Solid 65 单元分析混凝土 组合构件复杂应力J 建筑结构， 2003， 33( 6) : 20- 23 ( 上接第 63 页) 6 SAMAAN M，SENNAH K，KENNEDY J B Distribution factors for curved continuous composite box-grider bridges J Journal of Bridge Engineering，2005， 10( 6) : 678- 692 7 TONGWENXIA， SAADATMANESHHParametric study of continuous prestressed composite gridersJ J Struct Div，1992， 118( 1) : 186- 206 8 刘航， 李晨光， 聂建国 体外预应力钢与混凝土组合梁 试验研究J 建筑技术开发， 2002， 29( 11) :1- 2 9 林 传 金 体 外 预 应 力 钢-混 凝 土 组 合 梁 非 弹 性 研 究 D 福州: 福州大学， 2006: 3- 4 10 聂建国， 刘明， 叶列平 钢-混凝土组合结构M 北京: 中国建筑工业出版社， 2005 18