超限工程大跨梁型钢混凝土组合节点有限元分析

段星宇 陈锐兰

（1.四川省建筑设计研究院有限公司，四川成都 610000；2.深圳市鹤之峰建筑有限公司成都分公司，四川成都 610000）

结构抗震设计中，大跨梁不仅需要考虑水平地震作用的影响，同时也是对竖向地震作用十分敏感的结构构件，失效可能引起结构的连续破坏或危及生命安全的严重破坏。大跨梁通常作为关键构件，是结构抗震性能化设计中非常重要的环节。大跨梁梁柱节点的承载力对结构整体的抗震性能起着决定性的作用。本文对某超限高层建筑中的大跨梁型钢混凝土组合节点进行了ABAQUS有限元分析，探讨其是否能满足罕遇地震下的性能要求。

1 工程概况

工程位于攀枝花市仁和区（防烈度为7度、设计地震分组为第三组），主要建筑功能为政务服务中心、图书馆及档案馆等，总建筑面积约为12.5 万m2，地上9层，房屋高度为45.85 m。建成后预计使用人数超过8 000人，根据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223—2008）[1]，划为重点设防类。本工程地上有3层存在明显的楼板缺失，有效楼板宽度与典型楼板宽度之比<35%，属于特别不规则的超限高层建筑[2]。综合考虑了结构整体与构件的承载力、经济性以及舒适性等，关键构件部分的性能目标确定为C，其余构件性能目标确定为D。

2 分析模型

结构典型平面布置如图1所示。

图1 典型平面布置

平面X向和Y向均存在局部大跨，选取图示位置的大跨梁柱节点（跨度约为33 m）作为本文分析对象。大跨部位采用单向大跨型钢梁+钢筋桁架楼承板结构，内侧平衡跨采用型钢混凝土框架结构。大跨梁为关键构件，其梁柱节点在罕遇地震下应达到第4性能水准。

建立ABAQUS有限元分析模型，模型包括梁、柱混凝土，梁、柱钢骨及节点加劲板，梁、柱钢筋等。

梁柱具体如图2～图5所示。

图2 梁柱节点分析模型

图3 型钢柱截面（单位：mm）

图4 大跨梁截面（单位：mm）

图5 平衡梁截面（单位：mm）

对比采用盈建科软件大震反应谱计算得到的各计算层节点内力，提取最不利的单工况内力标准值，分别按照SGE+两种组合形式加入节点分析模型[3]。

工况1、工况2为平衡端起控制作用，工况3、工况4为大跨端起控制作用。

对比工况1～工况4，选取工况1、工况3作为最不利组合（弯矩和剪力均较大）进行有限元分析。

模型的边界条件及荷载输入如图6所示。

图6 边界条件及荷载输入

荷载输入值如表1所示。

表1 梁柱节点荷载输入统计 单位：kN·m

3 结果分析

经计算，在内力组合工况1荷载模式下，混凝土最大压应力出现在平衡梁端底部，达到34.6 MPa，混凝土开始出现轻度受压损伤（损伤指数小于0.5）。梁型钢的最大应力出现在平衡梁端顶部，343 MPa<345 MPa，满足性能要求节点内柱型钢的最大应力约为249 MPa，仍有较大的安全储备，说明节点型钢应力小于框架梁型钢的应力，实现了“强柱弱梁、强节点弱构件”的抗震设计理念。钢筋的最大应力为360 MPa，亦未发生屈服。由此判断该大跨梁梁柱节点在工况1可以达到所设定的性能要求[4-5]。

通过荷载模式计算后可知，工况3混凝土最大压应力为33 MPa，局部混凝土轻度受压损伤（损伤指数小于0.5）。梁型钢最大应力在大跨梁端底部，301 MPa<345 MPa，满足性能要求，尚有约15%的安全储备。节点内柱型钢的最大应力仅为154 MPa，节点型钢应力小于框架梁型钢的应力。钢筋的最大应力为150 MPa，亦未发生屈服。由此判断该大跨梁柱节点在工况3可以达到所设定的性能要求。各工况梁柱节点分析小结如表2所示。

表2 梁柱节点分析小结

4 结语

综上所述，经过精细化分析，大跨梁梁柱节点区域在平衡端起控制作用的荷载模式以及大跨端起控制作用的荷载模式下均未屈服，节点区内钢骨仍有较大的安全储备，承载力明显高于构件。节点区域在罕遇地震作用下，能够满足承载力设计要求，达到所设定的性能水准，可以实现“强节点弱构件”的设计理念，其设计与分析方法能够为类似工程提供一定的参考。