轻轨车站埋入式柱脚受力性能分析
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摘 要：埋入式圆钢管柱脚刚接情况下受到上部结构传来的轴力、剪力与弯矩共同作用，受力情况较为复杂。现行《高层民用建筑钢结构技术规程》对圆钢管与混凝土接触面的压应力、圆钢管侧壁的栓钉数目、圆钢管四周的抗弯钢筋面积等给出了较为详细的计算，但对于出混凝土支撑构件之上的圆钢管柱脚部分并未给出详细的分析，本文对此部分的受力机理进行详细的分析。
关键词：埋入式刚接柱脚；局部屈曲；初始缺陷；
中图分类号：U492.4+33 文献标识码： A
实际工程站台雨棚钢结构柱脚承受着上部结构传递的轴力、弯矩与剪力共同作用，受力情况较为复杂，现行《高层民用建筑钢结构技术规程》给出了埋入式钢柱脚抗压、抗弯与抗剪的计算公式以及构造做法，保证了埋入混凝土支撑结构部分的钢柱脚承载力，但对于出混凝土支撑结构部分的钢柱脚（封闭截面）部分，为防止其出现局部屈曲，现常用做法是在出混凝土支撑部分1.2倍柱脚高度范围内浇筑素混凝土，本文通过实际工程—大连金州新区至普湾新区城际铁路工程长店堡高架站结构，采用有限元软件对采用如上做法的车站钢管刚接柱脚受力机理进行分析。长店铺车站全长121.6m，宽23m，车站站台形式为侧式站台；车站主体结构采用钢筋混凝土框架结构，站台雨棚采用钢结构体系，由于建筑功能和外形需要，该站台雨棚结构形式有别于传统的门式刚架体系和钢框架结构体系，结构形式特殊，受力机理比较复杂。
长店堡车站位于大连普兰店市铁西区，场地地形平坦。建筑物抗震设防类别为乙类，安全等级为一级。场地的抗震设防烈度为8度，基本地震加速度为0.2g，建筑场地类别Ⅱ类，设计地震分组为第1分组，地震反应谱特征周期为0.35s，对上部圆钢管雨棚，采用有限元软件MIDAS建立了整体模型，见图1与图2。
图1 长店堡钢雨棚整体模型
图2 长店堡钢雨棚单榀模型
1 计算圆钢管柱脚设计反力
根据钢雨棚屋面上的建筑做法，计算出屋面恒荷载取0.3KN/m2;根据《建筑结构荷载规范》，取屋面活荷载为0.5 KN/m2；雨棚的风荷载按照《建筑结构荷载规范》进行取值，大连50年的设计的基本风压为0.65 KN/m2，雨棚高度为地面上相对标高8.000m~17.000m，风荷载体型系数依据《建筑结构荷载规范》中表8.3.1中的第4项的封闭式拱形屋面进行取值，见图3。
图3 封闭式拱形屋面风荷载体型系数取值
根据上述钢雨棚所处的地质条件，在MIDAS中输入相应的地震参数，采用阵型分解反应谱法对钢雨棚进行地震作用分析。
按照《建筑结构荷载规范》、《建筑抗震设计规范》对上述各荷载作用进行荷载组合，并进行包络设计，提取软件运算后的钢柱脚处的节点反力，如表1。
表1
FX（KN） FY（KN） FZ(KN) MX(KN.M) MY(KN.M) MZ(KN.M)
1 49.9 69.9 132.1 0 0
2 圆钢管柱脚的有限元分析
圆钢管刚接柱脚的尺寸见图4与图5，利用有限元软件建立圆钢管刚接柱脚的分析模型，见图6，由于仅对出混凝土支撑构件以上的圆钢管进行受力分析，同时钢管中浇筑的素混凝土高度为0.48m，所以在有限元中只建立出混凝土支撑面1.1m高的圆钢管柱脚进行受力分析。
图4 圆钢管刚接柱脚平面图
图5 圆钢管刚接柱脚立面图
a) 钢柱脚模型 b) 模型网格划分
图6 圆钢管柱脚的有限元计算模型
模型中钢管采用shell单元S4R建立，壁厚取10mm，钢号为Q345B型，钢材本构采用经典的理想弹塑性体应力-应变曲线[1-2]，见图7；混凝土采用solid单元C3D8R建立，本构采用混凝土塑性损伤本构模型[1-2]，见图8。
图7 钢材弹塑性体本构模型
图8 混凝土塑性损伤本构模型
圆钢管下部与钢管内浇筑的混凝土底部全采用固结约束，为能较为真实的模拟圆钢管柱脚在外力作用下的可能产生的局部屈曲破坏，首先对圆钢管柱脚进行弧长法（buckle）运算，计算出其可能出现的前几阶屈曲模态，以第一阶屈曲模态的千分之一变形作为圆钢管柱脚承载力分析的初始缺陷[3]，圆钢管柱脚的第一阶屈曲模态见图9。
图9 圆钢管的第一阶屈曲模态
通过有限元的计算，发现浇灌混凝土的圆钢管柱脚最大应力出现在柱脚根部，其值为345N/mm2,钢材屈服。为进行对比，采用同样上述方法建立不浇筑混凝土的空心圆钢管柱脚进行受力分析。结果发现，对于不浇筑混凝土的空心圆钢管柱脚，其沿钢管高度方向，出现4处应力较大区域，其值约为155N/mm2。
a) 内含混凝土钢管柱脚应力分布 b) 内无混凝土钢管柱脚应力分布
图10 有限元模型的对比
通过图10中两种情况下的圆钢管柱脚外壁应力分布的对比分析，发现在圆钢管柱脚内浇筑混凝土，柱脚整体刚度提高，整体上应力分布相对均匀，最大应力位置发生在钢柱脚根部；不浇筑混凝土的圆钢柱脚，其上应力分布较为离散，会在多处出现应力集中现象，局部屈曲破坏的趋势较为明显。但是发现，在圆钢管中浇筑混凝土后，虽然局部屈曲的趋势减小了，但是钢管外壁的应力较未浇筑混凝土的钢柱脚外壁大，这是由于在圆钢管中浇筑混凝土后，柱脚整体刚度提高后，转移了最大应力出现的位置，同时该位置也变成了结构的薄弱的部位。
3 结论
在圆钢管刚接柱脚内浇筑素混凝土可以有效的降低其屈曲破坏的趋势，但同时也改变了圆钢管外壁的应力分布，使得最大应力转移到柱脚底部，且此应力值大于未浇筑混凝土的圆钢管柱脚外壁的应力值。
由于本工程各工况荷载取值较小，所以传至钢柱脚处的反力值较小，即使未在圆钢管柱脚中浇筑混凝土，柱脚也不会出现屈曲破坏。考虑到在圆钢管柱脚中浇筑混凝土后，会增大钢管外壁的最大应力值，所以针对本工程的圆钢管雨棚，不采用在柱脚处浇筑混凝土的构造做法。
参考文献：
Schneider S P. Axial Load Concrete-filled Steel Tubes[D]. Journal of Engineering, ASCE,1998,124(10): 1125-1138.
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韩林海. 钢管混凝土结构[M]. 科学出版社，2000.