晟通连体超高层节点性能分析

李鹏

（湖南省建筑设计院集团股份有限公司，长沙 410011）

1 工程概况

晟通梅溪湖国际总部中心二期项目位于长沙市。主要功能为商业及公寓，两栋超高层高度分别为249.4 m和199.4 m，两栋楼在154.4～163.4 m高度处通过3层楼盖连接形成连体结构，图1所示为两栋超高层建筑剖面图。

图1 两栋超高层建筑剖面图

2 结构体系

本工程地上部分裙房采用钢筋混凝土框架结构，两栋超高层均采用钢筋混凝土框架-核心筒-伸臂桁架结构。本工程A塔高度为249.4 m，高宽比为7.13，核心筒高宽比为23.09；B塔高度为199.4 m，高宽比为6.43，核心筒高宽比为19.17。核心筒高宽比均较大，单栋结构抗侧刚度较弱，独立的单栋建筑均需设置3～4道加强层，结构层间位移角及刚重比才满足现有规范要求。通过设置连体结构，两栋塔楼核心筒正交布置（见图2），可相互提供弱轴方向的侧向刚度。

图2 连体层布置图

3 连接体分析

连接体对连体超高层建筑尤为重要，本工程对连接体在风荷载作用下和设防烈度为6度的地震力作用下的结构抗侧力性能进行了分析计算。整体结构的计算结果表明，连接体可以满足GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[1]，也可以满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）[2]设定的C级抗震性能目标。对连体超高层进行大震工况下的计算分析分析了连接体的变形情况。图3b给出了大震下连接体节点的竖向位移时程曲线，由图3c和图3d可知，大震下连接体两侧位移基本一致，表明连接体能够可靠地连接两栋建筑，并有效地传递水平力。连体结构在大震下，仍然可以保持连接状态两塔可以协同工作，共同抵抗水平荷载。

图3 大震下连接体位移时程曲线图

4 关键节点分析

节点可靠是构件之间传力的基本保证，按照JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[3]的要求，对本工程中的关键节点：角部伸臂桁架、连接体与框架柱的连接节点进行有限元分析，连接体桁架节点有限元模型如图4所示。

图4 连接体桁架节点有限元模型

4.1 分析模型

本工程采用Midas FEA通用有限元程序对上述节点进行分析。钢骨与混凝土均采用实体单元，混凝土与钢骨共用节点，以保证两者变形协调。外框柱的纵筋采用实体单元中的钢筋模拟，用户定义钢筋线，通过前处理过程钢筋线与母单元产生交点将钢筋线自动分割成钢筋段，钢筋段的坐标点信息将用于计算添加在母单元上的钢筋的刚度和内力。

4.2 材料模型

钢材拟采用Q345B，屈服强度标准值取为345MPa，弹性模量取2.06×105MPa，采用双线性随动强化模型，强化段弹性模量取2.06×103MPa[4]。钢材所采用的应力应变曲线如图5a所示。混凝土强度等级为C60，抗压抗拉强度采用GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[5]（2015年版）中的规定，混凝土单轴受压应力应变曲线采用GB 50010—2010规定公式，但不考虑下降段采用平直线替代。混凝土所采用的应力应变曲线如图5b所示。

图5 材料模型

4.3 边界条件及荷载

采用简化的边界约束方式，外框柱的下底端采用铰接约束，顶部约束水平平动。其他构件截面端施加荷载；根据PKPM-SAUSAGE大震动力弹塑性时程分析过程得到的各构件最大内力，施加到相应的构件截面上。

4.4 有限元分析结果

大震作用下节点钢骨的Von Mises应力云图如图6a所示，钢骨最大Von Mises应力为174.6 MPa，最大应力出现在斜撑与节点板的交接位置。钢骨总体应力水平均在Q345屈服强度标准值取为345 MPa以下，说明节点区域能较好地分散应力传递，缓解应力集中。

节点区域混凝土第一主应力云图如图6b所示。混凝土最大主压应力为26.9 MPa，未出现混凝土压碎现象。

外框柱内纵筋的轴向应力云图如图6c所示。最大轴向应力为271.8 MPa，未出现钢筋屈服现象。

节点有限元分析表明：（1）混凝土在大震作用下未出现拉裂，未出现压碎；（2）钢骨在大震作用下未屈服，主体保持为弹性工作状态，且有很大的富余度；（3）外框柱内纵筋未屈服。从整个节点受力性能来看，节点设计符合抗震性能设计目标。

5 结语

随着国内超高层建设和设计水平的不断发展，连体超高层越来越多地出现在大型商业综合体中，而刚性连接是较为推荐的一种连体方式。通过在晟通梅溪湖总部连体超高层建筑整体分析的基础上进行了节点有限元分析。分析结果表明，本工程所采用的型钢钢骨混凝土节点在大震弹塑性工况内力作用下，型钢钢骨、混凝土和钢筋均未出现破坏，并有一定的富余，连接体采用这种节点形式是安全可靠的。