某复杂高层建筑混合结构及其节点性能化分析

袁存喜

齐鲁制药有限公司 山东济南 250100

1 项目概况

某建筑工程结构形式为型钢混凝土外框、钢筋混凝土核心筒混合结构，总建筑面积24.6万m2，地下4层、地上41层，建筑高度为202.8m，由裙楼、地下室及塔楼（A、B两栋）构成。

2 结构设计简述

2.1 超高问题

高层建筑在功能和美观上都更受人们的欢迎，但是在抵抗自然灾害上，高层建筑的问超高题则被进一步放大。在面对台风，火灾，地震等灾害的时候，高层建筑更容易发生坍塌问题，因此，安全问题是高层建筑最为人所关注的一点。在对高层建筑进行设计时，设计时除了要考虑到建筑的美观，实用性以外，考虑最多的还是建筑的安全问题[1]。

2.2 扭转问题

在建筑领域，扭转问题是非常关键和核心的一个问题，在世界范围内都受到了普遍的关注和研究。高层建筑对扭转设计直接关乎到高层建筑地理自然灾害的能力，尤其是在面对台风和地震时，建筑的扭转问题直接关乎到建筑的安全性。建筑在进行设计和施工时，因为某些不可抗的因素难免的会出现建筑的不平衡，不对称。在低层建筑中，这种不平衡，不对称可以被忽略不计，而在高层建筑中，这种不对称、不平衡则可能会酿成灾难性的后果。

2.3 荷载与高度问题

在高层建筑结构设计中，要能够考虑到建筑的防震和防风效果，而且，在具体的设计中一方面要能够考虑到建筑自身的高度，另一方面则需要考虑到建筑的水平荷载力。水平荷载力主要作用于建筑的防震效果，所以在结果设计过程中，处于安全方面的考虑，要对建筑的水平荷载力予以明确[2]。

2.4 重视轴向变形问题

通常情况下，高层建筑在竖直方向会产生巨大的荷载，所以在荷载力的影响下出现轴向变形的几率相对较大，所以设计人员必须对这一情况引起足够的重视。在出现上述情况时，连续梁支座负弯矩数值迅速降低，正弯矩迅速升高，针对这一情况，设计人员需要通过细致的观察，并在观察中对构件进行对比，并进行相应的计算，还要对构件的下料距离作出判断，然后合理分配下料。

2.5 边柱节点设计

随着城镇化建设的不断加快，不论是民用建筑还是工用建筑，大部分都是以高层或多层的形式出现，也正是因为建筑工程高度的增多，才使得建筑工程的内部结构压力逐步增加。边柱节点的设计在建筑工程的框架结构设计中始终都属于比较繁杂的一项设计工作，尤其是对高层建筑的框架结构中顶层风荷载力的设计。在大多数的高层建筑的最顶端，都会出现房柱偏离中心的现象，从而致使高层建筑的最顶层的边柱节点偏离中心只有0.5倍的柱截面高度。一旦出现此类问题，相关人员就需要结合着建筑工程的实际情况进行整改。

2.6 幕墙设计

对专业分包模型及结构模型进行整合设计，通过对幕墙埋件和钢梁、土建钢筋节点综合优化，发现碰撞点75处，通过调整幕墙埋件位置，钢骨梁开洞位置和钢筋施工前画线定位，已将75处碰撞位置全部解决，通过跨专业的协同设计，及时发现了问题，更改了相应位置的图纸，避免造成二次施工的情况，节约了大量资源。

3 节点精细化分析方法

3.1 位移等效准则

节点分析通常有两种做法。比较常见的是建立节点有限元细化模型，提取总体计算的内力作为荷载施加到有限元模型上进行各种计算，这种方法比较直观，但无法揭示节点与主体结构的相互影响，在临近极限点时容易发生计算不收敛的情况。另一种是嵌入式的节点精细化分析方法，该方法随着计算能力的提高在工程中也正逐渐得到应用。

所谓嵌入式的节点分析，即将某些节点的细化有限元模型嵌入整体模型中进行统一分析。通过在杆单元(整体模型)与壳单元/实体单元(节点有限元模型)之间设置合理的耦合连接单元以传递内力。统一的分析能够使细部有限元节点的边界条件同真实受力完全一致，可以大大简化边界加载的难度，这种方法对嵌入少量节点的计算比较方便。由于采用了位移加载方式，非线性计算的收敛性得到很大提高。

3.2 Y形交叉节点分析——以Pushover计算为例

整体结构的Pushover计算采用了PKPM的Push模块进行，节点精细化模型则采用了ABAQUS有限元软件进行静力弹塑性分析。Pushover主要考虑结构和构件层面的性能，对于节点能否满足要求是无法判定的。

对于钢梁、加劲肋以及钢管，本文选择4节点完全积分格式的壳单元（S4）对其进行模拟，其厚度方向采用9个积分点的Simpson积分；核心混凝土采用8节点缩减积分格式的三维实体单元（C3D8R）。节点区域采用了Q345B钢材材性，单调加载下选用二次塑流模型的本构关系，其中屈服强度为345MPa，弹性模量取206GPa，弹性阶段泊松比取0.3[3]。

4 结语

综上所述，随着人类社会与文明的不断发展，建筑多样化正成为当前建筑发展的趋势，尤其是复杂高层建筑多样化。人们更加倾向于把其作为城市的地标建筑来对待，由此可见复杂高层建筑在人们心中的重要地位。进一步提出优化复杂高层建筑结构的对策，有利于推动我国建筑行业的发展，为进一步促进高层建筑安全性能的提高奠定理论基础。