某外形收进超高层结构斜柱钢环梁节点有限元分析

2024-03-07潘广斌

广东土木与建筑 2024年1期

潘广斌，柯宇，凌劲

（1、广州番禺职业技术学院广州 511483；2、华南理工大学建筑设计研究院有限公司广州 510641；3、华南理工大学广州 510641）

超高层建筑体型复杂多变，常常需要通过变化外框柱的倾斜角度实现建筑造型。超高层外框斜柱具有一定的特殊性，其斜柱上部荷载大，对斜柱底部形成巨大的水平分力，该水平分力需通过拉梁传递至核心筒，从而形成斜柱与多道梁非正交连接的复杂受力节点。方小丹等人［1-2］对钢管混凝土环梁节点进行了试验和数值模拟研究，对钢管混凝土柱-环梁节点传力机理进行了分析并提出了节点的设计方法；傅剑平等人［3］则对钢管混凝土斜柱抗剪环-环梁节点受力性能试验研究。钢管混凝土柱-钢梁加强环板式节点具有传力明确、刚度大、塑性性能好、承载力高等优点［4］。王文达等人［5］对节点核心区的力学性能及其抗弯及抗剪承载力的研究，并提出了抗弯承载力计算方法；张玉芬等人［6］对复式钢管混凝土外加强环板节点抗震性能进行了试验研究，结果表明环板节点具有良好的延性和后期变形能力，抗震性能较好。

本文所研究项目采用钢管混凝土柱-钢环梁的节点形式，斜柱底部与5 根梁相连接，环板受力较为复杂，通过建立有限元模型对节点进行受力分析，验证该处节点的可靠性。

1 工程概况

广州市某项目总建筑面积约15.68 万m2，本工程以地下室顶板作为嵌固端，地下3层，地上46层，结构高度为199.65 m，屋顶以上幕墙最高点228.8 m。根据建筑平面特点及使用功能的要求，结构形式采用圆钢管混凝土框架柱-核心筒结构。本工程结构安全等级为二级，抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为6 度，场地类别Ⅱ类，地震分组第一组，特征周期为0.35 s。50年重现期的风压为0.50 kN/m2，承载力设计时按1.1倍风压计算。因建筑高度超过200 m，风荷载采用风洞试验和《建筑结构荷载规范：GB 50009—2012》［7］包络进行设计。结构整体模型通过盈建科进行计算，计算模型如图1所示。结构平面布置及整体结构计算结果显示，该结构有扭转不规则及偏心布置、局部穿层柱及斜柱共两项不规则，属B级高度的超限结构。

图1 盈建科整体结构计算模型Fig.1 Overall Structural Calculation Model of YJK

建筑平面在5～11 层和24～27 层有两个平面外形收进，形成两个斜柱区域。如图1 所示，斜柱（XKZ1）倾斜角度最大，为10.68°，斜柱范围从第5层到第11层，水平投影5.657 m，垂直高度30 m。

2 斜柱节点设计

本工程斜柱产生的拉力全部通过钢梁传进核心筒，斜柱受拉区楼板待主体结构施工完成后后浇，适当加厚该楼板，并加大配筋，以抵抗装修、使用活载和水平荷载下产生的楼板应力，防止楼板开裂。以斜柱XKZ1 为例（见图2），分析斜柱内力传递路径，如图3所示，柱轴力在斜柱顶部产生向核心筒的压力，在斜柱底部对核心筒产生拉力，该拉力通过节点传递给钢梁，然后传递进核心筒，如图4所示。

图2 斜柱XKZ1底部（5层）水平拉力传递路径示意Fig.2 Schematic of the Path of Horizontal Tension Force Transmission at the Bottom of the Inclined Column XKZ1（5F）

图3 斜柱竖向内力传递路径示意Fig.3 Schematic of the Path of Vertical Internal Force Transmission in the Inclined Column

图4 斜柱柱底节点做法大样Fig.4 Details of the Design of the Base Joint of the Inclined Column

由斜柱区域的内力传递分析可见，斜柱底部节点存在较大的斜向压力，为达到力的平衡，需要周边钢梁提供较大的拉力。对于XKZ1 的底部节点，周边存在5根非正交布置的钢梁，受力情况十分复杂，有必要对该节点进行有限元分析。有限元计算内力取自YJK 整体结构模型计算结果，本章中软件输入内力，均为设计值。

3 斜柱节点有限元分析

本节对受力最大，倾斜角度最大的斜柱XKZ1 进行分析，分析模型如图5 所示。钢管及钢板采用S4R三维壳单元进行模拟，混凝土采用C3D8R三维实体单元进行模拟。材料属性设置：Q420 钢材弹性模量Es=20.6×104N/mm2，泊松比为0.283，80 mm 厚钢板抗拉、抗压、抗弯强度设计值为305 N/mm2，30 mm 及35 mm厚钢板抗拉、抗压、抗弯强度设计值分别为355 N/mm2，16 mm厚钢板抗拉、抗压、抗弯强度设计值为375 N/mm2。C60 混凝土弹性模量Ec=3.6×104N/mm2，泊松比0.167，受压强度峰值按《混凝土结构设计规范（2015年版）：GB 50010—2010》标准值换算为圆柱体抗压强度51 N/mm2，本构曲线采用韩林海等人［8］提出的钢管混凝土应力-应变曲线表达式，受拉强度设计值为2.04 N/mm2。

图5 节点有限元分析模型Fig.5 Finite Element Analysis Model of Joint

钢材之间的焊接采用Merge 方式进行连接，钢管与混凝土之间采用法向硬接触、切向库伦摩擦接触，摩擦系数取0.6。为方便定义加载点和边界条件，在相应部分建立了参考点，并通过耦合（Coupling）约束将参考点与截面进行耦合，共用自由度。

4 有限元分析结果

4.1 节点的性能目标复核

为实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”抗震设计目标，提高结构的抗震安全度，本工程对抗侧力结构进行性能化设计，按照《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010》［9］第3.11条，性能目标设定为C级。斜柱底部受拉节点按强节点的要求，应在恒活、风、多遇地震、设防地震及罕遇地震作用下应达到弹性水准。荷载设计值通过YJK 整体模型获得，各工况下斜柱XKZ1 底部内力组合值如表1 所示，由表1 可知，工况1 的x向弯矩Mx最大，工况3 的轴力N和X向弯矩Mx均较大，工况6 的轴力N最大，因此，仅需复核此3 种工况下节点弹性水准，即能保证各工况作用下节点均能满足性能目标要求。以下通过对节点钢材和混凝土的应力分布情况（见图6、图7）、水平位移情况（见图8、图9）以及节点位移变化曲线（见图10）进行分析，对3种工况进行水准复核。

表1 各工况下斜柱XKZ1底部内力组合值Tab.1 Combination of Internal Force Values at the Base of Inclined Column XKZ1 under Various Conditions

图6 钢材应力云图Fig.6 Stress Nephogram of Steel

图7 混凝土应力云图Fig.7 Stress Nephogram of Concrete

图8 X方向位移云图Fig.8 Displacement Nephogram in X-direction

图9 Y方向位移云图Fig.9 Displacement Nephogram in Y-direction

图10 加载点处加载步-位移曲线Fig.10 Load Step-displacement Curve at the Loading Point

4.2 工况1（1.3D+1.5L）水准复核

由图6⒜可知，在设定的荷载作用下，节点及其上下受压区，最大应力为227.9 N/mm2，处于弹性阶段。节点及其上下受压区钢管，分别同时在小范围内达到最大应力，说明节点受力均匀合理。由图7⒜可知，混凝土在在相贯处出现了应力集中，最大应力约为37 N/mm2，约为受压强度峰值应力的72%，混凝土仍有一定的承载力富余。节点在该工况作用下满足弹性水准要求。由图8⒜可知，X方向最大变形在悬挑梁端，节点处最大位移约为0.3 mm；由图8⒜可知，Y方向最大变形在节点下部，约为1.71 mm。

4.3 工况3（1.3D+1.05L+1.5Swy（风））水准复核

由图6⒝可知，在设定的荷载作用下，节点及其上下受压区，最大应力为245.3 N/mm2，处于弹性阶段。节点及其上下受压区钢管，分别同时在小范围内达到最大应力，说明节点受力均匀合理。由图7⒝可知，混凝土在在相贯处出现了应力集中，最大应力约为39 N/mm2，约为受压强度峰值应力的76%，混凝土仍有一定的承载力富余，节点在该工况作用下满足弹性水准要求。由图8⒝可知，X方向最大变形在悬挑梁端，节点处最大位移约为0.4 mm；由图9⒝可知，Y方向最大变形在节点下部，约为1.72 mm。

4.4 工况6（1.2SGE+1.3Ey（大震））水准复核

由图6⒞可知，在设定的荷载作用下，节点及其上下受压区，最大应力为276 N/mm2，处于弹性阶段。节点及其上下受压区钢管，分别同时在小范围内达到最大应力，说明节点受力均匀合理。由图7⒞可知，混凝土在在相贯处出现了应力集中，最大应力约为40 N/mm2，约为受压强度峰值应力的78%，混凝土仍有一定的承载力富余，节点在该工况作用下满足弹性水准要求。由图8⒞可知，X方向最大变形在悬挑梁端，节点处最大位移约为0.4 mm；由图9⒞可知，Y方向最大变形在节点下部，约为1.72 mm。

3 种工况下加载点的加载步-位移曲线如图10 所示，结果显示，3种工况作用下节点位移基本为线性变化，说明节点处于弹性变形状态。