新型自復位柱腳節點的設計與應用

張 波

(同濟大學土木工程防災國家重點實驗室,上海 200092)

盡管國內外學者已經提出了多種有效的自復位柱腳節點形式，但均是被運用于抗震分析中。本文提出了一種新的柱腳節點，并將其運用于泥石流防治領域，通過試驗結果來驗證其自復位功能的有效性。

1 自復位柱腳節點設計

自復位柱腳節點如圖1所示。框架柱插入底座，通過兩根無粘結預應力筋與基礎底座相連，上部結構與底座通過兩塊鉆孔鋼板隔離開來，鋼板同時能防止柱腳在沖擊荷載作用下與基礎頂面產生碰撞時發生局部破壞。框架柱四周通過橡膠與基礎隔離開，橡膠一方面能對混凝土提供側向約束并傳遞剪力，另一方面也能防止泥石流沖擊荷載作用下柱腳與基礎內側面碰撞時發生局部破壞，此時的功能與鉆孔鋼板相似。橡膠必須要有一個合適的厚度，既不能過大也不能過小，厚度過大，則剛度過大，會影響自復位功能的實現，厚度過小，無法有效實現防止柱腳與基礎內側面碰撞的作用。

這種自復位柱腳設計由鋼筋混凝土柱、內置的預應力鋼絞線、橡膠墊和鋼板組成。在泥石流沖擊荷載作用下，柱腳發生提離，即柱腳抬升，使結構能發生更大幅度的位移，并允許一定幅度的轉動，耗散掉大量沖擊能量，隨后，由預應力鋼絞線提供恢復力，結構實現復位功能。

2 泥石流沖擊力

泥石流是一種常見的地質災害，是指在山區或者其他溝谷深壑以及地形險峻的地區，因為暴雨、暴雪或其他自然災害引發的山體滑坡并攜帶有大量泥沙以及石塊的特殊洪流[5]。泥石流的沖擊主要由漿體靜水壓力、動水壓力和石塊沖擊力組成[6]，但相比石塊沖擊力，漿體的靜水壓力和動水壓力很小，在試驗條件下可不考慮。根據Zeng Chao等人[7]的研究結論，石塊作用的最不利位置是1/2最大流深處。因此本文將用石塊沖擊力來等效泥石流的沖擊力，并假設泥石流的深度與整個結構的底層框架柱等高，石塊的撞擊點在底層柱的中點位置。

3 試驗驗證

為了驗證本文提出的柱腳節點在泥石流沖擊荷載作用下具有良好的自復位效果，本文設計了一次泥石流沖擊試驗。

3.1 試驗概況

本試驗采用平面1×2跨的框架模型，平面尺寸1.5 m×3 m，層高1.5 m，柱截面200 mm×200 mm，梁截面125 mm×200 mm，基礎底座平面尺寸600 mm×600 mm，高400 mm，底座預留260 mm×260 mm×300 mm的杯口用于柱腳與基礎的連接。柱腳部分，預應力筋選用兩根φs15.2級鋼絞線，橡膠墊和兩塊鋼板厚度均取30 mm。現場實際模型見圖2。考慮到試驗的可行性，試驗中用鋼球來代替泥石流中的大石塊。加載裝置如圖3所示，鋼軌道出口距離地面高度2.53 m，正好對應框架模型底層柱的柱中位置，鋼球沿著軌道下滑到平緩段，產生一個水平方向的沖擊荷載，對被撞擊柱實施沖擊作用。

試驗共進行了7組工況，具體情況見表1。

表1 泥石流沖擊試驗加載工況

3.2 自復位功能有效準則

從上文自復位柱腳的設計思路出發，如果柱腳的自復位功能能實現，將會發生以下幾種現象：

本組20例肺膿腫患者經有效治療后,治愈者12例(60.00%),好轉者7例(35.00%),無效者1例(5.00%),故治療有效率為95.00%。

1)沖擊荷載增大到一定程度后，柱腳能發生提離，即柱底能抬升；

2)柱腳發生提離后，柱底鋼筋的最小應變值變為零；

3)試驗模型被撞擊柱經過一段時間的振蕩后，能在預應力鋼絞線的作用下消除殘余位移，恢復到撞擊前的狀態。其中，柱腳的提離由于無法直接測量，可在被撞擊柱靠近底座的某個部位粘貼應變片，由測點位移來計算，相對關系參見圖4，柱腳提離x的計算公式推導如下：

(1)

h≈L1+L2

(2)

(3)

其中，x為柱腳提離；a為被撞擊柱側面的邊長；s為位移計的測量值；h為被撞擊柱發生提離后柱底到位移計安裝點的距離；L1為位移計安裝點到基礎底座表面的距離；L2為基礎底座表面到柱底的距離。

3.3 試驗結果分析

3.3.1柱底提離

試驗中在柱子底部靠近基礎底座處設置了位移計，由于試驗模型的底座尺寸較大，配筋十分富余，可認為在撞擊過程中，底座始終保持不動，柱子底部的位移計相當于局部位移計，可用于測量柱底提離，公式見式(3)。試驗模型沿X向的柱底最大提離見表2。

表2 KJZ模型被撞擊柱柱腳最大提離

顯然，表2中數據證明，被撞擊柱在沖擊荷載作用下，柱底與基礎頂部鋼板分離，柱腳發生了提離。

3.3.2柱腳鋼筋應變

澆筑試驗模型時，即在試驗模型的柱底鋼筋處粘貼了應變片，用于配合監測柱底提離現象的發生。圖5反映了歷次撞擊中柱底鋼筋最大應變和最小應變值的變化情況。

從圖5中可以看出，當第二次撞擊中，鋼球的直徑增加到250 mm，質量增加到64.3 kg之后，柱底鋼筋的最大應變驟然增加，而最小應變減小為零，很明顯柱底抬升，柱腳發生了提離。而第一次撞擊，由于鋼球直徑太小，沖擊荷載不足以使柱腳節點發揮自復位作用。

3.3.3被撞擊柱的最終位移

被撞擊柱的位移是驗證自復位功能的重要指標，但限于篇幅，本文只選取工況2、工況4和工況6的位移變化情況為研究對象。圖6～圖8分別為被撞擊柱一層頂位置處在這三種工況下的位移時程曲線，以鋼球的撞擊方向為正方向。從圖中可知，每種工況下的位移變化規律一致：被撞擊點的初始位移接近于零，被撞擊瞬間位移達到峰值，然后往復振蕩，逐漸趨于靜止。由于柱腳與基礎分開，并未完全固接，能發生一定程度的轉動，所以撞擊瞬間的位移峰值遠大于其余時刻。根據達朗貝尓原理，隨后被撞擊柱在沖擊荷載和慣性力的作用下處于動態平衡狀態。而預應力鋼絞線提供了恢復力，使被撞擊柱的位移逐漸減小到接近于零的初始水平，僅有不到2%的殘余變形，自復位效果非常明顯。但每次撞擊后，不能完全恢復到位移初始值，所以每次加載前，都有很小的初始位移，并且由于累計效應，初始位移逐漸增大。

4 結語

本文在前人研究的基礎上提出了一種新型的自復位柱腳節點設計方案，并設計了泥石流沖擊模擬試驗，將這種柱腳節點設計用于試驗模型中，試驗結果表明：

1)泥石流沖擊荷載作用下，柱腳能產生向上的位移，與基礎頂部鋼板分離開來，柱底鋼筋應變為零，柱腳發生提離；

2)由于柱腳發生提離，被撞擊柱在沖擊荷載下能產生較大的峰值位移，但隨后在預應力筋鋼絞線提供的恢復力作用下，撞擊點的位移恢復到初始水平，幾乎無殘余變形，自復位效果明顯。