某超高層塔樓復雜節點分析

陳 俊

(中國中元國際工程有限公司，北京 100089)

1 工程概況

本項目(如圖1所示)位于寧波市中心區，項目總建筑面積約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，塔樓為辦公和酒店。地下室共3層，主樓地上56層，屋面結構標高243.050 m;裙房地上4層，屋面結構標高24.000 m。本工程設計使用年限為50年，抗震設防烈度為7度(0.1g)，設計地震分組為第一組，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構形式。核心筒內皮尺寸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層設置環帶桁架，44層四角的環帶桁架為懸挑桁架，同時也是轉換桁架。

2 節點分析

2.1 節點選擇

塔樓由于建筑造型引起結構體型復雜。44層環帶桁架處于結構轉換層中，并且桁架腹桿與梁柱平面有一定夾角。這些構件的連接節點非常復雜，為了保證節點在地震下的可靠性，達到“強節點弱構件”的抗震設計原則，同時考慮與節點相連的構件性能目標，對節點采用了中震彈性的性能目標進行分析校核。

本次選擇兩個關鍵節點:節點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;節點J－2位于節點J－1上側，其為轉換層上起的矩形鋼管柱與鋼梁及斜腹桿在45層的交點。節點三維圖見圖2。

采用ETABS軟件對塔樓進行多遇地震和設防地震下的整體分析，讀取模型中J－1和J－2節點所連接構件的內力(軸力、彎矩、剪力)。采用ANSYS軟件對這兩個節點進行有限元分析。ANSYS分析時，考慮幾何非線性和材料非線性，對模型進行網格劃分后，將各構件端部的斷面進行節點耦合，約束住下端柱腳耦合節點的所有平動和轉動自由度，再將從整體模型中讀取的內力施加到相應桿件的端部耦合節點上。

圖2 節點三維圖

節點所連接構件截面如下: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體模型，Solid65單元可以考慮混凝土單元的很多非線性性質:如混凝土在3個正交方向的開裂、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個節點，每個節點均具有3個平動自由度，此單元能夠沿空間任意方向排列，并且具有塑性蠕變、應力硬化、大變形、大應變等性能。其中鋼材強度等級為Q390GJ，混凝土強度等級為C60。

2.2 節點 J－1分析

2.2.1 節點 J－1 幾何構造

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

2.2.2 節點 J－1 分析結果

1)在多遇地震工況作用下，J－1節點鋼材應力均在200 MPa以下，節點區外的斜腹桿應力較大，符合強節點弱構件的要求，混凝土最大壓應力也小于其抗壓強度。

2)在設防地震工況作用下，J－1節點鋼材和混凝土部分的應力分布如圖3，圖4所示。

圖3 鋼構件Von Mises應力分布圖

圖4 混凝土第三主應力分布圖

由應力圖可以看出，設防地震下，整個節點區的Von Mises應力均小于屈服強度。斜腹桿與節點區相連的局部區域由于應力集中出現屈服，不影響節點的性能。混凝土最大壓應力27.5 MPa，小于其抗壓強度。分析結果表明，節點1在設防地震作用下可以達到中震彈性的性能目標。節點區的應力水平小于連接桿件的應力水平，可以滿足強節點弱桿件的設計要求。

2.3 節點 J－2 分析

2.3.1 節點 J－2 幾何構造

節點J－2在鋼管柱與鋼梁翼緣等高位置設置與翼緣等厚的水平隔板，同時在鋼管柱與鋼梁腹板連接處的對應位置的鋼管內加設豎向加勁肋，厚度為20 mm。

2.3.2 節點 J－2 分析結果

1)在多遇地震工況作用下，J－2節點鋼材的應力分布如圖5所示。由上面應力分布圖可以看出，在小震作用下節點區應力均在200 MPa以下，節點區外的斜腹桿應力較大，符合強節點弱構件的要求。柱底由于剛性約束的影響，局部出現應力集中，不反映實際節點情況，可以忽略。

2)在設防地震工況作用下，J－2節點鋼材的應力分布如圖6所示:節點區的應力分布較為均勻，且均小于屈服強度，節點區鋼材未進入塑性。斜腹桿加勁肋局部區域應力較大，應加大勁板厚度。柱底由于剛性約束的影響，出現應力集中，不反映實際節點情況，可以忽略。節點J－2在設防地震作用下可以達到中震彈性的性能目標，節點區的應力水平小于連接桿件的應力水平，可以滿足強節點弱構件的設計要求。

圖5 小震下鋼構件Von Mises應力分布圖

圖6 中震下鋼構件Von Mises應力分布圖

3 結語

1)本工程樓層角部轉換桁架處的復雜節點，在多遇地震和設防地震下的節點應力均小于相連構件的應力，滿足強節點弱構件的要求。2)節點在設防地震下鋼材的應力均小于屈服強度，滿足預期中震彈性的性能目標。