陳萬(wàn)慶 楊 迪 王 智

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004； 2.中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司南寧分公司，廣西 南寧 530000)

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某超高層建筑斜撐—柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能分析

陳萬(wàn)慶1楊 迪2王 智2

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004； 2.中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司南寧分公司，廣西 南寧 530000)

為了研究斜撐—柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在最不利內(nèi)力下的應(yīng)力分布和變形情況，利用有限元軟件ABAQUS對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值建模和分析，結(jié)果表明，在最不利內(nèi)力下，該類型上下節(jié)點(diǎn)均滿足承載力要求；在中震作用下節(jié)點(diǎn)處于彈性狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

超高層建筑，斜撐—柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能，最不利內(nèi)力

斜撐—柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)是指處于斜向構(gòu)件和垂直構(gòu)件之間的節(jié)點(diǎn)，已成功運(yùn)用于部分高層和超高層建筑當(dāng)中，其可靠性是結(jié)構(gòu)安全和構(gòu)件能夠充分發(fā)揮作用的重要影響因素。評(píng)估該類型節(jié)點(diǎn)的受力性能，通常可以采用試驗(yàn)方式或者模擬方式[1-5]；與試驗(yàn)方式相比，有限元模擬方式通過建立數(shù)值模型，可以開展參數(shù)化分析，并能夠較全面地了解受力情況。為了研究廣西某超高層建筑斜撐—柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能，利用有限元軟件ABAQUS對(duì)其進(jìn)行了建模分析，以確保該節(jié)點(diǎn)承載力及剛度滿足要求。

1 工程概況

廣西九洲國(guó)際位于南寧市東新區(qū)，總建筑面積約21.43萬(wàn) m2，其中：地上建筑面積約16.2萬(wàn) m2，地下室建筑面積約5.23萬(wàn) m2，建筑物總高度為301.6 m。按照建筑立面造型及平面使用功能的要求，西側(cè)2根φ1 500×35鋼管混凝土角柱在地下1層通過2根φ1 100×25鋼管混凝土斜撐轉(zhuǎn)換為2根φ1 100×22鋼管混凝土柱，東側(cè)2根φ1 450×32鋼管混凝土角柱通過2根φ1 050×25鋼管混凝土斜撐轉(zhuǎn)換為2根φ1 050×22鋼管混凝土柱，斜撐—柱轉(zhuǎn)換采用倒三角型自平衡受力體系，利用900×950×50×25焊接鋼箱梁平衡鋼管混凝土斜撐的推力。

2 建模方法

運(yùn)用有限元計(jì)算軟件ABAQUS對(duì)斜撐—柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能進(jìn)行分析，圖1為工程實(shí)物圖。通過比較結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際承載“能力”與承載目標(biāo)性能“需求”來(lái)判斷結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)是否滿足期望實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需求。整體模型包含鑄鋼部分、混凝土部分和鋼梁部分等，并根據(jù)各類部分的不同受力特點(diǎn)，分別從應(yīng)力和變形等方面進(jìn)行了分析。各材料的剛度、強(qiáng)度等參數(shù)依據(jù)GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程和GB 50936—2014鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程選取，本工程采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)，材料為低合金鑄鋼GS20Mn5，設(shè)計(jì)強(qiáng)度235 MPa。鋼材和混凝土單位節(jié)點(diǎn)之間采用直接耦合的方法。

2.1 節(jié)點(diǎn)的模型建立

1)上節(jié)點(diǎn)。圖2為上節(jié)點(diǎn)實(shí)體有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖，節(jié)點(diǎn)區(qū)域桿件規(guī)格為(構(gòu)件位置見圖1)：左斜柱為φ(800～1 100)×100，右斜柱為φ1 100×φ100，上柱φ(900～1 100)×100。鑄鋼材質(zhì)采用GS20Mn5，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。屈服強(qiáng)度300 MPa，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為235 MPa。鑄鋼管內(nèi)澆筑混凝土，強(qiáng)度等級(jí)C60。2)下節(jié)點(diǎn)。下節(jié)點(diǎn)實(shí)體有限元模型網(wǎng)格劃分類似于上節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)區(qū)域桿件規(guī)格為：斜柱φ(1 100～1 500)×100，下柱φ1 500×150，H型鋼規(guī)格：H800×500×50×50，另設(shè)置一塊連接板與樓面鋼梁連接，其規(guī)格為50×800。鑄鋼材質(zhì)采用GS20Mn5，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。鑄鋼管內(nèi)澆筑混凝土，強(qiáng)度等級(jí)C60。

2.2 荷載的施加和邊界條件

在整體計(jì)算模型中提取最不利內(nèi)力，進(jìn)行非抗震或多遇地震作用下最不利組合，得到節(jié)點(diǎn)內(nèi)力設(shè)計(jì)值。上節(jié)點(diǎn)各桿件的內(nèi)力分別為：左斜柱軸力為20 085 kN(壓力)；右斜柱軸力為28 966 kN(壓力)，平面內(nèi)和平面外彎矩為1 648 kN·m和-3 688 kN·m；在分析模型中，僅在上柱頂施加固端約束。下節(jié)點(diǎn)各桿件的內(nèi)力分別為：斜柱的軸力為28 966 kN(壓力)，彎矩為-3 688 kN·m；H型鋼構(gòu)件的軸力為16 836 kN(拉力)；且在分析模型中，僅在下柱底施加固端約束。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 應(yīng)力分布

1)上節(jié)點(diǎn)。圖3和圖4分別為上節(jié)點(diǎn)的鑄鋼部分和混凝土部分在最不利內(nèi)力下的Mises應(yīng)力云圖。上節(jié)點(diǎn)的鑄鋼部分在最不利內(nèi)力下的最大應(yīng)力為223.7 MPa，主要分布于豎向柱右側(cè)上部，未超出設(shè)計(jì)強(qiáng)度235 MPa?；炷敛糠值淖畲髴?yīng)力24.86 MPa(受壓)，未超出混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值27.5 MPa。2)下節(jié)點(diǎn)。圖5和圖6分別為下節(jié)點(diǎn)的鑄鋼部分和混凝土部分在最不利內(nèi)力下的Mises應(yīng)力云圖。在最不利內(nèi)力下，下節(jié)點(diǎn)的鑄鋼部分除H型鋼上下翼緣與鋼管相貫連接的局部區(qū)域因應(yīng)力集中，Mises應(yīng)力超出鑄鋼材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度，最大值為311.3 MPa，超過屈服強(qiáng)度300 MPa，不過此處制作時(shí)可以澆鑄倒角的方法消除應(yīng)力集中，其余區(qū)域的Mises應(yīng)力均未超出設(shè)計(jì)強(qiáng)度235 MPa；混凝土部分，應(yīng)力均未超出C60的設(shè)計(jì)強(qiáng)度27.5 MPa，較大應(yīng)力分布于左右斜柱上部，在斜柱與豎向柱交界處較小。

3.2 變形情況

1)上節(jié)點(diǎn)。如圖7所示為上節(jié)點(diǎn)在最不利內(nèi)力下的最大變形，與右斜柱桿件連接的管口變形最大，為3.29 mm，考慮到節(jié)點(diǎn)的右斜柱連接管長(zhǎng)度1 400 mm，管口最大變形/管長(zhǎng)=1/424；豎向柱區(qū)域的鑄鋼部分和混凝土部分變形較小。2)下節(jié)點(diǎn)。從圖8的下節(jié)點(diǎn)位移云圖可以看出，斜柱端部和水平H型鋼拉梁端部變形位移最大，達(dá)到1.38 mm；且變形位移由斜柱區(qū)域向豎向柱區(qū)域方向逐漸減小。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在最不利內(nèi)力下，上節(jié)點(diǎn)的鑄鋼部分和混凝土部分的Mises應(yīng)力均未超出設(shè)計(jì)強(qiáng)度，滿足承載力要求；下節(jié)點(diǎn)的鑄鋼部分除H型鋼上下翼緣與鋼管相貫連接的局部區(qū)域外，其余區(qū)域和混凝土部分的Mises應(yīng)力均未超出設(shè)計(jì)強(qiáng)度；出現(xiàn)超出區(qū)域是由于產(chǎn)生了應(yīng)力集中，可在制作時(shí)采用澆鑄倒角的方法消除應(yīng)力集中。

2)上節(jié)點(diǎn)與右斜柱桿件連接的管口在最不利內(nèi)力下變形最大，達(dá)到3.29 mm，是桿件長(zhǎng)度的1/424；下節(jié)點(diǎn)斜柱端部和水平H型鋼拉梁端部位移最大，達(dá)到1.38 mm。

3)斜撐—柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的受力性能模擬分析表明，此類型的超高層建筑節(jié)點(diǎn)具有很好的力學(xué)性能，能滿足設(shè)計(jì)要求，所采用的分析方法可為類似超高層建筑的節(jié)點(diǎn)受力性能分析提供參考。

[1] 宗周紅,林宇東,陳惠文,等.方鋼管混凝土柱與鋼連接節(jié)點(diǎn)的擬靜力試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2003,26(1)：77-84.

[2] 劉永健,周緒紅,劉君平.矩形鋼管混凝土T，Y型節(jié)點(diǎn)受壓性能試驗(yàn)[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,28(5):48-52.

[3] 劉永健,周緒紅,劉君平.主管內(nèi)填混凝土的矩形鋼管X型節(jié)點(diǎn)受拉和受彎性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2009,30(1):82-86,94.

[4] 曹正罡,嚴(yán)佳川,周 威,等.中石油大廈斜交網(wǎng)格X型節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2012,45(3):42-48，150.

[5] 陳 譽(yù),魏 琳.圓支管—H型鋼主管T型節(jié)點(diǎn)抗壓性能試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2013,46(12):3-25.

Mechanical property study on the bracing-strut transforming joints of a super high-rise building

Chen Wanqing1Yang Di2Wang Zhi2

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,GuangxiUniversity,Nanning530004,China;2.NanningBranchCompany,ChinaRailwayConstructionGroupCo.,Ltd,Nanning530000,China)

In order to study the stress distribution and deformation of bracing-strut transforming joints under the max inner force, the finite element software ABAQUS is used to analyze the upper and lower joints of the batter post, the results show that these type of joints meet the requirements of carrying capacity under the max inner force, and the deformation of it still be in elastic stage under the middle earthquake. The mechanical property and the performance of these joints are well.

super high-rise building, bracing-strut transforming, mechanical property, the max inner force

1009-6825(2017)10-0061-02

2017-01-24

陳萬(wàn)慶(1992- )，男，在讀碩士

TU311

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