某超高层建筑斜撑—柱转换结构节点力学性能分析

陈万庆 杨 迪 王 智

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004； 2.中铁建设集团有限公司南宁分公司，广西 南宁 530000)



某超高层建筑斜撑—柱转换结构节点力学性能分析

陈万庆1杨 迪2王 智2

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004； 2.中铁建设集团有限公司南宁分公司，广西 南宁 530000)

为了研究斜撑—柱转换结构节点在最不利内力下的应力分布和变形情况，利用有限元软件ABAQUS对其进行了数值建模和分析，结果表明，在最不利内力下，该类型上下节点均满足承载力要求；在中震作用下节点处于弹性状态，节点的力学性能能够达到设计目标。

超高层建筑，斜撑—柱转换结构，力学性能，最不利内力

斜撑—柱转换结构节点是指处于斜向构件和垂直构件之间的节点，已成功运用于部分高层和超高层建筑当中，其可靠性是结构安全和构件能够充分发挥作用的重要影响因素。评估该类型节点的受力性能，通常可以采用试验方式或者模拟方式[1-5]；与试验方式相比，有限元模拟方式通过建立数值模型，可以开展参数化分析，并能够较全面地了解受力情况。为了研究广西某超高层建筑斜撑—柱转换结构节点力学性能，利用有限元软件ABAQUS对其进行了建模分析，以确保该节点承载力及刚度满足要求。

1 工程概况

广西九洲国际位于南宁市东新区，总建筑面积约21.43万 m2，其中：地上建筑面积约16.2万 m2，地下室建筑面积约5.23万 m2，建筑物总高度为301.6 m。按照建筑立面造型及平面使用功能的要求，西侧2根φ1 500×35钢管混凝土角柱在地下1层通过2根φ1 100×25钢管混凝土斜撑转换为2根φ1 100×22钢管混凝土柱，东侧2根φ1 450×32钢管混凝土角柱通过2根φ1 050×25钢管混凝土斜撑转换为2根φ1 050×22钢管混凝土柱，斜撑—柱转换采用倒三角型自平衡受力体系，利用900×950×50×25焊接钢箱梁平衡钢管混凝土斜撑的推力。

2 建模方法

运用有限元计算软件ABAQUS对斜撑—柱转换结构节点的力学性能进行分析，图1为工程实物图。通过比较结构节点的实际承载“能力”与承载目标性能“需求”来判断结构节点是否满足期望实现设计需求。整体模型包含铸钢部分、混凝土部分和钢梁部分等，并根据各类部分的不同受力特点，分别从应力和变形等方面进行了分析。各材料的刚度、强度等参数依据GB 50010—2010混凝土结构设计规范、JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程和GB 50936—2014钢管混凝土结构技术规程选取，本工程采用铸钢节点，材料为低合金铸钢GS20Mn5，设计强度235 MPa。钢材和混凝土单位节点之间采用直接耦合的方法。

2.1 节点的模型建立

1)上节点。图2为上节点实体有限元模型网格划分示意图，节点区域杆件规格为(构件位置见图1)：左斜柱为φ(800～1 100)×100，右斜柱为φ1 100×φ100，上柱φ(900～1 100)×100。铸钢材质采用GS20Mn5，经调质处理。屈服强度300 MPa，设计强度为235 MPa。铸钢管内浇筑混凝土，强度等级C60。2)下节点。下节点实体有限元模型网格划分类似于上节点，节点区域杆件规格为：斜柱φ(1 100～1 500)×100，下柱φ1 500×150，H型钢规格：H800×500×50×50，另设置一块连接板与楼面钢梁连接，其规格为50×800。铸钢材质采用GS20Mn5，经调质处理。铸钢管内浇筑混凝土，强度等级C60。

2.2 荷载的施加和边界条件

在整体计算模型中提取最不利内力，进行非抗震或多遇地震作用下最不利组合，得到节点内力设计值。上节点各杆件的内力分别为：左斜柱轴力为20 085 kN(压力)；右斜柱轴力为28 966 kN(压力)，平面内和平面外弯矩为1 648 kN·m和-3 688 kN·m；在分析模型中，仅在上柱顶施加固端约束。下节点各杆件的内力分别为：斜柱的轴力为28 966 kN(压力)，弯矩为-3 688 kN·m；H型钢构件的轴力为16 836 kN(拉力)；且在分析模型中，仅在下柱底施加固端约束。

3 计算结果

3.1 应力分布

1)上节点。图3和图4分别为上节点的铸钢部分和混凝土部分在最不利内力下的Mises应力云图。上节点的铸钢部分在最不利内力下的最大应力为223.7 MPa，主要分布于竖向柱右侧上部，未超出设计强度235 MPa。混凝土部分的最大应力24.86 MPa(受压)，未超出混凝土强度设计值27.5 MPa。2)下节点。图5和图6分别为下节点的铸钢部分和混凝土部分在最不利内力下的Mises应力云图。在最不利内力下，下节点的铸钢部分除H型钢上下翼缘与钢管相贯连接的局部区域因应力集中，Mises应力超出铸钢材料设计强度，最大值为311.3 MPa，超过屈服强度300 MPa，不过此处制作时可以浇铸倒角的方法消除应力集中，其余区域的Mises应力均未超出设计强度235 MPa；混凝土部分，应力均未超出C60的设计强度27.5 MPa，较大应力分布于左右斜柱上部，在斜柱与竖向柱交界处较小。

3.2 变形情况

1)上节点。如图7所示为上节点在最不利内力下的最大变形，与右斜柱杆件连接的管口变形最大，为3.29 mm，考虑到节点的右斜柱连接管长度1 400 mm，管口最大变形/管长=1/424；竖向柱区域的铸钢部分和混凝土部分变形较小。2)下节点。从图8的下节点位移云图可以看出，斜柱端部和水平H型钢拉梁端部变形位移最大，达到1.38 mm；且变形位移由斜柱区域向竖向柱区域方向逐渐减小。

4 结语

1)在最不利内力下，上节点的铸钢部分和混凝土部分的Mises应力均未超出设计强度，满足承载力要求；下节点的铸钢部分除H型钢上下翼缘与钢管相贯连接的局部区域外，其余区域和混凝土部分的Mises应力均未超出设计强度；出现超出区域是由于产生了应力集中，可在制作时采用浇铸倒角的方法消除应力集中。

2)上节点与右斜柱杆件连接的管口在最不利内力下变形最大，达到3.29 mm，是杆件长度的1/424；下节点斜柱端部和水平H型钢拉梁端部位移最大，达到1.38 mm。

3)斜撑—柱转换结构节点的受力性能模拟分析表明，此类型的超高层建筑节点具有很好的力学性能，能满足设计要求，所采用的分析方法可为类似超高层建筑的节点受力性能分析提供参考。

[1] 宗周红,林宇东,陈惠文,等.方钢管混凝土柱与钢连接节点的拟静力试验研究[J].建筑结构学报,2003,26(1)：77-84.

[2] 刘永健,周绪红,刘君平.矩形钢管混凝土T，Y型节点受压性能试验[J].长安大学学报(自然科学版),2008,28(5):48-52.

[3] 刘永健,周绪红,刘君平.主管内填混凝土的矩形钢管X型节点受拉和受弯性能试验研究[J].建筑结构学报,2009,30(1):82-86,94.

[4] 曹正罡,严佳川,周 威,等.中石油大厦斜交网格X型节点试验研究[J].土木工程学报,2012,45(3):42-48，150.

[5] 陈 誉,魏 琳.圆支管—H型钢主管T型节点抗压性能试验研究[J].土木工程学报,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

陈万庆(1992- )，男，在读硕士

TU311

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