潘廣斌，柯 宇，凌 勁

（1、廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣州 511483；2、華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510641；3、華南理工大學(xué) 廣州 510641）

超高層建筑體型復(fù)雜多變，常常需要通過變化外框柱的傾斜角度實(shí)現(xiàn)建筑造型。超高層外框斜柱具有一定的特殊性，其斜柱上部荷載大，對(duì)斜柱底部形成巨大的水平分力，該水平分力需通過拉梁傳遞至核心筒，從而形成斜柱與多道梁非正交連接的復(fù)雜受力節(jié)點(diǎn)。方小丹等人［1-2］對(duì)鋼管混凝土環(huán)梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，對(duì)鋼管混凝土柱-環(huán)梁節(jié)點(diǎn)傳力機(jī)理進(jìn)行了分析并提出了節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法；傅劍平等人［3］則對(duì)鋼管混凝土斜柱抗剪環(huán)-環(huán)梁節(jié)點(diǎn)受力性能試驗(yàn)研究。鋼管混凝土柱-鋼梁加強(qiáng)環(huán)板式節(jié)點(diǎn)具有傳力明確、剛度大、塑性性能好、承載力高等優(yōu)點(diǎn)［4］。王文達(dá)等人［5］對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的力學(xué)性能及其抗彎及抗剪承載力的研究，并提出了抗彎承載力計(jì)算方法；張玉芬等人［6］對(duì)復(fù)式鋼管混凝土外加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明環(huán)板節(jié)點(diǎn)具有良好的延性和后期變形能力，抗震性能較好。

本文所研究項(xiàng)目采用鋼管混凝土柱-鋼環(huán)梁的節(jié)點(diǎn)形式，斜柱底部與5 根梁相連接，環(huán)板受力較為復(fù)雜，通過建立有限元模型對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析，驗(yàn)證該處節(jié)點(diǎn)的可靠性。

1 工程概況

廣州市某項(xiàng)目總建筑面積約15.68 萬m2，本工程以地下室頂板作為嵌固端，地下3層，地上46層，結(jié)構(gòu)高度為199.65 m，屋頂以上幕墻最高點(diǎn)228.8 m。根據(jù)建筑平面特點(diǎn)及使用功能的要求，結(jié)構(gòu)形式采用圓鋼管混凝土框架柱-核心筒結(jié)構(gòu)。本工程結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)防烈度為6 度，場地類別Ⅱ類，地震分組第一組，特征周期為0.35 s。50年重現(xiàn)期的風(fēng)壓為0.50 kN/m2，承載力設(shè)計(jì)時(shí)按1.1倍風(fēng)壓計(jì)算。因建筑高度超過200 m，風(fēng)荷載采用風(fēng)洞試驗(yàn)和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012》［7］包絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)整體模型通過盈建科進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型如圖1所示。結(jié)構(gòu)平面布置及整體結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則及偏心布置、局部穿層柱及斜柱共兩項(xiàng)不規(guī)則，屬B級(jí)高度的超限結(jié)構(gòu)。

圖1 盈建科整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Fig.1 Overall Structural Calculation Model of YJK

建筑平面在5～11 層和24～27 層有兩個(gè)平面外形收進(jìn)，形成兩個(gè)斜柱區(qū)域。如圖1 所示，斜柱（XKZ1）傾斜角度最大，為10.68°，斜柱范圍從第5層到第11層，水平投影5.657 m，垂直高度30 m。

2 斜柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本工程斜柱產(chǎn)生的拉力全部通過鋼梁傳進(jìn)核心筒，斜柱受拉區(qū)樓板待主體結(jié)構(gòu)施工完成后后澆，適當(dāng)加厚該樓板，并加大配筋，以抵抗裝修、使用活載和水平荷載下產(chǎn)生的樓板應(yīng)力，防止樓板開裂。以斜柱XKZ1 為例（見圖2），分析斜柱內(nèi)力傳遞路徑，如圖3所示，柱軸力在斜柱頂部產(chǎn)生向核心筒的壓力，在斜柱底部對(duì)核心筒產(chǎn)生拉力，該拉力通過節(jié)點(diǎn)傳遞給鋼梁，然后傳遞進(jìn)核心筒，如圖4所示。

圖2 斜柱XKZ1底部（5層）水平拉力傳遞路徑示意Fig.2 Schematic of the Path of Horizontal Tension Force Transmission at the Bottom of the Inclined Column XKZ1（5F）

圖3 斜柱豎向內(nèi)力傳遞路徑示意Fig.3 Schematic of the Path of Vertical Internal Force Transmission in the Inclined Column

圖4 斜柱柱底節(jié)點(diǎn)做法大樣Fig.4 Details of the Design of the Base Joint of the Inclined Column

由斜柱區(qū)域的內(nèi)力傳遞分析可見，斜柱底部節(jié)點(diǎn)存在較大的斜向壓力，為達(dá)到力的平衡，需要周邊鋼梁提供較大的拉力。對(duì)于XKZ1 的底部節(jié)點(diǎn)，周邊存在5根非正交布置的鋼梁，受力情況十分復(fù)雜，有必要對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析。有限元計(jì)算內(nèi)力取自YJK 整體結(jié)構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果，本章中軟件輸入內(nèi)力，均為設(shè)計(jì)值。

3 斜柱節(jié)點(diǎn)有限元分析

本節(jié)對(duì)受力最大，傾斜角度最大的斜柱XKZ1 進(jìn)行分析，分析模型如圖5 所示。鋼管及鋼板采用S4R三維殼單元進(jìn)行模擬，混凝土采用C3D8R三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬。材料屬性設(shè)置：Q420 鋼材彈性模量Es=20.6×104N/mm2，泊松比為0.283，80 mm 厚鋼板抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為305 N/mm2，30 mm 及35 mm厚鋼板抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為355 N/mm2，16 mm厚鋼板抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為375 N/mm2。C60 混凝土彈性模量Ec=3.6×104N/mm2，泊松比0.167，受壓強(qiáng)度峰值按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015年版）：GB 50010—2010》標(biāo)準(zhǔn)值換算為圓柱體抗壓強(qiáng)度51 N/mm2，本構(gòu)曲線采用韓林海等人［8］提出的鋼管混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線表達(dá)式，受拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為2.04 N/mm2。

圖5 節(jié)點(diǎn)有限元分析模型Fig.5 Finite Element Analysis Model of Joint

鋼材之間的焊接采用Merge 方式進(jìn)行連接，鋼管與混凝土之間采用法向硬接觸、切向庫倫摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.6。為方便定義加載點(diǎn)和邊界條件，在相應(yīng)部分建立了參考點(diǎn)，并通過耦合（Coupling）約束將參考點(diǎn)與截面進(jìn)行耦合，共用自由度。

4 有限元分析結(jié)果

4.1 節(jié)點(diǎn)的性能目標(biāo)復(fù)核

為實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)，提高結(jié)構(gòu)的抗震安全度，本工程對(duì)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［9］第3.11條，性能目標(biāo)設(shè)定為C級(jí)。斜柱底部受拉節(jié)點(diǎn)按強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的要求，應(yīng)在恒活、風(fēng)、多遇地震、設(shè)防地震及罕遇地震作用下應(yīng)達(dá)到彈性水準(zhǔn)。荷載設(shè)計(jì)值通過YJK 整體模型獲得，各工況下斜柱XKZ1 底部內(nèi)力組合值如表1 所示，由表1 可知，工況1 的x向彎矩Mx最大，工況3 的軸力N和X向彎矩Mx均較大，工況6 的軸力N最大，因此，僅需復(fù)核此3 種工況下節(jié)點(diǎn)彈性水準(zhǔn)，即能保證各工況作用下節(jié)點(diǎn)均能滿足性能目標(biāo)要求。以下通過對(duì)節(jié)點(diǎn)鋼材和混凝土的應(yīng)力分布情況（見圖6、圖7）、水平位移情況（見圖8、圖9）以及節(jié)點(diǎn)位移變化曲線（見圖10）進(jìn)行分析，對(duì)3種工況進(jìn)行水準(zhǔn)復(fù)核。

表1 各工況下斜柱XKZ1底部內(nèi)力組合值Tab.1 Combination of Internal Force Values at the Base of Inclined Column XKZ1 under Various Conditions

圖6 鋼材應(yīng)力云圖Fig.6 Stress Nephogram of Steel

圖7 混凝土應(yīng)力云圖Fig.7 Stress Nephogram of Concrete

圖8 X方向位移云圖Fig.8 Displacement Nephogram in X-direction

圖9 Y方向位移云圖Fig.9 Displacement Nephogram in Y-direction

圖10 加載點(diǎn)處加載步-位移曲線Fig.10 Load Step-displacement Curve at the Loading Point

4.2 工況1（1.3D+1.5L）水準(zhǔn)復(fù)核

由圖6?可知，在設(shè)定的荷載作用下，節(jié)點(diǎn)及其上下受壓區(qū)，最大應(yīng)力為227.9 N/mm2，處于彈性階段。節(jié)點(diǎn)及其上下受壓區(qū)鋼管，分別同時(shí)在小范圍內(nèi)達(dá)到最大應(yīng)力，說明節(jié)點(diǎn)受力均勻合理。由圖7?可知，混凝土在在相貫處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，最大應(yīng)力約為37 N/mm2，約為受壓強(qiáng)度峰值應(yīng)力的72%，混凝土仍有一定的承載力富余。節(jié)點(diǎn)在該工況作用下滿足彈性水準(zhǔn)要求。由圖8?可知，X方向最大變形在懸挑梁端，節(jié)點(diǎn)處最大位移約為0.3 mm；由圖8?可知，Y方向最大變形在節(jié)點(diǎn)下部，約為1.71 mm。

4.3 工況3（1.3D+1.05L+1.5Swy（風(fēng)））水準(zhǔn)復(fù)核

由圖6?可知，在設(shè)定的荷載作用下，節(jié)點(diǎn)及其上下受壓區(qū)，最大應(yīng)力為245.3 N/mm2，處于彈性階段。節(jié)點(diǎn)及其上下受壓區(qū)鋼管，分別同時(shí)在小范圍內(nèi)達(dá)到最大應(yīng)力，說明節(jié)點(diǎn)受力均勻合理。由圖7?可知，混凝土在在相貫處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，最大應(yīng)力約為39 N/mm2，約為受壓強(qiáng)度峰值應(yīng)力的76%，混凝土仍有一定的承載力富余，節(jié)點(diǎn)在該工況作用下滿足彈性水準(zhǔn)要求。由圖8?可知，X方向最大變形在懸挑梁端，節(jié)點(diǎn)處最大位移約為0.4 mm；由圖9?可知，Y方向最大變形在節(jié)點(diǎn)下部，約為1.72 mm。

4.4 工況6（1.2SGE+1.3Ey（大震））水準(zhǔn)復(fù)核

由圖6?可知，在設(shè)定的荷載作用下，節(jié)點(diǎn)及其上下受壓區(qū)，最大應(yīng)力為276 N/mm2，處于彈性階段。節(jié)點(diǎn)及其上下受壓區(qū)鋼管，分別同時(shí)在小范圍內(nèi)達(dá)到最大應(yīng)力，說明節(jié)點(diǎn)受力均勻合理。由圖7?可知，混凝土在在相貫處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，最大應(yīng)力約為40 N/mm2，約為受壓強(qiáng)度峰值應(yīng)力的78%，混凝土仍有一定的承載力富余，節(jié)點(diǎn)在該工況作用下滿足彈性水準(zhǔn)要求。由圖8?可知，X方向最大變形在懸挑梁端，節(jié)點(diǎn)處最大位移約為0.4 mm；由圖9?可知，Y方向最大變形在節(jié)點(diǎn)下部，約為1.72 mm。

3 種工況下加載點(diǎn)的加載步-位移曲線如圖10 所示，結(jié)果顯示，3種工況作用下節(jié)點(diǎn)位移基本為線性變化，說明節(jié)點(diǎn)處于彈性變形狀態(tài)。

5 結(jié)論

⑴基于對(duì)斜柱區(qū)域內(nèi)力傳遞路徑的分析，按照鋼環(huán)梁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的方式對(duì)斜柱底部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

⑵通過有限元分析復(fù)核，驗(yàn)證了該斜柱節(jié)點(diǎn)在各個(gè)設(shè)計(jì)荷載組合工況下，均滿足彈性水準(zhǔn)的要求。分析結(jié)果顯示，該節(jié)點(diǎn)在加載過程均處于彈性變形階段，整體受力合理，性能較好，滿足抗震性能設(shè)計(jì)要求。

⑶該斜柱節(jié)點(diǎn)在相貫處混凝土出現(xiàn)了應(yīng)力集中，同類工程中若出現(xiàn)更大的設(shè)計(jì)荷載可考慮對(duì)此處采取加厚鋼板等構(gòu)造加強(qiáng)措施。