本文是一篇土木工程論文，本文通過 2 個鋼管混凝土柱—鋼筋混凝土梁節點的靜載試驗以及有限元ABAQUS 對試驗模擬分析，並模擬節點單調直剪，分析得出以下結論：（1）節點在加載過程梁的破壞機制表現為梁的彎曲直裂縫與彎剪裂縫沿暗牛腿上環板高度處的貫通形成剪切破壞，裂縫主要集中在節點區域與支點之間，且在柱兩側具有對稱分布和裂縫寬度，呈“Π”形分布，加載結束時，均表現為混凝土梁破壞，節點未發生破壞，符合設計原則。（2）通過試驗與有限元分析，該種雙牛腿結構的抗剪承載力主要由明暗牛腿的上環板、肋板與鋼管壁的焊縫承擔，其中對抗剪貢獻最大是肋板與鋼管壁的焊縫。
1 緒論
1.1 選題背景及研究意義
在全國城市軌道交通大發展的背景下，內蒙古自治區亦進入了城市軌道交通的建設時期。正在建設的呼和浩特（以下簡稱“呼市”）地鐵 1、2 號線，建設總規模約 50 公里，工程總投資約為 350 億元，不僅是呼市有史以來投資額最大、建設周期最長的基礎設施工程，也是自治區首個城市軌道交通建設項目。
呼市地鐵 1 號線、2 號線共設車站 42 座（換乘站 1 座），其中採用明挖法施工的地鐵車站 39 座。受周邊環境複雜、變形控制要求高、地面交通疏導困難等約束條件的嚴格限制，呼市地鐵 1 號線與 2 號線換乘站新華廣場站、地鐵 2 號線大學西街站、中山路站共 3 座地鐵車站均採用了蓋挖逆作法。其中同期規劃、同期實施的新華廣場站作為內蒙古自治區在建軌道交通項目中面積最大、全國已完工車站面積排名第二的蓋挖逆作法車站，建築面積約 7.5 萬 m2，施工工期 43 個月，成為呼市地鐵工程的關鍵控制性工程。
採用蓋挖逆作法施工的地鐵車站結構，其交匯於同一節點的各構件分期形成，因此，鋼管混凝土柱與樓板梁連接節點不僅關係到車站結構的整體性與各構件之間的傳力可靠性；而節點的構造，除了要保證在蓋挖逆作的特定環境下可以操作之外，還必須保證後續工序能夠實施。對於蓋挖逆作法地鐵車站來說，鋼管混凝土柱與後澆梁連接處的節點承擔著至關重要的作用。
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1.2 地下工程鋼管混凝土樑柱節點研究現狀
目前地下工程中採用的鋼管混凝土柱—鋼筋混凝土梁節點的形式主要為文獻[4]提出的環形牛腿節點，如圖 1.4 所示。
對於地下結構中鋼管混凝土柱（CFST）—鋼筋混凝土梁（RC）節點的研究，目前已有很多的研究成果：
聶建國，徐桂根[5]建立方鋼管混凝土柱節點抗剪受力模型，研究方鋼管混凝土柱節點的受剪屈服問題，提出剪力由鋼管腹板和節點核心區共同承擔，其中核心區混凝土又以平面抗剪和抗壓杆模式分別對抗剪承載能力做出貢獻。
............................
2 樑柱節點試驗研究及力學性能分析
2.1 試驗目的
為了確保設計的節點形式在重載下能夠滿足承載能力的要求，同時為類似工程積累設計經驗，結合國內外類似試驗的結果，對構件進行 1：4 縮尺後，進行試驗研究，以分析評價新華廣場站設計的節點形式在施工、運營階段的安全性，並提出相應改進措施。具體試驗目的如下：
（1） 通過室內模型試驗，研究在單調荷載作用下節點破壞形態、抗剪能力及明暗牛腿協同工作機理；
（2） 通過室內模型試驗，研究在梁相同情況下明暗雙牛腿節點較單牛腿節點的承載能力的提升。
依託呼和浩特市蓋挖逆作地鐵車站工程，模型試驗中鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁連接節點構造方式與實際工程相同，其節點區包括鋼管混凝土柱、鋼筋混凝土梁、包裹在混凝土梁內部的暗牛腿及支撐在梁下的明牛腿組成，其中明暗牛腿材料一致，肋板數量均取 8 塊肋板。
考慮模型試件的代表性和試驗的可操作性及實驗室條件等因素，本試驗構件按實際設計尺寸的 1:4 縮尺，縮尺後保證材料及混凝土梁配筋率不變，模型柱的高取1.5m，梁的跨度取 1.6m，鋼管尺寸?219×5mm。設計 2 個鋼管柱節點進行了單調荷載作用下的試驗研究，其中 JD1 為雙梁明暗雙牛腿節點，JD2 為雙梁單暗牛腿節點。
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2.2材料力學性能
試件材料詳見表 2.2。混凝土採用 C40 普通混凝土，由商品混凝土攪拌站配製，運輸至現場進行澆築，採用振搗棒振搗密實。試件澆築時，同時預留 3 個立方體試塊，與試件同條件養護。鋼管與鋼牛腿均採用 Q235 鋼，鋼管尺寸為?219×5mm，牛腿肋板及環板厚度均為 3.75mm，牛腿採用雙面角焊縫，焊縫等級為 I 級。混凝土梁主筋、箍筋及樓板採用 HRB400 級熱軋鋼筋，其主筋 10mm，箍筋 8mm。
............................
3 節點極限承載力研究 ........................................ 29
3.1 材料本構的選取 ............................................ 29
3.1.1 混凝土本構 ............................................. 29
3.1.2 鋼筋、鋼管及環形牛腿本構 ......................................... 31
4 節點抗剪承載力關鍵參數分析 ................................. 51
4.1 數值方案設計 ........................................ 51
4.2 參數分析 .......................................... 51
5 結論與展望 ...................................... 58
5.1 結論 ...................................... 58
5.2 展望 ..................................... 59
4 節點抗剪承載力關鍵參數分析
4.1 數值方案設計
節點剪力主要通過環形牛腿豎向肋板與鋼管處的焊縫承擔，當肋板數量確定時，可以通過調整環形牛腿肋板高度來提高節點抗剪承載力。在保證節點其他參數不變的情況下，研究豎向肋板高度（即肋板有效焊縫長度）對節點抗剪極限承載力的影響，暗牛腿肋板高度分別取 h=50mm、h=75mm、h=90mm 進行分析，結果如下：
明暗雙牛腿節點的抗剪極限承載能力隨肋板高度的變化如圖 4.1 所示。分析可知，當肋板高度為 75mm 時，其抗剪極限承載能力較肋板高度為 50mm 時，提升29%；當肋板高度為 90mm 時，其抗剪極限承載力較肋板高度為 75mmm 時，抗剪承載能力有所下降。
根據文獻[4]給出環形牛腿及台錐式深牛腿受剪承載力計算公式可知，其承載力主要由環形牛腿支撐面上的混凝土局部承壓強度、肋板抗剪強度、肋板與管壁的焊接強度、環形牛腿上部混凝土的直剪（或沖切）強度和環形牛腿上、下環板的受剪承載力組成。當混凝土梁高一定時，暗牛腿高度越高，則暗牛腿上環板混凝土的直剪（或沖切）強度則越低。所以在實際設計中，梁高與暗牛腿肋板高度的比值應控制在一定範圍內，根據上述參數分析可知，當梁高和肋板數量確定時，肋板高度取梁高的 1/4。
..............................
5 結論與展望
5.1 結論
本文通過 2 個鋼管混凝土柱—鋼筋混凝土梁節點的靜載試驗以及有限元ABAQUS 對試驗模擬分析，並模擬節點單調直剪，分析得出以下結論：
（1）節點在加載過程梁的破壞機制表現為梁的彎曲直裂縫與彎剪裂縫沿暗牛腿上環板高度處的貫通形成剪切破壞，裂縫主要集中在節點區域與支點之間，且在柱兩側具有對稱分布和裂縫寬度，呈“Π”形分布，加載結束時，均表現為混凝土梁破壞，節點未發生破壞，符合設計原則。
（2）通過試驗與有限元分析，該種雙牛腿結構的抗剪承載力主要由明暗牛腿的上環板、肋板與鋼管壁的焊縫承擔，其中對抗剪貢獻最大是肋板與鋼管壁的焊縫。
（3）通過試驗與有限元分析，可知明、暗牛腿在加載過程中的協同工作機理：加載初期，鋼管壁與混凝土內表面之間存在黏結作用，承擔了加載初期較小的剪力；隨荷載的增加，黏結作用失效，明暗牛腿剪力分擔比例相應提高，由於暗牛腿傳力路徑較短，暗牛腿應力大於明牛腿，當暗牛腿屈服後，明牛腿應力相應開始增大，加載結束時，明、暗牛腿應力值幾乎相等，二者共同發揮作用，承擔相同的荷載，且明、暗牛腿各方向豎向肋板應力值較接近，表明了明暗環形牛腿受力均勻，二者可以較好的協同工作。
（4）通過對節點直剪模型分析，明暗雙牛腿節點的抗剪極限承載力約為相同構造條件下的單暗牛腿節點與單明牛腿抗剪極限承載能力之和，採用該雙梁明暗雙牛腿節點形式，可以有效發揮兩個牛腿的作用，在保持梁參數相同情況在，可以有效提高節點的承載能力，驗證設計合理性。
（5）分析研究節點核心區關鍵參數對節點抗剪承載力的影響，得出以下結論：當剪力較大時，環形牛腿肋板已經進入屈服狀態，由於豎向肋板的存在，環形牛腿並未發生突然破壞。通過增加肋板與鋼管壁之間的焊縫有效長度，來提高節點的抗剪承載力，即增加肋板數量和肋板高度。可通過調整環形牛腿上環板寬度來提高環板與混凝土的局部承壓來提高節點抗剪承載力，即調整上環板的穿心量來提高節點的極限抗剪承載能力，在實際設計時，梁高與肋板數量確定時，肋板高度取梁高的1/4 為宜；保證肋板高度足夠的情況下，牛腿肋板數量不宜少於 8 塊，上環板的穿心量取鋼管柱直徑的 8%為宜，在受剪較大的區域可以設置明、暗雙牛腿的結構形式，可以有效的提升節點的承載能力。
參考文獻（略）
1 緒論
1.1 選題背景及研究意義
在全國城市軌道交通大發展的背景下，內蒙古自治區亦進入了城市軌道交通的建設時期。正在建設的呼和浩特（以下簡稱“呼市”）地鐵 1、2 號線，建設總規模約 50 公里，工程總投資約為 350 億元，不僅是呼市有史以來投資額最大、建設周期最長的基礎設施工程，也是自治區首個城市軌道交通建設項目。
呼市地鐵 1 號線、2 號線共設車站 42 座（換乘站 1 座），其中採用明挖法施工的地鐵車站 39 座。受周邊環境複雜、變形控制要求高、地面交通疏導困難等約束條件的嚴格限制，呼市地鐵 1 號線與 2 號線換乘站新華廣場站、地鐵 2 號線大學西街站、中山路站共 3 座地鐵車站均採用了蓋挖逆作法。其中同期規劃、同期實施的新華廣場站作為內蒙古自治區在建軌道交通項目中面積最大、全國已完工車站面積排名第二的蓋挖逆作法車站，建築面積約 7.5 萬 m2，施工工期 43 個月，成為呼市地鐵工程的關鍵控制性工程。
採用蓋挖逆作法施工的地鐵車站結構，其交匯於同一節點的各構件分期形成，因此，鋼管混凝土柱與樓板梁連接節點不僅關係到車站結構的整體性與各構件之間的傳力可靠性；而節點的構造，除了要保證在蓋挖逆作的特定環境下可以操作之外，還必須保證後續工序能夠實施。對於蓋挖逆作法地鐵車站來說，鋼管混凝土柱與後澆梁連接處的節點承擔著至關重要的作用。
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1.2 地下工程鋼管混凝土樑柱節點研究現狀
目前地下工程中採用的鋼管混凝土柱—鋼筋混凝土梁節點的形式主要為文獻[4]提出的環形牛腿節點，如圖 1.4 所示。
對於地下結構中鋼管混凝土柱（CFST）—鋼筋混凝土梁（RC）節點的研究，目前已有很多的研究成果：
聶建國，徐桂根[5]建立方鋼管混凝土柱節點抗剪受力模型，研究方鋼管混凝土柱節點的受剪屈服問題，提出剪力由鋼管腹板和節點核心區共同承擔，其中核心區混凝土又以平面抗剪和抗壓杆模式分別對抗剪承載能力做出貢獻。
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2 樑柱節點試驗研究及力學性能分析
2.1 試驗目的
為了確保設計的節點形式在重載下能夠滿足承載能力的要求，同時為類似工程積累設計經驗，結合國內外類似試驗的結果，對構件進行 1：4 縮尺後，進行試驗研究，以分析評價新華廣場站設計的節點形式在施工、運營階段的安全性，並提出相應改進措施。具體試驗目的如下：
（1） 通過室內模型試驗，研究在單調荷載作用下節點破壞形態、抗剪能力及明暗牛腿協同工作機理；
（2） 通過室內模型試驗，研究在梁相同情況下明暗雙牛腿節點較單牛腿節點的承載能力的提升。
依託呼和浩特市蓋挖逆作地鐵車站工程，模型試驗中鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁連接節點構造方式與實際工程相同，其節點區包括鋼管混凝土柱、鋼筋混凝土梁、包裹在混凝土梁內部的暗牛腿及支撐在梁下的明牛腿組成，其中明暗牛腿材料一致，肋板數量均取 8 塊肋板。
考慮模型試件的代表性和試驗的可操作性及實驗室條件等因素，本試驗構件按實際設計尺寸的 1:4 縮尺，縮尺後保證材料及混凝土梁配筋率不變，模型柱的高取1.5m，梁的跨度取 1.6m，鋼管尺寸?219×5mm。設計 2 個鋼管柱節點進行了單調荷載作用下的試驗研究，其中 JD1 為雙梁明暗雙牛腿節點，JD2 為雙梁單暗牛腿節點。
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2.2材料力學性能
試件材料詳見表 2.2。混凝土採用 C40 普通混凝土，由商品混凝土攪拌站配製，運輸至現場進行澆築，採用振搗棒振搗密實。試件澆築時，同時預留 3 個立方體試塊，與試件同條件養護。鋼管與鋼牛腿均採用 Q235 鋼，鋼管尺寸為?219×5mm，牛腿肋板及環板厚度均為 3.75mm，牛腿採用雙面角焊縫，焊縫等級為 I 級。混凝土梁主筋、箍筋及樓板採用 HRB400 級熱軋鋼筋，其主筋 10mm，箍筋 8mm。
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3 節點極限承載力研究 ........................................ 29
3.1 材料本構的選取 ............................................ 29
3.1.1 混凝土本構 ............................................. 29
3.1.2 鋼筋、鋼管及環形牛腿本構 ......................................... 31
4 節點抗剪承載力關鍵參數分析 ................................. 51
4.1 數值方案設計 ........................................ 51
4.2 參數分析 .......................................... 51
5 結論與展望 ...................................... 58
5.1 結論 ...................................... 58
5.2 展望 ..................................... 59
4 節點抗剪承載力關鍵參數分析
4.1 數值方案設計
節點剪力主要通過環形牛腿豎向肋板與鋼管處的焊縫承擔，當肋板數量確定時，可以通過調整環形牛腿肋板高度來提高節點抗剪承載力。在保證節點其他參數不變的情況下，研究豎向肋板高度（即肋板有效焊縫長度）對節點抗剪極限承載力的影響，暗牛腿肋板高度分別取 h=50mm、h=75mm、h=90mm 進行分析，結果如下：
明暗雙牛腿節點的抗剪極限承載能力隨肋板高度的變化如圖 4.1 所示。分析可知，當肋板高度為 75mm 時，其抗剪極限承載能力較肋板高度為 50mm 時，提升29%；當肋板高度為 90mm 時，其抗剪極限承載力較肋板高度為 75mmm 時，抗剪承載能力有所下降。
根據文獻[4]給出環形牛腿及台錐式深牛腿受剪承載力計算公式可知，其承載力主要由環形牛腿支撐面上的混凝土局部承壓強度、肋板抗剪強度、肋板與管壁的焊接強度、環形牛腿上部混凝土的直剪（或沖切）強度和環形牛腿上、下環板的受剪承載力組成。當混凝土梁高一定時，暗牛腿高度越高，則暗牛腿上環板混凝土的直剪（或沖切）強度則越低。所以在實際設計中，梁高與暗牛腿肋板高度的比值應控制在一定範圍內，根據上述參數分析可知，當梁高和肋板數量確定時，肋板高度取梁高的 1/4。
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5 結論與展望
5.1 結論
本文通過 2 個鋼管混凝土柱—鋼筋混凝土梁節點的靜載試驗以及有限元ABAQUS 對試驗模擬分析，並模擬節點單調直剪，分析得出以下結論：
（1）節點在加載過程梁的破壞機制表現為梁的彎曲直裂縫與彎剪裂縫沿暗牛腿上環板高度處的貫通形成剪切破壞，裂縫主要集中在節點區域與支點之間，且在柱兩側具有對稱分布和裂縫寬度，呈“Π”形分布，加載結束時，均表現為混凝土梁破壞，節點未發生破壞，符合設計原則。
（2）通過試驗與有限元分析，該種雙牛腿結構的抗剪承載力主要由明暗牛腿的上環板、肋板與鋼管壁的焊縫承擔，其中對抗剪貢獻最大是肋板與鋼管壁的焊縫。
（3）通過試驗與有限元分析，可知明、暗牛腿在加載過程中的協同工作機理：加載初期，鋼管壁與混凝土內表面之間存在黏結作用，承擔了加載初期較小的剪力；隨荷載的增加，黏結作用失效，明暗牛腿剪力分擔比例相應提高，由於暗牛腿傳力路徑較短，暗牛腿應力大於明牛腿，當暗牛腿屈服後，明牛腿應力相應開始增大，加載結束時，明、暗牛腿應力值幾乎相等，二者共同發揮作用，承擔相同的荷載，且明、暗牛腿各方向豎向肋板應力值較接近，表明了明暗環形牛腿受力均勻，二者可以較好的協同工作。
（4）通過對節點直剪模型分析，明暗雙牛腿節點的抗剪極限承載力約為相同構造條件下的單暗牛腿節點與單明牛腿抗剪極限承載能力之和，採用該雙梁明暗雙牛腿節點形式，可以有效發揮兩個牛腿的作用，在保持梁參數相同情況在，可以有效提高節點的承載能力，驗證設計合理性。
（5）分析研究節點核心區關鍵參數對節點抗剪承載力的影響，得出以下結論：當剪力較大時，環形牛腿肋板已經進入屈服狀態，由於豎向肋板的存在，環形牛腿並未發生突然破壞。通過增加肋板與鋼管壁之間的焊縫有效長度，來提高節點的抗剪承載力，即增加肋板數量和肋板高度。可通過調整環形牛腿上環板寬度來提高環板與混凝土的局部承壓來提高節點抗剪承載力，即調整上環板的穿心量來提高節點的極限抗剪承載能力，在實際設計時，梁高與肋板數量確定時，肋板高度取梁高的1/4 為宜；保證肋板高度足夠的情況下，牛腿肋板數量不宜少於 8 塊，上環板的穿心量取鋼管柱直徑的 8%為宜，在受剪較大的區域可以設置明、暗雙牛腿的結構形式，可以有效的提升節點的承載能力。
參考文獻（略）