一种采用球墨铸铁构件的钢筋面式连接节点

1.本发明涉及地下结构工程，具体为一种采用球墨铸铁构件的钢筋面式连接节点。


背景技术：

2.采用在地铁区间盾构隧道基础上扩挖车站的施工方法是解决盾构过站施工中非推进作业过多问题的有效手段。但这种工法施工难度较大，车站结构受力复杂，尤其处于现浇车站主体结构与预制开口环盾构管片间的连接节点是受力及抗震能力最为薄弱部位，也是在地铁区间盾构隧道基础上扩挖车站技术实际施工当中的瓶颈问题。
3.究其原因，主要在于部分盾构管片的破除改变了原有完整衬砌环的均布受力方式，致使每环管片在衬砌块接头位置进行了内力的重新分配，重新构筑的开口环管片与车站主体结构之间的节点需同时承受来自管片与车站主体结构的复杂外力作用，节点位置承受较大弯矩和剪力作用，间接造成其抗震耗能能力的降低。因此，在隐蔽、空间有限且外力条件复杂的地下施工环境下，节点的构筑难以按照常规工艺进行施工，节点受力和抗震性能难以有效把控。
4.目前，针对此类节点的构筑工艺主要有两种：1)在盾构管片内预埋钢筋套筒连接；2)在盾构管片内预埋钢板连接。其中，在盾构管片内预埋钢筋套筒连接，其构筑工艺为将钢筋套筒预埋入盾构管片，将盾构管片中纵向受力钢筋与套筒相连，待多余管片拆除后，将车站墙柱结构受力钢筋连入套筒，并浇筑墙柱混凝土；在盾构管片内预埋钢板连接，其构筑工艺为将连接有抗剪键的钢板预埋入盾构管片，将盾构管片纵向受力钢筋与钢板焊接或采用螺栓将钢板固定，待多余管片拆除后，将车站墙柱结构受力钢筋与钢板焊接，并浇筑墙柱混凝土完成节点的构筑施工。
5.但两种节点构筑模式各有不足，在盾构管片内预埋钢筋套筒连接方式节点抗剪能力弱，节点受力时盾构管片与车站墙柱结构间会出现较大相对滑移，盾构管片与墙柱内钢筋属于点对点连接，各个钢筋单独受力，整体性差，强度低，在集中力作用下，一旦某根钢筋受力屈服，剩余钢筋将依次破坏；在盾构管片内预埋钢板连接方式节点受力时，由于钢板表面光滑且钢板平面外刚度远高于所连接的混凝土刚度，二者产生非协调变形，在受力较小时即产生微小裂缝。钢板上所焊接的抗剪键与周围混凝土相互作用，盾构管片受到外部土压力作用，由于钢板及抗剪键的制约作用，外部土压力转化为抗剪键上部管片截面所受拉力及抗剪键下部管片截面所受压力。由于节点处管片受拉作用面减小，管片截面上部混凝土在受力早期即产生受拉破坏，而由于钢筋与混凝土的相互粘接作用，早期裂缝沿钢筋延伸方向不断向深处发展，最终导致节点处管片截面上部混凝土拉裂破坏，而节点处管片截面下部混凝土随着上部混凝土的破坏，所受压力突然增大，被压碎破坏。
6.总的来说，现有的节点的构造形式和受力模式，连接强度和耗能性能不够不适用于复杂地下工程施工条件，弯矩、剪力、抗震性能有待进一步提高。


技术实现要素：

7.发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种同时承受较大弯矩和剪力作用的采用球墨铸铁构件的钢筋面式连接节点。
8.技术方案：本发明所述的一种采用球墨铸铁构件的钢筋面式连接节点，包括盾构管片和地铁车站墙柱，盾构管片与地铁车站墙柱通过球墨铸铁构件、齿槽抗剪构件和无粘接段预应力钢筋相连，球墨铸铁构件包括腹部、上翼和下翼，腹部与齿槽抗剪构件相连，盾构管片内设置纵向受拉钢筋，地铁车站墙柱内设置无粘接段预应力钢筋，纵向受拉钢筋、无粘接段预应力钢筋通过上翼、下翼内的纵向钢筋连接套筒相连。
9.腹部为粗糙凹凸面，呈网格结构。腹部包括抗剪凹槽和接缝凹槽，抗剪凹槽设置在腹部中下部，与齿槽抗剪构件相连，接缝凹槽用于加强球墨铸铁构件与周围混凝土的连接强度。齿槽抗剪构件为钢筋混凝土结构，一般为六面体。抗剪凹槽尺寸按接缝处所受剪力大小给出，抗剪凹槽的侧壁打孔，与带肋钢筋相连。腹部还包括中间腹板和边缘腹板，中间腹板与抗剪凹槽、接缝凹槽相连，边缘腹板与接缝凹槽相连，边缘腹板上设置纤维钢筋连接孔。齿槽抗剪构件可有效降低无粘接段预应力钢筋、纵向受拉钢筋的销键剪切作用，同时，由齿槽抗剪构件分离出来的盾构管片及墙柱结构的上下两个分支独立抗弯，可实现节点的弯剪分离受力模式。
10.上翼、下翼均间隔设置纵向钢筋连接套筒及纤维钢筋连接孔，用于加强球墨铸铁构件与周围结构的连接强度，避免球墨铸铁构件与盾构管片在受力条件下相互脱离。纵向受拉钢筋、无粘接段预应力钢筋通过纵向钢筋连接套筒相连，纤维钢筋连接孔与纤维钢筋相连。纵向钢筋连接套筒突出于球墨铸铁构件，以保证球墨铸铁构件尺寸小于盾构管片截面尺寸，保证球墨铸铁构件可以嵌入盾构管片截面内部。
11.球墨铸铁构件强度、韧性、耐磨性高，综合性能接近于钢，可以达到“以铁代钢”的使用要求，但球墨铸铁的造价低，抗压性、耐磨性、抗蚀性及减震性均优于钢，铸造过程中，铸铁流动性好，收缩小，对模型材料要求低，易于成型。球墨铸铁构件的平面尺寸小于盾构管片的截面尺寸，嵌入盾构管片接缝截面内部。球墨铸铁构件为非规则形状，以减小其截面尺寸。
12.墙柱内纵向受拉钢筋施加预应力，按配置要求在距离节点连接截面一定范围内设置无粘接段。采用后张法对墙柱内纵向钢筋施加预应力，无粘接段预应力钢筋为距离盾构管片与地铁车站墙柱接缝一定距离内与混凝土没有粘接力的预应力钢筋。无粘接段预应力钢筋可提高节点的抗震性能，避免节点处钢筋的集中屈服。盾构管片及墙柱边缘位置设置钢筋强化连接区域，以避免由于齿槽抗剪构件的设置而形成新的抗剪薄弱面。
13.工作原理：采用齿槽抗剪构件来降低节点接触面处纵向连接钢筋(无粘接段预应力钢筋、纵向受拉钢筋)的销键剪切作用，并增大盾构管片截面的受拉作用面。采用无粘接预应力钢筋可提高节点的耗能能力，减少由于钢筋与混凝土的粘接作用而导致的混凝土的拉裂破坏，提高接缝间的轴向压力及摩擦力，并进一步降低钢筋销键剪切作用。采用球墨铸铁构件可使预埋构件与混凝土变形相协调，且有效避免纵向连接钢筋的集中受力，加强纵向连接钢筋(无粘接预应力钢筋、纵向受拉钢筋)的整体性，提高节点的连接强度，形成钢筋的面式连接模式。
14.有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
15.1、节点具有较高的连接强度和耗能性能，适用于复杂地下工程施工，能够同时承受较大弯矩和剪力作用，抗震性能好；
16.2、采用管片截面嵌入式的球墨铸铁构件可使预埋构件与混凝土变形相协调，且有效避免纵向连接钢筋的集中受力，加强纵向连接钢筋的整体性，实现了节点截面处钢筋的面式连接模式，提高节点的连接强度，粗糙的凹凸网格腹部增加了后浇混凝土与构件的接触面积，提高了混凝土与球墨铸铁构件的摩擦受力；
17.3、球墨铸铁构件上设置的纤维钢筋进一步加强了构件与周围混凝土的连接强度，钢筋预留连接孔的设置避免了球墨铸铁焊接性能差的不足；
18.4、配筋齿槽抗剪构件可有效降低纵向连接钢筋的销键剪切作用，抗剪构件处于节点接缝面中下部可增大管片截面的受拉作用面，由齿槽分离出来的盾构管片及墙柱结构的上下两个分肢独立抗弯，可实现节点的弯剪分离受力模式，同时，避免了由于抗剪构件与混凝土刚度差异过大对接缝面受力造成的不利影响；
19.5、采用无粘接段预应力钢筋可提高节点的耗能能力，减少由于钢筋与混凝土的粘接作用而在钢筋出现相对滑移时导致的混凝土的拉裂破坏，并避免出现钢筋的集中屈服现象，预应力的施加提高了接缝间的轴向压力及摩擦力，降低了钢筋销键剪切作用，能够解决球墨铸铁构件与后浇墙柱混凝土连接强度薄弱及钢筋搭接长度不足的问题。
附图说明
20.图1是本发明节点的结构示意图；
21.图2是本发明节点的剖面图；
22.图3是本发明球墨铸铁构件3的主视图；
23.图4是本发明球墨铸铁构件3的左视图；
24.图5是本发明球墨铸铁构件3的仰视图；
25.图6是本发明节点的结构力学性能分区图。
具体实施方式
26.以说明书附图所示的方向为上、下、左、右。
27.如图1，地铁车站墙柱2与盾构管片1接触的地方为节点接缝。若干块盾构管片1组装成开口环形隧道衬砌结构。
28.如图2，节点结构包括球墨铸铁构件3、齿槽抗剪构件4和无粘接段预应力钢筋5。球墨铸铁构件3由球墨铸铁铸造而成，球墨铸铁构件3按节点配筋要求设置纵向钢筋连接套筒9，纵向钢筋连接套筒9与球墨铸铁构件3铸造在一起。无粘接段预应力钢筋5为距离节点接缝一定距离内与地铁车站墙柱2结构混凝土没有粘接力的预应力钢筋。盾构管片1一侧的纵向受拉钢筋6与地铁车站墙柱2内侧无粘接段钢筋通过纵向钢筋连接套筒9连接在一起。纵向钢筋连接套筒9突出于球墨铸铁构件3，以保证球墨铸铁构件3的尺寸小于盾构管片1截面的尺寸，进而使得球墨铸铁构件3可以嵌入盾构管片1截面内部。
29.无粘接段预应力钢筋5的施作方法为：首先将墙柱内纵向受拉钢筋5与纵向钢筋连接套筒9相连，然后在钢筋无粘接段5表面刷涂料并包隔离套管12后，将其铺设在支好的构件模板内，模板内预留纵向钢筋孔道，浇筑混凝土，待混凝土达到设计强度后对纵向受拉钢
筋5进行张拉锚固，施加预应力f，最后进行孔道灌浆。无粘接段预应力钢筋5可提高节点的耗能能力，避免节点处钢筋的集中屈服。
30.齿槽抗剪构件4采用高强混凝土浇筑而成，为六面体结构，置于抗剪凹槽3011内，其尺寸与球墨铸铁构件3预留的抗剪凹槽3011尺寸相吻合。由齿槽抗剪构件4分离出来的两个分肢独立抗弯，可实现节点的弯剪分离受力模式。齿槽抗剪结构4的施作过程为：将带肋钢筋7自抗剪凹槽3011侧壁的齿槽配筋预留孔13内穿过，并以钢筋固定螺母11进行加固，完成齿槽抗剪构件4的内部钢筋配置，然后以抗剪凹槽3011、为基础支模浇筑高强混凝土，形成齿槽抗剪构件4。
31.如图3～6，球墨铸铁构件3包括腹部301、上翼302和下翼303。球墨铸铁构件3的腹部301为粗糙凹凸面，呈网格结构，用于加强球墨铸铁构件3与地铁车站墙柱2的连接性能，提高节点整体的抗剪性能。球墨铸铁构件3的腹部301的凹槽按使用功能分为抗剪凹槽3011和接缝凹槽3012。抗剪凹槽3011位于腹部301的中下位置，接缝凹槽3012位于腹部301中间位置，尺寸按接缝处所受剪力大小给出。接缝凹槽3012和抗剪凹槽3011侧壁打孔，作为齿槽配筋预留孔13，并植入带肋钢筋7。抗剪凹槽3011内置齿槽抗剪构件4，用于接缝抗剪。抗剪构件4需先于地铁车站墙柱2结构进行浇筑，接缝凹槽3012与地铁车站墙柱2结构一起浇筑，加强球墨铸铁构件3与地铁车站墙柱2的连接强度。球墨铸铁构件3的上翼302和下翼303预留纤维钢筋连接孔8，纤维钢筋连接孔8与纤维钢筋10相连。腹部301的中间腹板3013连接抗剪凹槽3011和接缝凹槽3012，边缘腹板3014上有纤维钢筋连接孔8。上翼302、下翼303内均间隔设置纵向钢筋连接套筒9。