某超高層建筑斜撐—柱轉換結構節點力學性能分析

陳萬慶 楊 迪 王 智

(1.廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004； 2.中鐵建設集團有限公司南寧分公司，廣西 南寧 530000)

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某超高層建筑斜撐—柱轉換結構節點力學性能分析

陳萬慶1楊 迪2王 智2

(1.廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004； 2.中鐵建設集團有限公司南寧分公司，廣西 南寧 530000)

為了研究斜撐—柱轉換結構節點在最不利內力下的應力分布和變形情況，利用有限元軟件ABAQUS對其進行了數值建模和分析，結果表明，在最不利內力下，該類型上下節點均滿足承載力要求；在中震作用下節點處于彈性狀態，節點的力學性能能夠達到設計目標。

超高層建筑，斜撐—柱轉換結構，力學性能，最不利內力

斜撐—柱轉換結構節點是指處于斜向構件和垂直構件之間的節點，已成功運用于部分高層和超高層建筑當中，其可靠性是結構安全和構件能夠充分發揮作用的重要影響因素。評估該類型節點的受力性能，通?？梢圆捎迷囼灧绞交蛘吣M方式[1-5]；與試驗方式相比，有限元模擬方式通過建立數值模型，可以開展參數化分析，并能夠較全面地了解受力情況。為了研究廣西某超高層建筑斜撐—柱轉換結構節點力學性能，利用有限元軟件ABAQUS對其進行了建模分析，以確保該節點承載力及剛度滿足要求。

1 工程概況

廣西九洲國際位于南寧市東新區，總建筑面積約21.43萬 m2，其中：地上建筑面積約16.2萬 m2，地下室建筑面積約5.23萬 m2，建筑物總高度為301.6 m。按照建筑立面造型及平面使用功能的要求，西側2根φ1 500×35鋼管混凝土角柱在地下1層通過2根φ1 100×25鋼管混凝土斜撐轉換為2根φ1 100×22鋼管混凝土柱，東側2根φ1 450×32鋼管混凝土角柱通過2根φ1 050×25鋼管混凝土斜撐轉換為2根φ1 050×22鋼管混凝土柱，斜撐—柱轉換采用倒三角型自平衡受力體系，利用900×950×50×25焊接鋼箱梁平衡鋼管混凝土斜撐的推力。

2 建模方法

運用有限元計算軟件ABAQUS對斜撐—柱轉換結構節點的力學性能進行分析，圖1為工程實物圖。通過比較結構節點的實際承載“能力”與承載目標性能“需求”來判斷結構節點是否滿足期望實現設計需求。整體模型包含鑄鋼部分、混凝土部分和鋼梁部分等，并根據各類部分的不同受力特點，分別從應力和變形等方面進行了分析。各材料的剛度、強度等參數依據GB 50010—2010混凝土結構設計規范、JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程和GB 50936—2014鋼管混凝土結構技術規程選取，本工程采用鑄鋼節點，材料為低合金鑄鋼GS20Mn5，設計強度235 MPa。鋼材和混凝土單位節點之間采用直接耦合的方法。

2.1 節點的模型建立

1)上節點。圖2為上節點實體有限元模型網格劃分示意圖，節點區域桿件規格為(構件位置見圖1)：左斜柱為φ(800～1 100)×100，右斜柱為φ1 100×φ100，上柱φ(900～1 100)×100。鑄鋼材質采用GS20Mn5，經調質處理。屈服強度300 MPa，設計強度為235 MPa。鑄鋼管內澆筑混凝土，強度等級C60。2)下節點。下節點實體有限元模型網格劃分類似于上節點，節點區域桿件規格為：斜柱φ(1 100～1 500)×100，下柱φ1 500×150，H型鋼規格：H800×500×50×50，另設置一塊連接板與樓面鋼梁連接，其規格為50×800。鑄鋼材質采用GS20Mn5，經調質處理。鑄鋼管內澆筑混凝土，強度等級C60。

2.2 荷載的施加和邊界條件

在整體計算模型中提取最不利內力，進行非抗震或多遇地震作用下最不利組合，得到節點內力設計值。上節點各桿件的內力分別為：左斜柱軸力為20 085 kN(壓力)；右斜柱軸力為28 966 kN(壓力)，平面內和平面外彎矩為1 648 kN·m和-3 688 kN·m；在分析模型中，僅在上柱頂施加固端約束。下節點各桿件的內力分別為：斜柱的軸力為28 966 kN(壓力)，彎矩為-3 688 kN·m；H型鋼構件的軸力為16 836 kN(拉力)；且在分析模型中，僅在下柱底施加固端約束。

3 計算結果

3.1 應力分布

1)上節點。圖3和圖4分別為上節點的鑄鋼部分和混凝土部分在最不利內力下的Mises應力云圖。上節點的鑄鋼部分在最不利內力下的最大應力為223.7 MPa，主要分布于豎向柱右側上部，未超出設計強度235 MPa。混凝土部分的最大應力24.86 MPa(受壓)，未超出混凝土強度設計值27.5 MPa。2)下節點。圖5和圖6分別為下節點的鑄鋼部分和混凝土部分在最不利內力下的Mises應力云圖。在最不利內力下，下節點的鑄鋼部分除H型鋼上下翼緣與鋼管相貫連接的局部區域因應力集中，Mises應力超出鑄鋼材料設計強度，最大值為311.3 MPa，超過屈服強度300 MPa，不過此處制作時可以澆鑄倒角的方法消除應力集中，其余區域的Mises應力均未超出設計強度235 MPa；混凝土部分，應力均未超出C60的設計強度27.5 MPa，較大應力分布于左右斜柱上部，在斜柱與豎向柱交界處較小。

3.2 變形情況

1)上節點。如圖7所示為上節點在最不利內力下的最大變形，與右斜柱桿件連接的管口變形最大，為3.29 mm，考慮到節點的右斜柱連接管長度1 400 mm，管口最大變形/管長=1/424；豎向柱區域的鑄鋼部分和混凝土部分變形較小。2)下節點。從圖8的下節點位移云圖可以看出，斜柱端部和水平H型鋼拉梁端部變形位移最大，達到1.38 mm；且變形位移由斜柱區域向豎向柱區域方向逐漸減小。

4 結語

1)在最不利內力下，上節點的鑄鋼部分和混凝土部分的Mises應力均未超出設計強度，滿足承載力要求；下節點的鑄鋼部分除H型鋼上下翼緣與鋼管相貫連接的局部區域外，其余區域和混凝土部分的Mises應力均未超出設計強度；出現超出區域是由于產生了應力集中，可在制作時采用澆鑄倒角的方法消除應力集中。

2)上節點與右斜柱桿件連接的管口在最不利內力下變形最大，達到3.29 mm，是桿件長度的1/424；下節點斜柱端部和水平H型鋼拉梁端部位移最大，達到1.38 mm。

3)斜撐—柱轉換結構節點的受力性能模擬分析表明，此類型的超高層建筑節點具有很好的力學性能，能滿足設計要求，所采用的分析方法可為類似超高層建筑的節點受力性能分析提供參考。

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Mechanical property study on the bracing-strut transforming joints of a super high-rise building

Chen Wanqing1Yang Di2Wang Zhi2

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,GuangxiUniversity,Nanning530004,China;2.NanningBranchCompany,ChinaRailwayConstructionGroupCo.,Ltd,Nanning530000,China)

In order to study the stress distribution and deformation of bracing-strut transforming joints under the max inner force, the finite element software ABAQUS is used to analyze the upper and lower joints of the batter post, the results show that these type of joints meet the requirements of carrying capacity under the max inner force, and the deformation of it still be in elastic stage under the middle earthquake. The mechanical property and the performance of these joints are well.

super high-rise building, bracing-strut transforming, mechanical property, the max inner force

1009-6825(2017)10-0061-02

2017-01-24

陳萬慶(1992- )，男，在讀碩士

TU311

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