某復雜高層建筑混合結構及其節點性能化分析

袁存喜

齊魯制藥有限公司 山東濟南 250100

1 項目概況

某建筑工程結構形式為型鋼混凝土外框、鋼筋混凝土核心筒混合結構，總建筑面積24.6萬m2，地下4層、地上41層，建筑高度為202.8m，由裙樓、地下室及塔樓（A、B兩棟）構成。

2 結構設計簡述

2.1 超高問題

高層建筑在功能和美觀上都更受人們的歡迎，但是在抵抗自然災害上，高層建筑的問超高題則被進一步放大。在面對臺風，火災，地震等災害的時候，高層建筑更容易發生坍塌問題，因此，安全問題是高層建筑最為人所關注的一點。在對高層建筑進行設計時，設計時除了要考慮到建筑的美觀，實用性以外，考慮最多的還是建筑的安全問題[1]。

2.2 扭轉問題

在建筑領域，扭轉問題是非常關鍵和核心的一個問題，在世界范圍內都受到了普遍的關注和研究。高層建筑對扭轉設計直接關乎到高層建筑地理自然災害的能力，尤其是在面對臺風和地震時，建筑的扭轉問題直接關乎到建筑的安全性。建筑在進行設計和施工時，因為某些不可抗的因素難免的會出現建筑的不平衡，不對稱。在低層建筑中，這種不平衡，不對稱可以被忽略不計，而在高層建筑中，這種不對稱、不平衡則可能會釀成災難性的后果。

2.3 荷載與高度問題

在高層建筑結構設計中，要能夠考慮到建筑的防震和防風效果，而且，在具體的設計中一方面要能夠考慮到建筑自身的高度，另一方面則需要考慮到建筑的水平荷載力。水平荷載力主要作用于建筑的防震效果，所以在結果設計過程中，處于安全方面的考慮，要對建筑的水平荷載力予以明確[2]。

2.4 重視軸向變形問題

通常情況下，高層建筑在豎直方向會產生巨大的荷載，所以在荷載力的影響下出現軸向變形的幾率相對較大，所以設計人員必須對這一情況引起足夠的重視。在出現上述情況時，連續梁支座負彎矩數值迅速降低，正彎矩迅速升高，針對這一情況，設計人員需要通過細致的觀察，并在觀察中對構件進行對比，并進行相應的計算，還要對構件的下料距離作出判斷，然后合理分配下料。

2.5 邊柱節點設計

隨著城鎮化建設的不斷加快，不論是民用建筑還是工用建筑，大部分都是以高層或多層的形式出現，也正是因為建筑工程高度的增多，才使得建筑工程的內部結構壓力逐步增加。邊柱節點的設計在建筑工程的框架結構設計中始終都屬于比較繁雜的一項設計工作，尤其是對高層建筑的框架結構中頂層風荷載力的設計。在大多數的高層建筑的最頂端，都會出現房柱偏離中心的現象，從而致使高層建筑的最頂層的邊柱節點偏離中心只有0.5倍的柱截面高度。一旦出現此類問題，相關人員就需要結合著建筑工程的實際情況進行整改。

2.6 幕墻設計

對專業分包模型及結構模型進行整合設計，通過對幕墻埋件和鋼梁、土建鋼筋節點綜合優化，發現碰撞點75處，通過調整幕墻埋件位置，鋼骨梁開洞位置和鋼筋施工前畫線定位，已將75處碰撞位置全部解決，通過跨專業的協同設計，及時發現了問題，更改了相應位置的圖紙，避免造成二次施工的情況，節約了大量資源。

3 節點精細化分析方法

3.1 位移等效準則

節點分析通常有兩種做法。比較常見的是建立節點有限元細化模型，提取總體計算的內力作為荷載施加到有限元模型上進行各種計算，這種方法比較直觀，但無法揭示節點與主體結構的相互影響，在臨近極限點時容易發生計算不收斂的情況。另一種是嵌入式的節點精細化分析方法，該方法隨著計算能力的提高在工程中也正逐漸得到應用。

所謂嵌入式的節點分析，即將某些節點的細化有限元模型嵌入整體模型中進行統一分析。通過在桿單元(整體模型)與殼單元/實體單元(節點有限元模型)之間設置合理的耦合連接單元以傳遞內力。統一的分析能夠使細部有限元節點的邊界條件同真實受力完全一致，可以大大簡化邊界加載的難度，這種方法對嵌入少量節點的計算比較方便。由于采用了位移加載方式，非線性計算的收斂性得到很大提高。

3.2 Y形交叉節點分析——以Pushover計算為例

整體結構的Pushover計算采用了PKPM的Push模塊進行，節點精細化模型則采用了ABAQUS有限元軟件進行靜力彈塑性分析。Pushover主要考慮結構和構件層面的性能，對于節點能否滿足要求是無法判定的。

對于鋼梁、加勁肋以及鋼管，本文選擇4節點完全積分格式的殼單元（S4）對其進行模擬，其厚度方向采用9個積分點的Simpson積分；核心混凝土采用8節點縮減積分格式的三維實體單元（C3D8R）。節點區域采用了Q345B鋼材材性，單調加載下選用二次塑流模型的本構關系，其中屈服強度為345MPa，彈性模量取206GPa，彈性階段泊松比取0.3[3]。

4 結語

綜上所述，隨著人類社會與文明的不斷發展，建筑多樣化正成為當前建筑發展的趨勢，尤其是復雜高層建筑多樣化。人們更加傾向于把其作為城市的地標建筑來對待，由此可見復雜高層建筑在人們心中的重要地位。進一步提出優化復雜高層建筑結構的對策，有利于推動我國建筑行業的發展，為進一步促進高層建筑安全性能的提高奠定理論基礎。