某復雜高層建筑混合結(jié)構(gòu)及其節(jié)點性能化分析

袁存喜

齊魯制藥有限公司 山東濟南 250100

1 項目概況

某建筑工程結(jié)構(gòu)形式為型鋼混凝土外框、鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)，總建筑面積24.6萬m2，地下4層、地上41層，建筑高度為202.8m，由裙樓、地下室及塔樓（A、B兩棟）構(gòu)成。

2 結(jié)構(gòu)設計簡述

2.1 超高問題

高層建筑在功能和美觀上都更受人們的歡迎，但是在抵抗自然災害上，高層建筑的問超高題則被進一步放大。在面對臺風，火災，地震等災害的時候，高層建筑更容易發(fā)生坍塌問題，因此，安全問題是高層建筑最為人所關(guān)注的一點。在對高層建筑進行設計時，設計時除了要考慮到建筑的美觀，實用性以外，考慮最多的還是建筑的安全問題[1]。

2.2 扭轉(zhuǎn)問題

在建筑領(lǐng)域，扭轉(zhuǎn)問題是非常關(guān)鍵和核心的一個問題，在世界范圍內(nèi)都受到了普遍的關(guān)注和研究。高層建筑對扭轉(zhuǎn)設計直接關(guān)乎到高層建筑地理自然災害的能力，尤其是在面對臺風和地震時，建筑的扭轉(zhuǎn)問題直接關(guān)乎到建筑的安全性。建筑在進行設計和施工時，因為某些不可抗的因素難免的會出現(xiàn)建筑的不平衡，不對稱。在低層建筑中，這種不平衡，不對稱可以被忽略不計，而在高層建筑中，這種不對稱、不平衡則可能會釀成災難性的后果。

2.3 荷載與高度問題

在高層建筑結(jié)構(gòu)設計中，要能夠考慮到建筑的防震和防風效果，而且，在具體的設計中一方面要能夠考慮到建筑自身的高度，另一方面則需要考慮到建筑的水平荷載力。水平荷載力主要作用于建筑的防震效果，所以在結(jié)果設計過程中，處于安全方面的考慮，要對建筑的水平荷載力予以明確[2]。

2.4 重視軸向變形問題

通常情況下，高層建筑在豎直方向會產(chǎn)生巨大的荷載，所以在荷載力的影響下出現(xiàn)軸向變形的幾率相對較大，所以設計人員必須對這一情況引起足夠的重視。在出現(xiàn)上述情況時，連續(xù)梁支座負彎矩數(shù)值迅速降低，正彎矩迅速升高，針對這一情況，設計人員需要通過細致的觀察，并在觀察中對構(gòu)件進行對比，并進行相應的計算，還要對構(gòu)件的下料距離作出判斷，然后合理分配下料。

2.5 邊柱節(jié)點設計

隨著城鎮(zhèn)化建設的不斷加快，不論是民用建筑還是工用建筑，大部分都是以高層或多層的形式出現(xiàn)，也正是因為建筑工程高度的增多，才使得建筑工程的內(nèi)部結(jié)構(gòu)壓力逐步增加。邊柱節(jié)點的設計在建筑工程的框架結(jié)構(gòu)設計中始終都屬于比較繁雜的一項設計工作，尤其是對高層建筑的框架結(jié)構(gòu)中頂層風荷載力的設計。在大多數(shù)的高層建筑的最頂端，都會出現(xiàn)房柱偏離中心的現(xiàn)象，從而致使高層建筑的最頂層的邊柱節(jié)點偏離中心只有0.5倍的柱截面高度。一旦出現(xiàn)此類問題，相關(guān)人員就需要結(jié)合著建筑工程的實際情況進行整改。

2.6 幕墻設計

對專業(yè)分包模型及結(jié)構(gòu)模型進行整合設計，通過對幕墻埋件和鋼梁、土建鋼筋節(jié)點綜合優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)碰撞點75處，通過調(diào)整幕墻埋件位置，鋼骨梁開洞位置和鋼筋施工前畫線定位，已將75處碰撞位置全部解決，通過跨專業(yè)的協(xié)同設計，及時發(fā)現(xiàn)了問題，更改了相應位置的圖紙，避免造成二次施工的情況，節(jié)約了大量資源。

3 節(jié)點精細化分析方法

3.1 位移等效準則

節(jié)點分析通常有兩種做法。比較常見的是建立節(jié)點有限元細化模型，提取總體計算的內(nèi)力作為荷載施加到有限元模型上進行各種計算，這種方法比較直觀，但無法揭示節(jié)點與主體結(jié)構(gòu)的相互影響，在臨近極限點時容易發(fā)生計算不收斂的情況。另一種是嵌入式的節(jié)點精細化分析方法，該方法隨著計算能力的提高在工程中也正逐漸得到應用。

所謂嵌入式的節(jié)點分析，即將某些節(jié)點的細化有限元模型嵌入整體模型中進行統(tǒng)一分析。通過在桿單元(整體模型)與殼單元/實體單元(節(jié)點有限元模型)之間設置合理的耦合連接單元以傳遞內(nèi)力。統(tǒng)一的分析能夠使細部有限元節(jié)點的邊界條件同真實受力完全一致，可以大大簡化邊界加載的難度，這種方法對嵌入少量節(jié)點的計算比較方便。由于采用了位移加載方式，非線性計算的收斂性得到很大提高。

3.2 Y形交叉節(jié)點分析——以Pushover計算為例

整體結(jié)構(gòu)的Pushover計算采用了PKPM的Push模塊進行，節(jié)點精細化模型則采用了ABAQUS有限元軟件進行靜力彈塑性分析。Pushover主要考慮結(jié)構(gòu)和構(gòu)件層面的性能，對于節(jié)點能否滿足要求是無法判定的。

對于鋼梁、加勁肋以及鋼管，本文選擇4節(jié)點完全積分格式的殼單元（S4）對其進行模擬，其厚度方向采用9個積分點的Simpson積分；核心混凝土采用8節(jié)點縮減積分格式的三維實體單元（C3D8R）。節(jié)點區(qū)域采用了Q345B鋼材材性，單調(diào)加載下選用二次塑流模型的本構(gòu)關(guān)系，其中屈服強度為345MPa，彈性模量取206GPa，彈性階段泊松比取0.3[3]。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著人類社會與文明的不斷發(fā)展，建筑多樣化正成為當前建筑發(fā)展的趨勢，尤其是復雜高層建筑多樣化。人們更加傾向于把其作為城市的地標建筑來對待，由此可見復雜高層建筑在人們心中的重要地位。進一步提出優(yōu)化復雜高層建筑結(jié)構(gòu)的對策，有利于推動我國建筑行業(yè)的發(fā)展，為進一步促進高層建筑安全性能的提高奠定理論基礎。