某超高層塔樓復(fù)雜節(jié)點(diǎn)分析

陳 俊

(中國中元國際工程有限公司，北京 100089)

1 工程概況

本項(xiàng)目(如圖1所示)位于寧波市中心區(qū)，項(xiàng)目總建筑面積約159 260 m2，其中，地上建筑面積120 394 m2，地下建筑面積38 866 m2，地下建筑功能為車庫及后勤，地上裙房為商業(yè)，塔樓為辦公和酒店。地下室共3層，主樓地上56層，屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高243.050 m;裙房地上4層，屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高24.000 m。本工程設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅳ類，阻尼比為0.04，考慮偶然偏心和雙向地震作用，地面粗糙度類別為C類。

圖1 建筑效果圖

塔樓采用矩形鋼管混凝土框架柱+鋼梁+兩道腰桁架+鋼筋混凝土核心筒的結(jié)構(gòu)形式。核心筒內(nèi)皮尺寸25.125 m×24.850 m，外框柱柱距 12.0 m，柱定位軸線至核心筒內(nèi)皮距離9.47 m。樓面框架梁與核心筒鉸接，與外框柱剛接，外框梁與外框柱剛接。本工程在22層和44層設(shè)置環(huán)帶桁架，44層四角的環(huán)帶桁架為懸挑桁架，同時(shí)也是轉(zhuǎn)換桁架。

2 節(jié)點(diǎn)分析

2.1 節(jié)點(diǎn)選擇

塔樓由于建筑造型引起結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜。44層環(huán)帶桁架處于結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層中，并且桁架腹桿與梁柱平面有一定夾角。這些構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)非常復(fù)雜，為了保證節(jié)點(diǎn)在地震下的可靠性，達(dá)到“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)原則，同時(shí)考慮與節(jié)點(diǎn)相連的構(gòu)件性能目標(biāo)，對節(jié)點(diǎn)采用了中震彈性的性能目標(biāo)進(jìn)行分析校核。

本次選擇兩個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn):節(jié)點(diǎn)J－1位于外圍鋼管混凝土柱與鋼梁及桁架斜腹桿在44層的交匯處;節(jié)點(diǎn)J－2位于節(jié)點(diǎn)J－1上側(cè)，其為轉(zhuǎn)換層上起的矩形鋼管柱與鋼梁及斜腹桿在45層的交點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)三維圖見圖2。

采用ETABS軟件對塔樓進(jìn)行多遇地震和設(shè)防地震下的整體分析，讀取模型中J－1和J－2節(jié)點(diǎn)所連接構(gòu)件的內(nèi)力(軸力、彎矩、剪力)。采用ANSYS軟件對這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析。ANSYS分析時(shí)，考慮幾何非線性和材料非線性，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，將各構(gòu)件端部的斷面進(jìn)行節(jié)點(diǎn)耦合，約束住下端柱腳耦合節(jié)點(diǎn)的所有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，再將從整體模型中讀取的內(nèi)力施加到相應(yīng)桿件的端部耦合節(jié)點(diǎn)上。

圖2 節(jié)點(diǎn)三維圖

節(jié)點(diǎn)所連接構(gòu)件截面如下:鋼管混凝土柱為矩形截面900×1 100×24×24，桁架弦桿截面為焊接 H 型鋼 H800×600×40×40，斜腹桿截面為 H550×600×55×55，桁架所托鋼管柱為矩形600×600×24×24。鋼材與混凝土均采用三維實(shí)體單元模擬，混凝土選用ANSYS單元庫中的Solid65單元，該單元適用于含鋼筋或不含鋼筋的三維實(shí)體模型，Solid65單元可以考慮混凝土單元的很多非線性性質(zhì):如混凝土在3個(gè)正交方向的開裂、混凝土的塑性變形和徐變、混凝土的壓碎等;鋼材采用Solid95單元，此類單元具有20個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均具有3個(gè)平動(dòng)自由度，此單元能夠沿空間任意方向排列，并且具有塑性蠕變、應(yīng)力硬化、大變形、大應(yīng)變等性能。其中鋼材強(qiáng)度等級為Q390GJ，混凝土強(qiáng)度等級為C60。

2.2 節(jié)點(diǎn) J－1分析

2.2.1 節(jié)點(diǎn) J－1 幾何構(gòu)造

在鋼管混凝土柱與鋼梁翼緣等高位置設(shè)置與翼緣等厚的水平隔板，隔板上設(shè)置直徑500 mm的澆筑孔，同時(shí)在鋼管柱與鋼梁腹板連接處的對應(yīng)位置的鋼管內(nèi)加設(shè)豎向加勁肋，厚度為20 mm。

2.2.2 節(jié)點(diǎn) J－1 分析結(jié)果

1)在多遇地震工況作用下，J－1節(jié)點(diǎn)鋼材應(yīng)力均在200 MPa以下，節(jié)點(diǎn)區(qū)外的斜腹桿應(yīng)力較大，符合強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的要求，混凝土最大壓應(yīng)力也小于其抗壓強(qiáng)度。

2)在設(shè)防地震工況作用下，J－1節(jié)點(diǎn)鋼材和混凝土部分的應(yīng)力分布如圖3，圖4所示。

圖3 鋼構(gòu)件Von Mises應(yīng)力分布圖

圖4 混凝土第三主應(yīng)力分布圖

由應(yīng)力圖可以看出，設(shè)防地震下，整個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)的Von Mises應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度。斜腹桿與節(jié)點(diǎn)區(qū)相連的局部區(qū)域由于應(yīng)力集中出現(xiàn)屈服，不影響節(jié)點(diǎn)的性能。混凝土最大壓應(yīng)力27.5 MPa，小于其抗壓強(qiáng)度。分析結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)1在設(shè)防地震作用下可以達(dá)到中震彈性的性能目標(biāo)。節(jié)點(diǎn)區(qū)的應(yīng)力水平小于連接桿件的應(yīng)力水平，可以滿足強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件的設(shè)計(jì)要求。

2.3 節(jié)點(diǎn) J－2 分析

2.3.1 節(jié)點(diǎn) J－2 幾何構(gòu)造

節(jié)點(diǎn)J－2在鋼管柱與鋼梁翼緣等高位置設(shè)置與翼緣等厚的水平隔板，同時(shí)在鋼管柱與鋼梁腹板連接處的對應(yīng)位置的鋼管內(nèi)加設(shè)豎向加勁肋，厚度為20 mm。

2.3.2 節(jié)點(diǎn) J－2 分析結(jié)果

1)在多遇地震工況作用下，J－2節(jié)點(diǎn)鋼材的應(yīng)力分布如圖5所示。由上面應(yīng)力分布圖可以看出，在小震作用下節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力均在200 MPa以下，節(jié)點(diǎn)區(qū)外的斜腹桿應(yīng)力較大，符合強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的要求。柱底由于剛性約束的影響，局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，不反映實(shí)際節(jié)點(diǎn)情況，可以忽略。

2)在設(shè)防地震工況作用下，J－2節(jié)點(diǎn)鋼材的應(yīng)力分布如圖6所示:節(jié)點(diǎn)區(qū)的應(yīng)力分布較為均勻，且均小于屈服強(qiáng)度，節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼材未進(jìn)入塑性。斜腹桿加勁肋局部區(qū)域應(yīng)力較大，應(yīng)加大勁板厚度。柱底由于剛性約束的影響，出現(xiàn)應(yīng)力集中，不反映實(shí)際節(jié)點(diǎn)情況，可以忽略。節(jié)點(diǎn)J－2在設(shè)防地震作用下可以達(dá)到中震彈性的性能目標(biāo)，節(jié)點(diǎn)區(qū)的應(yīng)力水平小于連接桿件的應(yīng)力水平，可以滿足強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求。

圖5 小震下鋼構(gòu)件Von Mises應(yīng)力分布圖

圖6 中震下鋼構(gòu)件Von Mises應(yīng)力分布圖

3 結(jié)語

1)本工程樓層角部轉(zhuǎn)換桁架處的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，在多遇地震和設(shè)防地震下的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均小于相連構(gòu)件的應(yīng)力，滿足強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的要求。2)節(jié)點(diǎn)在設(shè)防地震下鋼材的應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度，滿足預(yù)期中震彈性的性能目標(biāo)。