新型自复位柱脚节点的设计与应用

张 波

(同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海 200092)

尽管国内外学者已经提出了多种有效的自复位柱脚节点形式，但均是被运用于抗震分析中。本文提出了一种新的柱脚节点，并将其运用于泥石流防治领域，通过试验结果来验证其自复位功能的有效性。

1 自复位柱脚节点设计

自复位柱脚节点如图1所示。框架柱插入底座，通过两根无粘结预应力筋与基础底座相连，上部结构与底座通过两块钻孔钢板隔离开来，钢板同时能防止柱脚在冲击荷载作用下与基础顶面产生碰撞时发生局部破坏。框架柱四周通过橡胶与基础隔离开，橡胶一方面能对混凝土提供侧向约束并传递剪力，另一方面也能防止泥石流冲击荷载作用下柱脚与基础内侧面碰撞时发生局部破坏，此时的功能与钻孔钢板相似。橡胶必须要有一个合适的厚度，既不能过大也不能过小，厚度过大，则刚度过大，会影响自复位功能的实现，厚度过小，无法有效实现防止柱脚与基础内侧面碰撞的作用。

这种自复位柱脚设计由钢筋混凝土柱、内置的预应力钢绞线、橡胶垫和钢板组成。在泥石流冲击荷载作用下，柱脚发生提离，即柱脚抬升，使结构能发生更大幅度的位移，并允许一定幅度的转动，耗散掉大量冲击能量，随后，由预应力钢绞线提供恢复力，结构实现复位功能。

2 泥石流冲击力

泥石流是一种常见的地质灾害，是指在山区或者其他沟谷深壑以及地形险峻的地区，因为暴雨、暴雪或其他自然灾害引发的山体滑坡并携带有大量泥沙以及石块的特殊洪流[5]。泥石流的冲击主要由浆体静水压力、动水压力和石块冲击力组成[6]，但相比石块冲击力，浆体的静水压力和动水压力很小，在试验条件下可不考虑。根据Zeng Chao等人[7]的研究结论，石块作用的最不利位置是1/2最大流深处。因此本文将用石块冲击力来等效泥石流的冲击力，并假设泥石流的深度与整个结构的底层框架柱等高，石块的撞击点在底层柱的中点位置。

3 试验验证

为了验证本文提出的柱脚节点在泥石流冲击荷载作用下具有良好的自复位效果，本文设计了一次泥石流冲击试验。

3.1 试验概况

本试验采用平面1×2跨的框架模型，平面尺寸1.5 m×3 m，层高1.5 m，柱截面200 mm×200 mm，梁截面125 mm×200 mm，基础底座平面尺寸600 mm×600 mm，高400 mm，底座预留260 mm×260 mm×300 mm的杯口用于柱脚与基础的连接。柱脚部分，预应力筋选用两根φs15.2级钢绞线，橡胶垫和两块钢板厚度均取30 mm。现场实际模型见图2。考虑到试验的可行性，试验中用钢球来代替泥石流中的大石块。加载装置如图3所示，钢轨道出口距离地面高度2.53 m，正好对应框架模型底层柱的柱中位置，钢球沿着轨道下滑到平缓段，产生一个水平方向的冲击荷载，对被撞击柱实施冲击作用。

试验共进行了7组工况，具体情况见表1。

表1 泥石流冲击试验加载工况

3.2 自复位功能有效准则

从上文自复位柱脚的设计思路出发，如果柱脚的自复位功能能实现，将会发生以下几种现象：

本组20例肺脓肿患者经有效治疗后,治愈者12例(60.00%),好转者7例(35.00%),无效者1例(5.00%),故治疗有效率为95.00%。

1)冲击荷载增大到一定程度后，柱脚能发生提离，即柱底能抬升；

2)柱脚发生提离后，柱底钢筋的最小应变值变为零；

3)试验模型被撞击柱经过一段时间的振荡后，能在预应力钢绞线的作用下消除残余位移，恢复到撞击前的状态。其中，柱脚的提离由于无法直接测量，可在被撞击柱靠近底座的某个部位粘贴应变片，由测点位移来计算，相对关系参见图4，柱脚提离x的计算公式推导如下：

(1)

h≈L1+L2

(2)

(3)

其中，x为柱脚提离；a为被撞击柱侧面的边长；s为位移计的测量值；h为被撞击柱发生提离后柱底到位移计安装点的距离；L1为位移计安装点到基础底座表面的距离；L2为基础底座表面到柱底的距离。

3.3 试验结果分析

3.3.1柱底提离

试验中在柱子底部靠近基础底座处设置了位移计，由于试验模型的底座尺寸较大，配筋十分富余，可认为在撞击过程中，底座始终保持不动，柱子底部的位移计相当于局部位移计，可用于测量柱底提离，公式见式(3)。试验模型沿X向的柱底最大提离见表2。

表2 KJZ模型被撞击柱柱脚最大提离

显然，表2中数据证明，被撞击柱在冲击荷载作用下，柱底与基础顶部钢板分离，柱脚发生了提离。

3.3.2柱脚钢筋应变

浇筑试验模型时，即在试验模型的柱底钢筋处粘贴了应变片，用于配合监测柱底提离现象的发生。图5反映了历次撞击中柱底钢筋最大应变和最小应变值的变化情况。

从图5中可以看出，当第二次撞击中，钢球的直径增加到250 mm，质量增加到64.3 kg之后，柱底钢筋的最大应变骤然增加，而最小应变减小为零，很明显柱底抬升，柱脚发生了提离。而第一次撞击，由于钢球直径太小，冲击荷载不足以使柱脚节点发挥自复位作用。

3.3.3被撞击柱的最终位移

被撞击柱的位移是验证自复位功能的重要指标，但限于篇幅，本文只选取工况2、工况4和工况6的位移变化情况为研究对象。图6～图8分别为被撞击柱一层顶位置处在这三种工况下的位移时程曲线，以钢球的撞击方向为正方向。从图中可知，每种工况下的位移变化规律一致：被撞击点的初始位移接近于零，被撞击瞬间位移达到峰值，然后往复振荡，逐渐趋于静止。由于柱脚与基础分开，并未完全固接，能发生一定程度的转动，所以撞击瞬间的位移峰值远大于其余时刻。根据达朗贝尓原理，随后被撞击柱在冲击荷载和惯性力的作用下处于动态平衡状态。而预应力钢绞线提供了恢复力，使被撞击柱的位移逐渐减小到接近于零的初始水平，仅有不到2%的残余变形，自复位效果非常明显。但每次撞击后，不能完全恢复到位移初始值，所以每次加载前，都有很小的初始位移，并且由于累计效应，初始位移逐渐增大。

4 结语

本文在前人研究的基础上提出了一种新型的自复位柱脚节点设计方案，并设计了泥石流冲击模拟试验，将这种柱脚节点设计用于试验模型中，试验结果表明：

1)泥石流冲击荷载作用下，柱脚能产生向上的位移，与基础顶部钢板分离开来，柱底钢筋应变为零，柱脚发生提离；

2)由于柱脚发生提离，被撞击柱在冲击荷载下能产生较大的峰值位移，但随后在预应力筋钢绞线提供的恢复力作用下，撞击点的位移恢复到初始水平，几乎无残余变形，自复位效果明显。