宽扁转换梁节点有限元分析

何承高 HE Cheng-gao；张宇博 ZHANG Yu-bo

（①中新旭德新能源（苏州）有限公司，苏州 215000；②广州容柏生建筑结构设计事务所（普通合伙），广州 510030；③广州城建开发设计院有限公司，广州 510630）

0 引言

目前，建筑市场趋于多样化，底层商业加上层办公或住宅的建筑功能形式越来越得到更多的青睐。但这种建筑功能形式也将导致上部结构中较多竖向构件不能落地，而结构为实现相应的建筑功能，必然会造成竖向构件的转换。对于转换结构，其复杂节点的有效设计是结构可靠性的重要保障之一[1]。本文以广州某框支剪力墙结构为工程背景，采用MIDAS FEA NX有限元软件对其宽扁转换梁柱关键节点进行计算分析，以确定该节点满足结构在罕遇地震下的抗震性能目标要求[2]。

1 工程概述

本工程结构高度119.25m，为一栋B级高度的框支剪力墙结构，转换层位于第13层，属于高位转换。本次复杂转换梁柱节点布置如图1所示。

图1 转换层局部平面布置图

首先，采用YJK软件进行大震等效弹性分析，提取该节点中各杆件的内力；其次，根据图1中各构件的尺寸，利用MIDAS FEA NX建立节点有限元模型；然后，对有限元模型进行网格划分，并在模型中施加上述杆件内力以及边界条件；最后，设置分析工况进行求解计算，并根据分析结果判断节点是否满足罕遇地震下的结构抗震性能目标要求（罕遇地震下抗弯、抗剪不屈服）[3]。

2 节点设计及建模

根据图1及表1所示截面尺寸，建立节点有限元分析模型如图2所示。节点中各构件的边界条件及荷载分别详见表1和表2。值得注意的是：第一，由于建筑净高的限制，节点位置转换梁高度设置为1000mm，转换梁采用宽扁梁；第二，有限元模型未建立楼板，不考虑楼板对转换梁的有利约束作用；第三，模型中各构件内部钢筋和型钢按YJK小震及大震计算模型包络结果进行配置，荷载按YJK大震不屈服模型下的最不利内力工况（1.0D+0.5L-1.0Ex）进行取值。

表1 截面尺寸及边界条件

表2 荷载取值

图2 转换梁柱节点有限元分析模型

此外，本模型中，柱、墙砼强度等级为C60，梁砼强度等级为C45，型钢采用Q390GJ，除框支柱纵筋采用HRB500外，其余钢筋均采用HRB400。各材料具体参数参考《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[4]和《钢结构设计标准》（GB50017-2017）[5]。其中，钢筋和型钢本构采用双折线模型，混凝土本构采用弥散裂缝模型[6]。

3 节点分析结果

3.1 计算结果分析

根据计算结果，转换梁纵筋最大应力约为357MPa；框支柱纵筋最大应力约为249MPa。二者均处于弹性状态，满足抗弯不屈服的性能目标要求。

图3 展示了宽扁转换梁及框支柱的箍筋应力云图。从图中可知，转换梁箍筋最大应力为400MPa；框支柱箍筋最大应力约为381MPa。分析结果表明，框支柱箍筋满足抗剪不屈服的性能目标要求；而转换梁中部分箍筋已屈服，不满足性能目标要求，且换梁中屈服的箍筋出现在次梁（杆件2-1）与宽扁转换梁的搭接位置。

图3 转换梁、框支柱箍筋应力云图

图4展示了宽扁转换梁和框支柱内置型钢的Von Mises应力云图，型钢最大应力约为235MPa，小于Q390GJ的屈服强度，满足性能目标要求。

图4 型钢Von Mises应力云图

根据上述分析结果，可知：

①宽扁转换梁和框支柱内的纵筋、型钢均能够满足罕遇地震下的性能目标要求；

②框支柱内箍筋应力小于HRB400钢筋屈服强度标准值，满足抗剪不屈服性能目标要求；宽扁转换梁在次梁（杆件2-1）搭接位置的部分箍筋应力达到钢筋屈服强度，即节点存在局部位置不满足抗剪不屈服性能目标要求。

考虑到次梁与宽扁转换梁搭接位置存在应力集中现象，结构在该搭接区域需采取加强措施。本文考虑在次梁（杆件2-1）端部设置型钢，以实现次梁与宽扁转换梁间荷载的有效传递。

3.2 加强模型

本文拟在次梁端部设置型钢（H500×200×18×18），型钢自转换梁边延伸入次梁内500mm。按此布置建立加强模型，得到计算结果如图5～图6所示。

图6 加强模型中型钢Von Mises应力云图

从图中可以看出：第一，宽扁转换梁内的箍筋应力得到显著降低，最大应力约为248MPa，远小于HRB400钢筋强度设计值，处于弹性状态；第二，宽扁转换梁内的型钢应力仍然较小，而次梁（杆件2-1）内型钢应力较大，最大应力约为350MPa，小于Q390GJ的屈服强度，满足性能目标要求。

4 结论

本文以广州某B级高度框支剪力墙结构为例，截取其中宽扁转换梁复杂关键节点进行有限元分析，得出如下结论：

①次梁未设型钢时，除宽扁转换梁在与次梁搭接位置箍筋应力较大，不满足抗剪不屈服的性能目标要求外，其余位置钢筋、型钢均能够满足抗弯抗剪不屈服的性能要求；而次梁补充型钢后，宽扁转换梁内箍筋均处于弹性状态，新增型钢处于不屈服状态，满足罕遇地震下的结构抗震性能目标要求。

②对于此类宽扁形转换梁，当次梁内力较大时，主次梁搭接区域会存在比较明显的应力集中现象，仅靠钢筋很难将次梁的荷载均匀地传递到宽扁梁上，建议在次梁端部设置型钢以满足结构性能目标要求。