1、DOI:10 13719/j cnki 1009 6825 202315017空间巨型斜撑外框架的加强层关键节点分析收稿日期:2022 11 28作者简介:宋徽(1989 )，男，硕士，工程师，一级注册结构工程师，从事结构设计与分析研究宋徽(奥意建筑工程设计有限公司，广东 深圳518031)摘要:某金融中心办公塔楼采用空间巨型斜撑外框架+劲性钢筋混凝土核心筒+外伸臂钢桁架结构体系，针对塔楼第三加强层中巨型斜撑与双层带状桁架、巨柱相连节点，根据节点汇交构件的受力特点和截面形式，采取有效的构造措施，以达到传力直接和施工方便的要求。建立精细化的 ABAQUS 实体有限元模型，采用合适的边界条件和荷载
2、施加方式，给出节点在大震不屈服荷载工况下的应力分布，验证了节点构造形式的合理性，设计节点满足“强节点弱构件”的原则。关键词:巨型斜撑;带状桁架;节点分析;有限元中图分类号 TU398文献标识码:A文章编号:1009 6825(2023)15 0068 041工程概况某金融中心办公塔楼结构高度约为 500 m，采用空间巨型斜撑外框架+劲性钢筋混凝土核心筒+外伸臂钢桁架结构体系。结合每个避难层或机电设备层，共设置7 道 2 层高的带状桁架，其中第 1 道4 道带状桁架为空间双桁架，其余为单桁架。对于本结构中巨型斜撑与加强层的双层带状桁架、巨柱相连的节点，存在汇交构件数量多、汇交角度多、构件尺寸相差
3、大等特点，需要通过合理的构造和精细化的实体有限元分析来保证节点满足各设计阶段的性能目标，从而发挥空间巨型斜撑外框架在本塔楼结构中的抗侧刚度贡献。本文选择塔楼中区地震层剪力较大、构件截面尺寸较大的第 3 道加强层关键节点作为分析对象，如图 1 所示。巨型斜撑、带状桁架与巨柱相连的节点第 3 加强层图 1分析节点位置2节点分析原则根据规范的要求，本工程节点分析和设计的基本原则如下:1)地震作用下保证结构“强节点弱构件”的失效机制，即在地震工况下节点极限承载能力高于相邻构件极限承载能力。2)中震下(1 2 倍重力荷载代表值+1 3 倍中震荷载)节点保持弹性。3)在大震下(1 0 倍重力荷载代表值+1
4、 0 倍大震荷载)节点区域整体保持不屈服，允许部分构件屈服。根据以上原则，通过设置加劲肋、连接板以及节点区钢管壁局部加厚，降低节点区域应力水平，提高节点承载力，使节点达到构造简单，传力直接，施工方便的要求。3节点构造对于第三加强层的巨型斜撑、带状桁架与巨柱相连的节点，分为上下两个部分进行设计并建立有限元模型:1)上节点:上部巨型斜撑、带状桁架上弦杆、带状桁架斜腹杆与巨柱相连节点。2)下节点:下部巨型斜撑、带状桁架下弦杆与巨柱相连接节点。31上节点构造如图 2，图 3 所示，上节点的设计思路为:1)巨型斜撑和角部带状桁架斜杆的截面均为箱型，且与巨柱斜交，故通过扩大两侧腹板的尺寸与钢管混凝土巨柱相
5、连。2)双腰带状桁架的弦杆与斜杆按照普通节点形式相连，并且与巨型斜撑节点连为整体，从而提高节点区强度和刚度，方便施工。3)钢管混凝土巨柱内部通过设计竖向隔板传递巨型斜撑和带状桁架斜杆的力，设置水平横隔板传递弦杆的力。竖向隔板采用巨型斜撑斜向插入的形式，减小其传力路径;水平隔板尽可能地增加开洞尺寸，提高钢管混凝土巨柱内的混凝土上下贯通截面积，保证混凝土传力更加直接。4)与巨型斜撑相连的巨柱壁厚加厚至 100 mm，考虑到整体性和下节点也存在巨型斜撑，故100 mm 厚的钢管壁延伸至下节点，同样与角部桁架斜杆相连的巨柱壁厚分别加厚，但壁厚增加区域仅限上节点。上节点个构件编号对应的截面如表 1 所示
6、。86第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑SHANXIACHITECTUEVol 49 No 15Aug2023巨型斜撑带状桁架上弦杆带状桁架斜杆上节点角部带状桁架上弦杆角部带状桁架斜杆ZYX巨柱钢管图 2上节点外部构造图 3上节点内部构造及构件编号巨柱中间隔板（厚60 mm80 mm）水平横隔板（厚 50 mm）水平横隔板（厚 30 mm）80 宽侧向双隔板（厚 70 mm）JDZHJ-2JDZHJ-1JDZHJX-2JDZHJX-1JXXCDZHJ-2DZHJ-1DZHJX-2DZHJX-1侧向双隔板、延伸至下节点（厚 80 mm）JZ-1与角部带状桁架相连巨柱在节
7、点区壁厚增至60 mm70 mm与巨型斜撑相连巨柱壁增厚至 100 mm，并延伸至下节点80 宽侧向双隔板延伸至下节点JZ-2表 1上节点构件截面汇总构件构件编号构件截面/mm巨柱JZ 14 500 3 000 60 45JZ 24 500 3 000 60 45巨型斜撑JXXC1 250 1 450 100 100双腰带状桁架DZHJ 1H1 000 600 34 50DZHJ 2H1 000 600 34 50DZHJX 1H1 000 600 60 60DZHJX 2H1 000 600 60 60角部带状桁架 JDZHJ 1H1 000 700 34 70JDZHJ 2H1 000 7
8、00 34 70JDZHJX 1900 500 70 70JDZHJX 2900 500 70 70注:巨柱的截面为计算模型中的截面，不包括节点区壁厚的增加。32下节点构造如图4，图5 所示，下节点的构造设计与上节点相似，并且为了保证节点的刚度和整体性，与巨型斜撑相连的巨柱内部的侧向双隔板，延伸至上节点区域，即上下节点的侧向双隔板连成整体;另一侧的800 mm 宽的侧向双隔板从上节点延伸至下节点中部区域。上、下节点区域钢材均采用 Q390B(见表 2)。下节点带状桁架下弦杆巨型斜撑带状桁架上弦杆巨柱钢管图 4下节点外部构造侧向双隔板，延伸至上节点（厚 80 mm）80 宽侧向双隔板从上节点延伸
9、下来水平横隔板厚 50 mmDZHJ-2DZHJ-1JDZHJ-2JDZHJ-1水平横隔板厚 30 mm巨柱中间隔板厚 60 mm80 mmJXXCJZ-1与巨型斜撑相连的巨柱壁厚增至 100 mm，并与上节点相连JZ-2图 5下节点内部构造及构件编号表 2下节点构件截面汇总构件构件编号构件截面/mm巨柱JZ 14 500 3 000 60 45JZ 24 500 3 000 60 45巨型斜撑JXXC1 250 1 450 100 100双腰带状桁架DZHJ 1H1 000 600 34 50DZHJ 2H1 000 600 34 50角部带状桁架 JDZHJ 1H1 000 700 34
10、70JDZHJ 2H1 000 700 34 70注:巨柱的截面为计算模型中的截面，不包括节点区壁厚的增加。4有限元模型41建模原则1)考虑边界条件、荷载施加等的合理性，取巨柱 周边带状桁架节点区域作为有限元分析对象，按照实际构件尺寸剪力实体有限元模型。2)考虑节点各构件之间等强连接，有限元模型建模时未考虑焊缝、螺栓等细部构造处理。3)考虑到各构件与巨柱的钢管壁连接，为了设计偏于保守，故巨柱中的混凝土不参与建模，即不考虑混凝土对节点的有利作用。42网格划分及边界条件节点有限元模型采用 ABAQUS 中的实体单元，网格划分时以六面体单元为主，并配合采用五面体单元对特殊部分进行过渡，防止产生奇异单
11、元，网格尺寸取 50 mm 150 mm 之间，针对构造复杂和受力较大区域网格加密，提高分析精度，如图 6 所示。图 6上节点内部构造及构件编号节点边界条件如图 7 所示，假定节点边界条件为巨柱下端(JZ2)约束 X，Y，Z 向平动自由度，约束 Z 方向扭转自由度，在 X，Y 向加载从整体计算模型中提取的弯矩;巨柱上端(JZ1)约束 X，Y 向平动自由度，加载 X，Y 向弯矩，加载 Z 向轴力和扭矩;其他杆件在端部加载力。96第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月宋徽:空间巨型斜撑外框架的加强层关键节点分析巨柱上端约束 X，Y 向平动自由度,加载 X，Y 向弯矩，加载 Z 向轴力
12、和扭矩巨柱下端约束 X，Y，Z 向平动自由度,约束 Z 向扭矩，加载 X，Y 向弯矩ZYX图 7节点边界条件示意图43荷载施加节点各构件所施加的荷载从整体结构计算模型的计算结果中提取。施加荷载时是在杆端截面中心建立参考点，参考点与杆端截面建立刚性区域(Kinematic Cou-pling)，并在参考点建立局部坐标系，把荷载施加在参考点上。从整体模型计算结果中找出最不利工况为大震不屈服的荷载组合(1 2D+0 6L 10 E大震)。所分析节点在整体计算模型中的平面位置如图 8 所示。当地震方向为 X 正向时，双腰桁架和巨型斜撑处于最不利荷载工况;当地震方向为 Y 正向时，巨柱处于最不利荷载工况
13、，而 X，Y 向对角部桁架内力的影响不大。因此，考虑到单向地震作用下杆件内力不能达到双向地震作用最不利值，对单向地震作用杆件内力进行放大，使杆件内力达到双向地震作用最不利值。综合上述分析，施加在节点构件上的分为巨型斜撑最不利工况(X 向大震不屈服荷载工况)和巨柱最不利工况(Y 向大震不屈服荷载工况)。双腰桁架巨型斜撑巨柱角部桁架所分析的节点YX图 8节点在计算模型中的平面位置本次分析节点中巨柱的内力(JZ1 和 JZ2)为从整体计算模型中提取的内力，而有限元模型中混凝土不参与建模，因此，需对施加于巨柱的内力进行换算。考虑到钢管混凝土巨柱的受力性能，对巨柱的轴力按照钢管和混凝土的轴向刚度进行分配
14、，并且考虑混凝土的徐变和收缩，对混凝土的轴向刚度进行 0 9 的折减，综合上述分析，本节点计算得到巨柱钢管的轴力分配系数为 34 6%，而巨柱的剪力、弯矩、扭矩均完全由巨柱钢管承担1 2。5计算结果分析51上节点图 9，图 10 为上节点有限元模型在 X 向大震不屈服荷载工况下的 Mises 应力。从图中可知:1)最大应力约为 366 MPa，出现在角桁架上弦杆的上翼缘，略大于屈服强度，但区域较小，此区域属于构件区域，而非节点区域。2)角部桁架的上弦杆翼缘在与巨柱相连部位出现屈曲最大应力为 324 MPa，小于 Q390 钢材强度标准值 348 MPa，构件整体仍处于不屈服阶段，平均应力低于
15、250 MPa。3)巨型斜撑的最大应力为 266 MPa，平均应力约为250 MPa，构件应力分布较为均匀，整体处于弹性;双腰桁架的应力较小，平均应力低于 150 MPa。4)巨柱内部隔板中水平横隔板的应力较小，平均值低于 100 MPa;巨柱中间隔板、与巨柱相连的侧向双隔板以及与角桁架相连的双隔板均受到相对较大的应力，但最大值为 264 MPa，整体仍处于弹性阶段。5)巨柱钢管在角部桁架的上部区域有较大的应力分布，最大应力为 302 MPa，根据受力分析，此应力较大的区域主要是角桁架斜杆巨大的轴力而对钢管产生的弯曲应力所致，但巨柱钢管整体仍处于弹性阶段。+4.200e+02+3.900e+0
16、2+3.450e+02+3.000e+02+2.500e+02+2.000e+02+1.500e+02+1.000e+02+5.000e+01+0.000e+00S，Mises（Avg:75%）Max:+3.662e+02Elem:JDZHJ-1-NEW-1.48Node:24ZXY+4.200e+02+3.900e+02+3.450e+02+3.000e+02+2.500e+02+2.000e+02+1.500e+02+1.000e+02+5.000e+01+0.000e+00S，Mises（Avg:75%）Max:+3.363e+02Elem:J7-2014-11-15-1.256 63Node:1512ZXY单位：MPa单位：MPa图 9上节点有限元模型在X 向大震不屈服工况下的应力图图 上节点巨柱内部隔板在X 向大震不屈服工况下的应力图图11，图12 为上节点有限元模型在 Y 向大震不屈服工况下模型的 Mises 应力分布，从图中可知:1)最大应力为 375 MPa，出现在巨柱钢管壁底部，这主要是由于边界约束条件导致的应力集中，但实际上此处的钢管壁是向下延伸的，因此应力可以有效