某超高层塔楼复杂节点分析

陈 俊

(中国中元国际工程有限公司，北京 100089)

1 工程概况

本项目(如图1所示)位于宁波市中心区，项目总建筑面积约159 260 m2，其中，地上建筑面积120 394 m2，地下建筑面积38 866 m2，地下建筑功能为车库及后勤，地上裙房为商业，塔楼为办公和酒店。地下室共3层，主楼地上56层，屋面结构标高243.050 m;裙房地上4层，屋面结构标高24.000 m。本工程设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度(0.1g)，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅳ类，阻尼比为0.04，考虑偶然偏心和双向地震作用，地面粗糙度类别为C类。

图1 建筑效果图

塔楼采用矩形钢管混凝土框架柱+钢梁+两道腰桁架+钢筋混凝土核心筒的结构形式。核心筒内皮尺寸25.125 m×24.850 m，外框柱柱距 12.0 m，柱定位轴线至核心筒内皮距离9.47 m。楼面框架梁与核心筒铰接，与外框柱刚接，外框梁与外框柱刚接。本工程在22层和44层设置环带桁架，44层四角的环带桁架为悬挑桁架，同时也是转换桁架。

2 节点分析

2.1 节点选择

塔楼由于建筑造型引起结构体型复杂。44层环带桁架处于结构转换层中，并且桁架腹杆与梁柱平面有一定夹角。这些构件的连接节点非常复杂，为了保证节点在地震下的可靠性，达到“强节点弱构件”的抗震设计原则，同时考虑与节点相连的构件性能目标，对节点采用了中震弹性的性能目标进行分析校核。

本次选择两个关键节点:节点J－1位于外围钢管混凝土柱与钢梁及桁架斜腹杆在44层的交汇处;节点J－2位于节点J－1上侧，其为转换层上起的矩形钢管柱与钢梁及斜腹杆在45层的交点。节点三维图见图2。

采用ETABS软件对塔楼进行多遇地震和设防地震下的整体分析，读取模型中J－1和J－2节点所连接构件的内力(轴力、弯矩、剪力)。采用ANSYS软件对这两个节点进行有限元分析。ANSYS分析时，考虑几何非线性和材料非线性，对模型进行网格划分后，将各构件端部的断面进行节点耦合，约束住下端柱脚耦合节点的所有平动和转动自由度，再将从整体模型中读取的内力施加到相应杆件的端部耦合节点上。

图2 节点三维图

节点所连接构件截面如下:钢管混凝土柱为矩形截面900×1 100×24×24，桁架弦杆截面为焊接 H 型钢 H800×600×40×40，斜腹杆截面为 H550×600×55×55，桁架所托钢管柱为矩形600×600×24×24。钢材与混凝土均采用三维实体单元模拟，混凝土选用ANSYS单元库中的Solid65单元，该单元适用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型，Solid65单元可以考虑混凝土单元的很多非线性性质:如混凝土在3个正交方向的开裂、混凝土的塑性变形和徐变、混凝土的压碎等;钢材采用Solid95单元，此类单元具有20个节点，每个节点均具有3个平动自由度，此单元能够沿空间任意方向排列，并且具有塑性蠕变、应力硬化、大变形、大应变等性能。其中钢材强度等级为Q390GJ，混凝土强度等级为C60。

2.2 节点 J－1分析

2.2.1 节点 J－1 几何构造

在钢管混凝土柱与钢梁翼缘等高位置设置与翼缘等厚的水平隔板，隔板上设置直径500 mm的浇筑孔，同时在钢管柱与钢梁腹板连接处的对应位置的钢管内加设竖向加劲肋，厚度为20 mm。

2.2.2 节点 J－1 分析结果

1)在多遇地震工况作用下，J－1节点钢材应力均在200 MPa以下，节点区外的斜腹杆应力较大，符合强节点弱构件的要求，混凝土最大压应力也小于其抗压强度。

2)在设防地震工况作用下，J－1节点钢材和混凝土部分的应力分布如图3，图4所示。

图3 钢构件Von Mises应力分布图

图4 混凝土第三主应力分布图

由应力图可以看出，设防地震下，整个节点区的Von Mises应力均小于屈服强度。斜腹杆与节点区相连的局部区域由于应力集中出现屈服，不影响节点的性能。混凝土最大压应力27.5 MPa，小于其抗压强度。分析结果表明，节点1在设防地震作用下可以达到中震弹性的性能目标。节点区的应力水平小于连接杆件的应力水平，可以满足强节点弱杆件的设计要求。

2.3 节点 J－2 分析

2.3.1 节点 J－2 几何构造

节点J－2在钢管柱与钢梁翼缘等高位置设置与翼缘等厚的水平隔板，同时在钢管柱与钢梁腹板连接处的对应位置的钢管内加设竖向加劲肋，厚度为20 mm。

2.3.2 节点 J－2 分析结果

1)在多遇地震工况作用下，J－2节点钢材的应力分布如图5所示。由上面应力分布图可以看出，在小震作用下节点区应力均在200 MPa以下，节点区外的斜腹杆应力较大，符合强节点弱构件的要求。柱底由于刚性约束的影响，局部出现应力集中，不反映实际节点情况，可以忽略。

2)在设防地震工况作用下，J－2节点钢材的应力分布如图6所示:节点区的应力分布较为均匀，且均小于屈服强度，节点区钢材未进入塑性。斜腹杆加劲肋局部区域应力较大，应加大劲板厚度。柱底由于刚性约束的影响，出现应力集中，不反映实际节点情况，可以忽略。节点J－2在设防地震作用下可以达到中震弹性的性能目标，节点区的应力水平小于连接杆件的应力水平，可以满足强节点弱构件的设计要求。

图5 小震下钢构件Von Mises应力分布图

图6 中震下钢构件Von Mises应力分布图

3 结语

1)本工程楼层角部转换桁架处的复杂节点，在多遇地震和设防地震下的节点应力均小于相连构件的应力，满足强节点弱构件的要求。2)节点在设防地震下钢材的应力均小于屈服强度，满足预期中震弹性的性能目标。