本文是一篇土木工程论文，本文通过 2 个钢管混凝土柱—钢筋混凝土梁节点的静载试验以及有限元ABAQUS 对试验模拟分析，并模拟节点单调直剪，分析得出以下结论：（1）节点在加载过程梁的破坏机制表现为梁的弯曲直裂缝与弯剪裂缝沿暗牛腿上环板高度处的贯通形成剪切破坏，裂缝主要集中在节点区域与支点之间，且在柱两侧具有对称分布和裂缝宽度，呈“Π”形分布，加载结束时，均表现为混凝土梁破坏，节点未发生破坏，符合设计原则。（2）通过试验与有限元分析，该种双牛腿结构的抗剪承载力主要由明暗牛腿的上环板、肋板与钢管壁的焊缝承担，其中对抗剪贡献最大是肋板与钢管壁的焊缝。
1 绪论
1.1 选题背景及研究意义
在全国城市轨道交通大发展的背景下，内蒙古自治区亦进入了城市轨道交通的建设时期。正在建设的呼和浩特（以下简称“呼市”）地铁 1、2 号线，建设总规模约 50 公里，工程总投资约为 350 亿元，不仅是呼市有史以来投资额最大、建设周期最长的基础设施工程，也是自治区首个城市轨道交通建设项目。
呼市地铁 1 号线、2 号线共设车站 42 座（换乘站 1 座），其中采用明挖法施工的地铁车站 39 座。受周边环境复杂、变形控制要求高、地面交通疏导困难等约束条件的严格限制，呼市地铁 1 号线与 2 号线换乘站新华广场站、地铁 2 号线大学西街站、中山路站共 3 座地铁车站均采用了盖挖逆作法。其中同期规划、同期实施的新华广场站作为内蒙古自治区在建轨道交通项目中面积最大、全国已完工车站面积排名第二的盖挖逆作法车站，建筑面积约 7.5 万 m2，施工工期 43 个月，成为呼市地铁工程的关键控制性工程。
采用盖挖逆作法施工的地铁车站结构，其交汇于同一节点的各构件分期形成，因此，钢管混凝土柱与楼板梁连接节点不仅关系到车站结构的整体性与各构件之间的传力可靠性；而节点的构造，除了要保证在盖挖逆作的特定环境下可以操作之外，还必须保证后续工序能够实施。对于盖挖逆作法地铁车站来说，钢管混凝土柱与后浇梁连接处的节点承担着至关重要的作用。
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1.2 地下工程钢管混凝土梁柱节点研究现状
目前地下工程中采用的钢管混凝土柱—钢筋混凝土梁节点的形式主要为文献[4]提出的环形牛腿节点，如图 1.4 所示。
对于地下结构中钢管混凝土柱（CFST）—钢筋混凝土梁（RC）节点的研究，目前已有很多的研究成果：
聂建国，徐桂根[5]建立方钢管混凝土柱节点抗剪受力模型，研究方钢管混凝土柱节点的受剪屈服问题，提出剪力由钢管腹板和节点核心区共同承担，其中核心区混凝土又以平面抗剪和抗压杆模式分别对抗剪承载能力做出贡献。
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2 梁柱节点试验研究及力学性能分析
2.1 试验目的
为了确保设计的节点形式在重载下能够满足承载能力的要求，同时为类似工程积累设计经验，结合国内外类似试验的结果，对构件进行 1：4 缩尺后，进行试验研究，以分析评价新华广场站设计的节点形式在施工、运营阶段的安全性，并提出相应改进措施。具体试验目的如下：
（1） 通过室内模型试验，研究在单调荷载作用下节点破坏形态、抗剪能力及明暗牛腿协同工作机理；
（2） 通过室内模型试验，研究在梁相同情况下明暗双牛腿节点较单牛腿节点的承载能力的提升。
依托呼和浩特市盖挖逆作地铁车站工程，模型试验中钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接节点构造方式与实际工程相同，其节点区包括钢管混凝土柱、钢筋混凝土梁、包裹在混凝土梁内部的暗牛腿及支撑在梁下的明牛腿组成，其中明暗牛腿材料一致，肋板数量均取 8 块肋板。
考虑模型试件的代表性和试验的可操作性及实验室条件等因素，本试验构件按实际设计尺寸的 1:4 缩尺，缩尺后保证材料及混凝土梁配筋率不变，模型柱的高取1.5m，梁的跨度取 1.6m，钢管尺寸?219×5mm。设计 2 个钢管柱节点进行了单调荷载作用下的试验研究，其中 JD1 为双梁明暗双牛腿节点，JD2 为双梁单暗牛腿节点。
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2.2材料力学性能
试件材料详见表 2.2。混凝土采用 C40 普通混凝土，由商品混凝土搅拌站配制，运输至现场进行浇筑，采用振捣棒振捣密实。试件浇筑时，同时预留 3 个立方体试块，与试件同条件养护。钢管与钢牛腿均采用 Q235 钢，钢管尺寸为?219×5mm，牛腿肋板及环板厚度均为 3.75mm，牛腿采用双面角焊缝，焊缝等级为 I 级。混凝土梁主筋、箍筋及楼板采用 HRB400 级热轧钢筋，其主筋 10mm，箍筋 8mm。
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3 节点极限承载力研究 ........................................ 29
3.1 材料本构的选取 ............................................ 29
3.1.1 混凝土本构 ............................................. 29
3.1.2 钢筋、钢管及环形牛腿本构 ......................................... 31
4 节点抗剪承载力关键参数分析 ................................. 51
4.1 数值方案设计 ........................................ 51
4.2 参数分析 .......................................... 51
5 结论与展望 ...................................... 58
5.1 结论 ...................................... 58
5.2 展望 ..................................... 59
4 节点抗剪承载力关键参数分析
4.1 数值方案设计
节点剪力主要通过环形牛腿竖向肋板与钢管处的焊缝承担，当肋板数量确定时，可以通过调整环形牛腿肋板高度来提高节点抗剪承载力。在保证节点其他参数不变的情况下，研究竖向肋板高度（即肋板有效焊缝长度）对节点抗剪极限承载力的影响，暗牛腿肋板高度分别取 h=50mm、h=75mm、h=90mm 进行分析，结果如下：
明暗双牛腿节点的抗剪极限承载能力随肋板高度的变化如图 4.1 所示。分析可知，当肋板高度为 75mm 时，其抗剪极限承载能力较肋板高度为 50mm 时，提升29%；当肋板高度为 90mm 时，其抗剪极限承载力较肋板高度为 75mmm 时，抗剪承载能力有所下降。
根据文献[4]给出环形牛腿及台锥式深牛腿受剪承载力计算公式可知，其承载力主要由环形牛腿支撑面上的混凝土局部承压强度、肋板抗剪强度、肋板与管壁的焊接强度、环形牛腿上部混凝土的直剪（或冲切）强度和环形牛腿上、下环板的受剪承载力组成。当混凝土梁高一定时，暗牛腿高度越高，则暗牛腿上环板混凝土的直剪（或冲切）强度则越低。所以在实际设计中，梁高与暗牛腿肋板高度的比值应控制在一定范围内，根据上述参数分析可知，当梁高和肋板数量确定时，肋板高度取梁高的 1/4。
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5 结论与展望
5.1 结论
本文通过 2 个钢管混凝土柱—钢筋混凝土梁节点的静载试验以及有限元ABAQUS 对试验模拟分析，并模拟节点单调直剪，分析得出以下结论：
（1）节点在加载过程梁的破坏机制表现为梁的弯曲直裂缝与弯剪裂缝沿暗牛腿上环板高度处的贯通形成剪切破坏，裂缝主要集中在节点区域与支点之间，且在柱两侧具有对称分布和裂缝宽度，呈“Π”形分布，加载结束时，均表现为混凝土梁破坏，节点未发生破坏，符合设计原则。
（2）通过试验与有限元分析，该种双牛腿结构的抗剪承载力主要由明暗牛腿的上环板、肋板与钢管壁的焊缝承担，其中对抗剪贡献最大是肋板与钢管壁的焊缝。
（3）通过试验与有限元分析，可知明、暗牛腿在加载过程中的协同工作机理：加载初期，钢管壁与混凝土内表面之间存在黏结作用，承担了加载初期较小的剪力；随荷载的增加，黏结作用失效，明暗牛腿剪力分担比例相应提高，由于暗牛腿传力路径较短，暗牛腿应力大于明牛腿，当暗牛腿屈服后，明牛腿应力相应开始增大，加载结束时，明、暗牛腿应力值几乎相等，二者共同发挥作用，承担相同的荷载，且明、暗牛腿各方向竖向肋板应力值较接近，表明了明暗环形牛腿受力均匀，二者可以较好的协同工作。
（4）通过对节点直剪模型分析，明暗双牛腿节点的抗剪极限承载力约为相同构造条件下的单暗牛腿节点与单明牛腿抗剪极限承载能力之和，采用该双梁明暗双牛腿节点形式，可以有效发挥两个牛腿的作用，在保持梁参数相同情况在，可以有效提高节点的承载能力，验证设计合理性。
（5）分析研究节点核心区关键参数对节点抗剪承载力的影响，得出以下结论：当剪力较大时，环形牛腿肋板已经进入屈服状态，由于竖向肋板的存在，环形牛腿并未发生突然破坏。通过增加肋板与钢管壁之间的焊缝有效长度，来提高节点的抗剪承载力，即增加肋板数量和肋板高度。可通过调整环形牛腿上环板宽度来提高环板与混凝土的局部承压来提高节点抗剪承载力，即调整上环板的穿心量来提高节点的极限抗剪承载能力，在实际设计时，梁高与肋板数量确定时，肋板高度取梁高的1/4 为宜；保证肋板高度足够的情况下，牛腿肋板数量不宜少于 8 块，上环板的穿心量取钢管柱直径的 8%为宜，在受剪较大的区域可以设置明、暗双牛腿的结构形式，可以有效的提升节点的承载能力。
参考文献（略）
1 绪论
1.1 选题背景及研究意义
在全国城市轨道交通大发展的背景下，内蒙古自治区亦进入了城市轨道交通的建设时期。正在建设的呼和浩特（以下简称“呼市”）地铁 1、2 号线，建设总规模约 50 公里，工程总投资约为 350 亿元，不仅是呼市有史以来投资额最大、建设周期最长的基础设施工程，也是自治区首个城市轨道交通建设项目。
呼市地铁 1 号线、2 号线共设车站 42 座（换乘站 1 座），其中采用明挖法施工的地铁车站 39 座。受周边环境复杂、变形控制要求高、地面交通疏导困难等约束条件的严格限制，呼市地铁 1 号线与 2 号线换乘站新华广场站、地铁 2 号线大学西街站、中山路站共 3 座地铁车站均采用了盖挖逆作法。其中同期规划、同期实施的新华广场站作为内蒙古自治区在建轨道交通项目中面积最大、全国已完工车站面积排名第二的盖挖逆作法车站，建筑面积约 7.5 万 m2，施工工期 43 个月，成为呼市地铁工程的关键控制性工程。
采用盖挖逆作法施工的地铁车站结构，其交汇于同一节点的各构件分期形成，因此，钢管混凝土柱与楼板梁连接节点不仅关系到车站结构的整体性与各构件之间的传力可靠性；而节点的构造，除了要保证在盖挖逆作的特定环境下可以操作之外，还必须保证后续工序能够实施。对于盖挖逆作法地铁车站来说，钢管混凝土柱与后浇梁连接处的节点承担着至关重要的作用。
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1.2 地下工程钢管混凝土梁柱节点研究现状
目前地下工程中采用的钢管混凝土柱—钢筋混凝土梁节点的形式主要为文献[4]提出的环形牛腿节点，如图 1.4 所示。
对于地下结构中钢管混凝土柱（CFST）—钢筋混凝土梁（RC）节点的研究，目前已有很多的研究成果：
聂建国，徐桂根[5]建立方钢管混凝土柱节点抗剪受力模型，研究方钢管混凝土柱节点的受剪屈服问题，提出剪力由钢管腹板和节点核心区共同承担，其中核心区混凝土又以平面抗剪和抗压杆模式分别对抗剪承载能力做出贡献。
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2 梁柱节点试验研究及力学性能分析
2.1 试验目的
为了确保设计的节点形式在重载下能够满足承载能力的要求，同时为类似工程积累设计经验，结合国内外类似试验的结果，对构件进行 1：4 缩尺后，进行试验研究，以分析评价新华广场站设计的节点形式在施工、运营阶段的安全性，并提出相应改进措施。具体试验目的如下：
（1） 通过室内模型试验，研究在单调荷载作用下节点破坏形态、抗剪能力及明暗牛腿协同工作机理；
（2） 通过室内模型试验，研究在梁相同情况下明暗双牛腿节点较单牛腿节点的承载能力的提升。
依托呼和浩特市盖挖逆作地铁车站工程，模型试验中钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接节点构造方式与实际工程相同，其节点区包括钢管混凝土柱、钢筋混凝土梁、包裹在混凝土梁内部的暗牛腿及支撑在梁下的明牛腿组成，其中明暗牛腿材料一致，肋板数量均取 8 块肋板。
考虑模型试件的代表性和试验的可操作性及实验室条件等因素，本试验构件按实际设计尺寸的 1:4 缩尺，缩尺后保证材料及混凝土梁配筋率不变，模型柱的高取1.5m，梁的跨度取 1.6m，钢管尺寸?219×5mm。设计 2 个钢管柱节点进行了单调荷载作用下的试验研究，其中 JD1 为双梁明暗双牛腿节点，JD2 为双梁单暗牛腿节点。
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2.2材料力学性能
试件材料详见表 2.2。混凝土采用 C40 普通混凝土，由商品混凝土搅拌站配制，运输至现场进行浇筑，采用振捣棒振捣密实。试件浇筑时，同时预留 3 个立方体试块，与试件同条件养护。钢管与钢牛腿均采用 Q235 钢，钢管尺寸为?219×5mm，牛腿肋板及环板厚度均为 3.75mm，牛腿采用双面角焊缝，焊缝等级为 I 级。混凝土梁主筋、箍筋及楼板采用 HRB400 级热轧钢筋，其主筋 10mm，箍筋 8mm。
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3 节点极限承载力研究 ........................................ 29
3.1 材料本构的选取 ............................................ 29
3.1.1 混凝土本构 ............................................. 29
3.1.2 钢筋、钢管及环形牛腿本构 ......................................... 31
4 节点抗剪承载力关键参数分析 ................................. 51
4.1 数值方案设计 ........................................ 51
4.2 参数分析 .......................................... 51
5 结论与展望 ...................................... 58
5.1 结论 ...................................... 58
5.2 展望 ..................................... 59
4 节点抗剪承载力关键参数分析
4.1 数值方案设计
节点剪力主要通过环形牛腿竖向肋板与钢管处的焊缝承担，当肋板数量确定时，可以通过调整环形牛腿肋板高度来提高节点抗剪承载力。在保证节点其他参数不变的情况下，研究竖向肋板高度（即肋板有效焊缝长度）对节点抗剪极限承载力的影响，暗牛腿肋板高度分别取 h=50mm、h=75mm、h=90mm 进行分析，结果如下：
明暗双牛腿节点的抗剪极限承载能力随肋板高度的变化如图 4.1 所示。分析可知，当肋板高度为 75mm 时，其抗剪极限承载能力较肋板高度为 50mm 时，提升29%；当肋板高度为 90mm 时，其抗剪极限承载力较肋板高度为 75mmm 时，抗剪承载能力有所下降。
根据文献[4]给出环形牛腿及台锥式深牛腿受剪承载力计算公式可知，其承载力主要由环形牛腿支撑面上的混凝土局部承压强度、肋板抗剪强度、肋板与管壁的焊接强度、环形牛腿上部混凝土的直剪（或冲切）强度和环形牛腿上、下环板的受剪承载力组成。当混凝土梁高一定时，暗牛腿高度越高，则暗牛腿上环板混凝土的直剪（或冲切）强度则越低。所以在实际设计中，梁高与暗牛腿肋板高度的比值应控制在一定范围内，根据上述参数分析可知，当梁高和肋板数量确定时，肋板高度取梁高的 1/4。
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5 结论与展望
5.1 结论
本文通过 2 个钢管混凝土柱—钢筋混凝土梁节点的静载试验以及有限元ABAQUS 对试验模拟分析，并模拟节点单调直剪，分析得出以下结论：
（1）节点在加载过程梁的破坏机制表现为梁的弯曲直裂缝与弯剪裂缝沿暗牛腿上环板高度处的贯通形成剪切破坏，裂缝主要集中在节点区域与支点之间，且在柱两侧具有对称分布和裂缝宽度，呈“Π”形分布，加载结束时，均表现为混凝土梁破坏，节点未发生破坏，符合设计原则。
（2）通过试验与有限元分析，该种双牛腿结构的抗剪承载力主要由明暗牛腿的上环板、肋板与钢管壁的焊缝承担，其中对抗剪贡献最大是肋板与钢管壁的焊缝。
（3）通过试验与有限元分析，可知明、暗牛腿在加载过程中的协同工作机理：加载初期，钢管壁与混凝土内表面之间存在黏结作用，承担了加载初期较小的剪力；随荷载的增加，黏结作用失效，明暗牛腿剪力分担比例相应提高，由于暗牛腿传力路径较短，暗牛腿应力大于明牛腿，当暗牛腿屈服后，明牛腿应力相应开始增大，加载结束时，明、暗牛腿应力值几乎相等，二者共同发挥作用，承担相同的荷载，且明、暗牛腿各方向竖向肋板应力值较接近，表明了明暗环形牛腿受力均匀，二者可以较好的协同工作。
（4）通过对节点直剪模型分析，明暗双牛腿节点的抗剪极限承载力约为相同构造条件下的单暗牛腿节点与单明牛腿抗剪极限承载能力之和，采用该双梁明暗双牛腿节点形式，可以有效发挥两个牛腿的作用，在保持梁参数相同情况在，可以有效提高节点的承载能力，验证设计合理性。
（5）分析研究节点核心区关键参数对节点抗剪承载力的影响，得出以下结论：当剪力较大时，环形牛腿肋板已经进入屈服状态，由于竖向肋板的存在，环形牛腿并未发生突然破坏。通过增加肋板与钢管壁之间的焊缝有效长度，来提高节点的抗剪承载力，即增加肋板数量和肋板高度。可通过调整环形牛腿上环板宽度来提高环板与混凝土的局部承压来提高节点抗剪承载力，即调整上环板的穿心量来提高节点的极限抗剪承载能力，在实际设计时，梁高与肋板数量确定时，肋板高度取梁高的1/4 为宜；保证肋板高度足够的情况下，牛腿肋板数量不宜少于 8 块，上环板的穿心量取钢管柱直径的 8%为宜，在受剪较大的区域可以设置明、暗双牛腿的结构形式，可以有效的提升节点的承载能力。
参考文献（略）
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