晟通連體超高層節(jié)點(diǎn)性能分析

李鵬

（湖南省建筑設(shè)計(jì)院集團(tuán)股份有限公司，長沙 410011）

1 工程概況

晟通梅溪湖國際總部中心二期項(xiàng)目位于長沙市。主要功能為商業(yè)及公寓，兩棟超高層高度分別為249.4 m和199.4 m，兩棟樓在154.4～163.4 m高度處通過3層樓蓋連接形成連體結(jié)構(gòu)，圖1所示為兩棟超高層建筑剖面圖。

圖1 兩棟超高層建筑剖面圖

2 結(jié)構(gòu)體系

本工程地上部分裙房采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，兩棟超高層均采用鋼筋混凝土框架-核心筒-伸臂桁架結(jié)構(gòu)。本工程A塔高度為249.4 m，高寬比為7.13，核心筒高寬比為23.09；B塔高度為199.4 m，高寬比為6.43，核心筒高寬比為19.17。核心筒高寬比均較大，單棟結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度較弱，獨(dú)立的單棟建筑均需設(shè)置3～4道加強(qiáng)層，結(jié)構(gòu)層間位移角及剛重比才滿足現(xiàn)有規(guī)范要求。通過設(shè)置連體結(jié)構(gòu)，兩棟塔樓核心筒正交布置（見圖2），可相互提供弱軸方向的側(cè)向剛度。

圖2 連體層布置圖

3 連接體分析

連接體對(duì)連體超高層建筑尤為重要，本工程對(duì)連接體在風(fēng)荷載作用下和設(shè)防烈度為6度的地震力作用下的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力性能進(jìn)行了分析計(jì)算。整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果表明，連接體可以滿足GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]，也可以滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）[2]設(shè)定的C級(jí)抗震性能目標(biāo)。對(duì)連體超高層進(jìn)行大震工況下的計(jì)算分析分析了連接體的變形情況。圖3b給出了大震下連接體節(jié)點(diǎn)的豎向位移時(shí)程曲線，由圖3c和圖3d可知，大震下連接體兩側(cè)位移基本一致，表明連接體能夠可靠地連接兩棟建筑，并有效地傳遞水平力。連體結(jié)構(gòu)在大震下，仍然可以保持連接狀態(tài)兩塔可以協(xié)同工作，共同抵抗水平荷載。

圖3 大震下連接體位移時(shí)程曲線圖

4 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析

節(jié)點(diǎn)可靠是構(gòu)件之間傳力的基本保證，按照J(rèn)GJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]的要求，對(duì)本工程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：角部伸臂桁架、連接體與框架柱的連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，連接體桁架節(jié)點(diǎn)有限元模型如圖4所示。

圖4 連接體桁架節(jié)點(diǎn)有限元模型

4.1 分析模型

本工程采用Midas FEA通用有限元程序?qū)ι鲜龉?jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。鋼骨與混凝土均采用實(shí)體單元，混凝土與鋼骨共用節(jié)點(diǎn)，以保證兩者變形協(xié)調(diào)。外框柱的縱筋采用實(shí)體單元中的鋼筋模擬，用戶定義鋼筋線，通過前處理過程鋼筋線與母單元產(chǎn)生交點(diǎn)將鋼筋線自動(dòng)分割成鋼筋段，鋼筋段的坐標(biāo)點(diǎn)信息將用于計(jì)算添加在母單元上的鋼筋的剛度和內(nèi)力。

4.2 材料模型

鋼材擬采用Q345B，屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取為345MPa，彈性模量取2.06×105MPa，采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，強(qiáng)化段彈性模量取2.06×103MPa[4]。鋼材所采用的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5a所示。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，抗壓抗拉強(qiáng)度采用GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]（2015年版）中的規(guī)定，混凝土單軸受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線采用GB 50010—2010規(guī)定公式，但不考慮下降段采用平直線替代。混凝土所采用的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5b所示。

圖5 材料模型

4.3 邊界條件及荷載

采用簡化的邊界約束方式，外框柱的下底端采用鉸接約束，頂部約束水平平動(dòng)。其他構(gòu)件截面端施加荷載；根據(jù)PKPM-SAUSAGE大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析過程得到的各構(gòu)件最大內(nèi)力，施加到相應(yīng)的構(gòu)件截面上。

4.4 有限元分析結(jié)果

大震作用下節(jié)點(diǎn)鋼骨的Von Mises應(yīng)力云圖如圖6a所示，鋼骨最大Von Mises應(yīng)力為174.6 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在斜撐與節(jié)點(diǎn)板的交接位置。鋼骨總體應(yīng)力水平均在Q345屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取為345 MPa以下，說明節(jié)點(diǎn)區(qū)域能較好地分散應(yīng)力傳遞，緩解應(yīng)力集中。

節(jié)點(diǎn)區(qū)域混凝土第一主應(yīng)力云圖如圖6b所示。混凝土最大主壓應(yīng)力為26.9 MPa，未出現(xiàn)混凝土壓碎現(xiàn)象。

外框柱內(nèi)縱筋的軸向應(yīng)力云圖如圖6c所示。最大軸向應(yīng)力為271.8 MPa，未出現(xiàn)鋼筋屈服現(xiàn)象。

節(jié)點(diǎn)有限元分析表明：（1）混凝土在大震作用下未出現(xiàn)拉裂，未出現(xiàn)壓碎；（2）鋼骨在大震作用下未屈服，主體保持為彈性工作狀態(tài)，且有很大的富余度；（3）外框柱內(nèi)縱筋未屈服。從整個(gè)節(jié)點(diǎn)受力性能來看，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)符合抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié)語

隨著國內(nèi)超高層建設(shè)和設(shè)計(jì)水平的不斷發(fā)展，連體超高層越來越多地出現(xiàn)在大型商業(yè)綜合體中，而剛性連接是較為推薦的一種連體方式。通過在晟通梅溪湖總部連體超高層建筑整體分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)有限元分析。分析結(jié)果表明，本工程所采用的型鋼鋼骨混凝土節(jié)點(diǎn)在大震彈塑性工況內(nèi)力作用下，型鋼鋼骨、混凝土和鋼筋均未出現(xiàn)破壞，并有一定的富余，連接體采用這種節(jié)點(diǎn)形式是安全可靠的。