国家金融信息大厦关键节点分析与设计

杨华松,丁大益,李　聪,牛忠荣

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥　230009;2.中国五洲工程设计集团有限公司,北京　100053)



国家金融信息大厦关键节点分析与设计

杨华松1,丁大益2,李聪1,牛忠荣1

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥230009;2.中国五洲工程设计集团有限公司,北京100053)

摘要:国家金融信息大厦采用框架/密柱筒-核心筒结构体系,在第59～60层设置了转换层。文章采用有限元法对转换层结构在各工况下进行了强度和稳定性分析,确定了危险工况及其对应的关键节点,并对关键节点进行了构造设计和力学分析,依据分析结果提出了设计方案,可供类似工程参考。

关键词:转换层;节点;有限元法;强度分析;稳定性

近年来,高层建筑向着功能多样、体型复杂的综合性方向发展[1]。在同一建筑中,沿房屋高度方向建筑功能要发生变化,如上部楼层布置旅馆、住宅;中部楼层作为办公用房;下部楼层作为商店、餐馆或者娱乐设施等。这种不同用途的楼层需要采用不同的结构形式。在同一建筑中,沿房屋高度方向建筑体型发生变化,同样也需要采用不同的结构形式。一般而言,当高层建筑下部楼层竖向结构体系或者形式与上部楼层差异较大,或者下部楼层竖向结构轴线距离扩大或上部结构与下部结构轴线错位时,应在结构改变的楼层设置结构转换层[2]。同时为了实现造型别致的建筑效果,往往需要设计复杂的空间结构方案,从而导致结构设计和节点设计的难度增大。设计形式各异的复杂空间节点以满足建筑和结构的安全可靠,成为结构设计者必须解决的问题[3]。

本文以国家金融信息大厦为研究背景,采用有限元分析软件ABAQUS对结构转换层进行强度分析,并针对转换层结构的关键节点,截取其周围的局部结构,建立三维壳体的力学模型。本研究通过整体结构分析结果获取截断处的位移和内力,采用有限元法对局部节点结构在地震和常规载荷下进行应力强度分析,并设计节点的连接方式和关联构件的截面尺寸。

1工程概况

国家金融信息大厦位于北京市丽泽金融商务区,其主体结构采用框架/密柱筒-核心筒结构体系。建筑高度360 m,地下4层,地上81层,其中第8、21、34、47及60层为避难层,如图1所示。整体结构形式在转换层处发生变化,第60层为方形变圆形的转换,第61层及以上楼层荷载均通过32根密筒柱传递到转换桁架上,第60层结构设计大样图如图2所示。

图1　金融大厦整体结构图

图2　转换层结构图

国家金融信息大厦转换层(第59层和第60层)高9.2 m,包含设备层和避难层。转换层由钢管混凝土柱、环带桁架和钢梁形成的外框架、转换桁架以及核心筒组成。核心筒与外框架通过8根截面为900 mm×600 mm的箱型梁相连,箱型梁截面壁厚为60 mm,增强了核心筒与外框架的协同工作性能;转换桁架弧形上下弦杆中间布置32根密筒柱,作为桁架的腹杆,在密筒柱之间设置有交叉的腹杆;密筒柱体中部8根柱由下部外框架的矩形钢管混凝土柱直接转换为圆钢管柱,其余24根圆钢管柱锚入转换桁架中。

2结构的设计方法

国家金融信息大厦结构是基于性能的设计方法,根据不同的结构构件在整体安全性中所起的作用,采取了不同的设计标准,对结构整体安全具有重要作用的结构构件,提高了设计标准。例如,转换桁架弦杆按照大震不屈服、允许进入塑性、控制塑性变形的要求进行设计,而支撑按照大震允许轻度损坏、部分中度损坏的要求进行设计[4]。

基于性能设计一般仅对结构体系及不同部位的结构构件加以区分,并提出了相对具体、明确的设计和验算要求。而对于节点则通常仅给出节点破坏晚于构件、节点保持弹性等要求,实际操作中因为节点所处部位及连接构件的性能要求不同,因此所采用的节点设计指标也应有所差异。采用统一的设计方法则可能造成材料强度不能充分发挥、节点设计不安全等问题。基于性能化的设计原则,在设计国家金融信息大厦转换层关键节点时,针对不同性能水准的结构构件,其节点设计时采用了与构件相匹配的不同性能水准,针对不同的性能要求采取相应的设计验算指标,以确保整体结构体系性能要求的实现[5-7]。国家金融信息大厦结构预期震后性能见表1所列。

表1　罕遇地震下结构预期的性能状况

由于结构分析模型依据构件尺度和计算规模确定,该建筑整体结构的力学模型主要采用梁单元模拟梁柱,壳单元模拟剪力墙和楼板,计算结果用于整体结构的设计。当设计局部结构时,整体计算模型的分析结果不能描述局部应力状态,如构件连接节点结构的设计需要用局部尺度的力学分析手段。

3关键节点的选取与设计

本文按照“强节点,弱构件”的设计目标[8-9]对金融信息大厦转换层节点进行设计。节点设计包括杆件自身拼接设计和杆件汇交节点设计。节点位置示意图如图3所示。

图3　节点位置示意图

由金融信息大厦整体结构在地震作用下的模拟结果可知,转换层比其他楼层受地震作用明显,楼层变形较大,为整体结构的薄弱楼层,为确保整体结构的安全使用[10-11],需对转换层结构进行分析计算。

对比分析转换层结构应力场分布情况可知,节点腹杆受力大,节点下部无支承构件,上部荷载均传递至转换桁架腹杆和转换桁架下弦杆,节点受力大且复杂,容易损坏,为危险节点,应对此节点进行局部设计。依照构件节点与构件性能相匹配的原则,对不同节点的设计要求进行区分,当节点连接的不同构件性能水准不同时,采用较高性能水准进行设计。

金融信息大厦节点设计难度主要体现在以下几点:① 节点区域内各杆件受力复杂,框架构件截面尺寸较大,众多桁架构件并非单纯承受轴力作用,而是弯距与轴力复合作用,节点设计时应充分考虑弯矩和剪力影响;② 构件截面大,板件厚、拼接难度大,易于导致应力集中;③ 节点设计必须分析各种工况下的应力分布,从整体转换层结构中提取单个节点进行设计和计算时，提取边界条件难度大,建立的节点力学模型要符合实际。

关键节点的设计分为4个阶段,具体如下:

(1)在最危险工况的内力组合下进行设计,并假设材料始终处于弹性阶段,确定组合应力最大值及其所在的位置。

(2)针对第1阶段的计算结果设计添加加劲板,通过对比节点有限元分析结果验证其效果。

(3)重复第2阶段的内容,优化加劲板的设计,提取出较适合本节点的加劲板。

(4)在第3阶段确定的加劲板基础上,放大内力,并恢复材料的弹塑性属性,对比分析有限元结果,如满足承载能力及安全性要求,则该节点设计较为合理,可以应用于工程实际。

4关键节点力学分析

4.1节点边界条件及荷载

从整体结构中提取关键节点,按结构构件相对位置及杆件大小建立节点力学模型,并对各杆件进行命名编号。设置的边界条件如下:转换桁架下弦杆1断面约束其3个方向位移,另外3个转动自由度添加荷载;转换桁架下弦杆2断面约束其竖直方向及法线方向位移,其轴向及3个转动自由度添加荷载;其余杆件断面全部添加荷载,不对自由度进行约束。

节点力学模型如图4所示,节点截断处边界条件如图5所示。

图4　节点力学模型

图5　节点力学模型截断处边界条件

罕遇地震作用下,要求转换桁架弦杆不能屈服,允许腹杆进入塑性阶段或轻微损坏。节点中转换桁架腹杆1、2受力较大,易失效。节点各杆件内力取值见表2所列。

表2　节点各杆件内力取值

4.2节点弹性分析及加劲板添加方法

节点结构有限元分析采用ABAQUS软件进行,结构有限元模型如图6所示。构件均采用四边形4节点壳单元,单元数量为36 849。构件材料均为Q460钢材,屈服强度为420 MPa,密度为7 850 kg/m3,弹性模量为210 GPa,泊松比为0.3,抗拉强度为605 MPa。假设钢材为线弹性材料,采用有限元法软件ABAQUS计算节点结构的应力场,未添加加劲板和添加加劲板的节点Mises应力云图如图7所示。

图6　节点有限元模型

图7　未添加加劲板和添加加劲板后节点应力云图

由图7a可知,未添加加劲板的节点由于圆柱的截面比下弦杆的截面大,且圆柱壁厚仅为50 mm,接触面积小,因而圆柱与下弦杆接触处应力集中现象明显,最大组合Mises应力值为1 949 MPa,远超过材料屈服强度420 MPa。

由图7b可知,添加水平加劲板后,节点结构的最大组合Mises应力值为652 MPa,远超过材料屈服强度,圆柱与下弦杆接触处应力集中问题得到解决,但由于转换桁架腹杆1为拉杆,转换桁架腹杆2为压杆,且2个杆件所受的荷载值较大,而圆柱为空心柱,柱内无传力构件,导致柱管壁承力过大,且在柱、转换桁架腹杆、下弦杆三者接触处出现应力集中现象。针对该问题在转换桁架腹杆1、2之间设置竖向加劲板,使腹杆拉压力通过加劲板直接传递,保护圆钢管柱管壁。

添加水平及竖向加劲板后,节点结构最大组合Mises应力为411 MPa,小于材料屈服应力420 MPa。由图7c可知,节点应力集中现象明显,但绝大部分区域应力相对较小,且均处于弹性范围内。因此该设计较为合理,可以应用于工程实际。

加劲板位置及尺寸如图8所示。

图8　加劲板布置图

4.3节点结构弹塑性分析

超高层建筑的安全指标比一般建筑高,需对其关键部位进行弹塑性分析,以确保结构安全。添加加劲板后的节点最大应力被控制在材料屈服强度范围内,因而在弹性范围内可以确保结构安全。

现人为扩大节点各杆件内力,可判断节点的弹塑性应力状态、节点进入塑性状态的时间、进入塑性状态后应力的扩展以及节点失效的时间。

将表2中节点各杆件内力值进行放大,当某根杆件应力值全部超过钢材屈服强度时,可认为该节点失效。钢材的应力应变采用双折线模型,Q460钢材的力学性能实验曲线和双折线模型曲线如图9所示。根据图9可建立Q460钢材的材料属性。

图9　材料性能曲线

根据表2中内力值数据,将节点处各杆件截面内力取值分别放大1.3、1.5和1.8倍后再次进行计算分析,有限元模型及边界条件均不变。采用软件ABAQUS进行节点结构强度分析,计算结果如图10所示。

图10　不同放大系数下节点组合的Mises应力云图

由图10可知,最大组合Mises应力分别为467、468、537 MPa。随着内力放大系数的不断增大,节点首先失效的杆件是转换桁架腹杆1,其次是转换桁架腹杆2。

其中,当放大系数为1.8时,转换桁架腹杆1的组合应力均已超过460 MPa。弧形转换桁架腹杆1、腹杆2以及下弦杆、圆钢管柱相对较为安全。

5斜腹杆稳定性分析

经节点设计和有限元分析计算得出节点强度满足要求。而与节点相连接的转换桁架腹杆呈受力大、杆件长、截面相对较小等特点,属于细长杆件,下面计算其杆件稳定性。根据文献[8],实腹式轴心受压构件稳定性的计算公式为:

(1)

其中,N为构件轴向压力;φ为轴心受压构件稳定性系数;A为截面面积;f为材料屈服强度,本文取420 MPa。

该腹杆为箱型横截面,尺寸为500 mm×500 mm,厚度为50 mm,构件长度为7.5 m。由文献[8]得出φ=0.783。由表2可知,转换桁架斜腹杆2所受轴向压力为21 900 kN。由 (1)式计算得出轴心受压构件的承载力为310.77 MPa,小于材料屈服强度420 MPa,表明该杆件未失稳，其余杆件均满足稳定性要求。

6结论

本文建立了国家金融信息大厦转换层(第59～60层)的力学分析模型,采用有限元法计算其在各地震组合工况下的应力大小,并根据计算结果选取应力水平较大的节点；提出节点结构加劲板设计方法,运用有限元法对节点进行强度分析,并最终确定了加劲板设计方案。结论如下:

(1)对关键节点以及加劲板的局部结构建立三维力学模型,采用有限元软件ABAQUS分析得出关键节点最大Mises组合应力为411 MPa,小于Q460钢材的许用屈服强度(420 MPa)。节点加劲板设计方法合理。

(2)节点处杆件各截面内力分别放大1.3、1.5、1.8倍，采用弹塑性模型有限元分析可得:① 当内力值放大1.3倍时,节点最大组合应力值几乎保持不变,为467 MPa,但其他区域,如转换桁架腹杆,整体应力明显增大;② 当内力值放大1.5倍时，转换桁架腹杆1、2均有部分区域应力值超过钢材的屈服强度(460 MPa);③ 当内力值放大1.8时,节点最大组合应力值达到537 MPa,转换桁架腹杆1全部进入塑性状态,转换桁架腹杆2大部分进入塑性状态,认为此时腹杆1退出工作,节点失效。

(3)本文提出的节点设计过程和方案对国家金融信息大厦转换层的其他节点以及其他建筑结构中类似节点的设计具有借鉴意义。

[参考文献]

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[4]丁浩民,李久鹏,何志军.上海中心大厦巨型框架关键节点设计研究[J].建筑结构学报,2010,32 (7): 31-39.

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[9]GB 50011—2010,建筑抗震设计规范[S].

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(责任编辑闫杏丽)

Analysis and design of key joints of National Financial Information Building

YANG Hua-song1，DING Da-yi2,LI Cong1,NIU Zhong-rong1

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.China Wuzhou Engineering Design Group Co.,Ltd.,Beijing 100053,China)

Abstract:The National Financial Information Building with the height of 360 m is a mega frame-core-tube structural system,in which the 59th and 60th floors are its conversion layer. In this paper,the structural strength and stability of the conversion layer in the building subjected to various load conditions were analyzed by using the finite element method. Based on the results of the finite element analysis(FEA)of the conversion layer structure,a typical key joint was separated from the conversion layer structure with the corresponding boundary condition under the dangerous load conditions. Then the structural design and mechanics analysis of the key joint were conducted. Then the joint design schemes were proposed and evaluated based on the results of the re-analysis. The study can provide a reference for the similar engineering.

Key words:conversion layer;joint;finite element method;strength analysis;stability

收稿日期：2015-02-06；修回日期：2015-04-13

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11272111;11372094)

作者简介：杨华松(1990-),男,安徽安庆人,合肥工业大学硕士生; 牛忠荣(1957-),男,安徽合肥人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.06.016

中图分类号:TU972.3

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)06-0795-06