寬扁轉換梁節點有限元分析

何承高 HE Cheng-gao；張宇博 ZHANG Yu-bo

（①中新旭德新能源（蘇州）有限公司，蘇州 215000；②廣州容柏生建筑結構設計事務所（普通合伙），廣州 510030；③廣州城建開發設計院有限公司，廣州 510630）

0 引言

目前，建筑市場趨于多樣化，底層商業加上層辦公或住宅的建筑功能形式越來越得到更多的青睞。但這種建筑功能形式也將導致上部結構中較多豎向構件不能落地，而結構為實現相應的建筑功能，必然會造成豎向構件的轉換。對于轉換結構，其復雜節點的有效設計是結構可靠性的重要保障之一[1]。本文以廣州某框支剪力墻結構為工程背景，采用MIDAS FEA NX有限元軟件對其寬扁轉換梁柱關鍵節點進行計算分析，以確定該節點滿足結構在罕遇地震下的抗震性能目標要求[2]。

1 工程概述

本工程結構高度119.25m，為一棟B級高度的框支剪力墻結構，轉換層位于第13層，屬于高位轉換。本次復雜轉換梁柱節點布置如圖1所示。

圖1 轉換層局部平面布置圖

首先，采用YJK軟件進行大震等效彈性分析，提取該節點中各桿件的內力；其次，根據圖1中各構件的尺寸，利用MIDAS FEA NX建立節點有限元模型；然后，對有限元模型進行網格劃分，并在模型中施加上述桿件內力以及邊界條件；最后，設置分析工況進行求解計算，并根據分析結果判斷節點是否滿足罕遇地震下的結構抗震性能目標要求（罕遇地震下抗彎、抗剪不屈服）[3]。

2 節點設計及建模

根據圖1及表1所示截面尺寸，建立節點有限元分析模型如圖2所示。節點中各構件的邊界條件及荷載分別詳見表1和表2。值得注意的是：第一，由于建筑凈高的限制，節點位置轉換梁高度設置為1000mm，轉換梁采用寬扁梁；第二，有限元模型未建立樓板，不考慮樓板對轉換梁的有利約束作用；第三，模型中各構件內部鋼筋和型鋼按YJK小震及大震計算模型包絡結果進行配置，荷載按YJK大震不屈服模型下的最不利內力工況（1.0D+0.5L-1.0Ex）進行取值。

表1 截面尺寸及邊界條件

表2 荷載取值

圖2 轉換梁柱節點有限元分析模型

此外，本模型中，柱、墻砼強度等級為C60，梁砼強度等級為C45，型鋼采用Q390GJ，除框支柱縱筋采用HRB500外，其余鋼筋均采用HRB400。各材料具體參數參考《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）[4]和《鋼結構設計標準》（GB50017-2017）[5]。其中，鋼筋和型鋼本構采用雙折線模型，混凝土本構采用彌散裂縫模型[6]。

3 節點分析結果

3.1 計算結果分析

根據計算結果，轉換梁縱筋最大應力約為357MPa；框支柱縱筋最大應力約為249MPa。二者均處于彈性狀態，滿足抗彎不屈服的性能目標要求。

圖3 展示了寬扁轉換梁及框支柱的箍筋應力云圖。從圖中可知，轉換梁箍筋最大應力為400MPa；框支柱箍筋最大應力約為381MPa。分析結果表明，框支柱箍筋滿足抗剪不屈服的性能目標要求；而轉換梁中部分箍筋已屈服，不滿足性能目標要求，且換梁中屈服的箍筋出現在次梁（桿件2-1）與寬扁轉換梁的搭接位置。

圖3 轉換梁、框支柱箍筋應力云圖

圖4展示了寬扁轉換梁和框支柱內置型鋼的Von Mises應力云圖，型鋼最大應力約為235MPa，小于Q390GJ的屈服強度，滿足性能目標要求。

圖4 型鋼Von Mises應力云圖

根據上述分析結果，可知：

①寬扁轉換梁和框支柱內的縱筋、型鋼均能夠滿足罕遇地震下的性能目標要求；

②框支柱內箍筋應力小于HRB400鋼筋屈服強度標準值，滿足抗剪不屈服性能目標要求；寬扁轉換梁在次梁（桿件2-1）搭接位置的部分箍筋應力達到鋼筋屈服強度，即節點存在局部位置不滿足抗剪不屈服性能目標要求。

考慮到次梁與寬扁轉換梁搭接位置存在應力集中現象，結構在該搭接區域需采取加強措施。本文考慮在次梁（桿件2-1）端部設置型鋼，以實現次梁與寬扁轉換梁間荷載的有效傳遞。

3.2 加強模型

本文擬在次梁端部設置型鋼（H500×200×18×18），型鋼自轉換梁邊延伸入次梁內500mm。按此布置建立加強模型，得到計算結果如圖5～圖6所示。

圖6 加強模型中型鋼Von Mises應力云圖

從圖中可以看出：第一，寬扁轉換梁內的箍筋應力得到顯著降低，最大應力約為248MPa，遠小于HRB400鋼筋強度設計值，處于彈性狀態；第二，寬扁轉換梁內的型鋼應力仍然較小，而次梁（桿件2-1）內型鋼應力較大，最大應力約為350MPa，小于Q390GJ的屈服強度，滿足性能目標要求。

4 結論

本文以廣州某B級高度框支剪力墻結構為例，截取其中寬扁轉換梁復雜關鍵節點進行有限元分析，得出如下結論：

①次梁未設型鋼時，除寬扁轉換梁在與次梁搭接位置箍筋應力較大，不滿足抗剪不屈服的性能目標要求外，其余位置鋼筋、型鋼均能夠滿足抗彎抗剪不屈服的性能要求；而次梁補充型鋼后，寬扁轉換梁內箍筋均處于彈性狀態，新增型鋼處于不屈服狀態，滿足罕遇地震下的結構抗震性能目標要求。

②對于此類寬扁形轉換梁，當次梁內力較大時，主次梁搭接區域會存在比較明顯的應力集中現象，僅靠鋼筋很難將次梁的荷載均勻地傳遞到寬扁梁上，建議在次梁端部設置型鋼以滿足結構性能目標要求。