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 天津周大福中心雨棚索-鋼管混凝土柱節(jié)點性能分析（建筑）

                       陳學森¹，  施  剛¹，  丁大益²

（1土木工程安全與耐久教育部重點實驗室，清華大學土木工程系，北京100084；2中國五洲工程設(shè)計集團有限公司，北京100053）

[摘要]  天津周大福中心的雨棚采用懸挑索結(jié)構(gòu)，拉索與鋼管混凝土柱的連接節(jié)點設(shè)計是雨棚設(shè)計的重要內(nèi)容。為了使兩者可靠連接，提出了兩種索·鋼管混凝土柱節(jié)點的構(gòu)造形式。運用有限元方法分析了兩種節(jié)點構(gòu)造形式的受力性能，對比了兩種節(jié)點的失效模式、承載力和應(yīng)力分布。結(jié)果表明，兩種節(jié)點的失效模式均為銷軸孔壁承壓破壞，通過改變耳板的厚度和銷軸的直徑可以調(diào)整節(jié)點的承載力。通過比較，設(shè)計荷載下節(jié)點A中鋼管和混凝土的應(yīng)力水平低于節(jié)點B。對節(jié)點A進行了進一步的優(yōu)化以滿足工程應(yīng)用要求，并提出了一般的索一鋼管混凝土柱節(jié)點構(gòu)造建議。

[關(guān)鍵詞]索；鋼管混凝土；節(jié)點；有限元分析

中圖分類號：TU391 文章編號：1002-848X(2016)09-0058-05

1  節(jié)點概況

    天津周大福中心位于天津濱海新區(qū)，塔樓共94層，建筑高度530m。結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系包括混凝土核心筒、周邊抗彎框架及傾斜角柱／傾斜柱，塔樓下部框架均采用鋼管混凝土柱和鋼梁。塔樓主入口雨棚采用索結(jié)構(gòu)，兩道主索由塔樓鋼管混凝土柱上引出，分別通過支索與雨棚梁連接，形成索結(jié)構(gòu)。雨棚的自重通過支索傳向上側(cè)主索，再由上側(cè)主索傳至鋼管混凝土柱，如圖1所示。對主支索施加一定的預拉力以保證雨棚的剛度。

    雨棚上側(cè)主索與鋼管混凝土柱的連接節(jié)點是雨棚索結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該節(jié)點的主要設(shè)計難點體現(xiàn)在：

    (1)索拉力大。為保證索結(jié)構(gòu)的剛度，使其可以抵抗結(jié)構(gòu)自重、風荷載以及地震作用，在索體中需要施加足夠大的預拉力，使索節(jié)點的設(shè)計拉力增大。上側(cè)主索節(jié)點的設(shè)計荷載為4 200kN。

    (2)鋼管混凝土柱局部應(yīng)力狀態(tài)復雜。鋼管混凝土柱接近底層的部分承受的軸力較大，局部施加較高的橫向力將會進一步提高鋼管混凝土柱局部的應(yīng)力水平。    

(3)節(jié)點延性要求高。鋼索的破壞一般為脆性斷裂，而索結(jié)構(gòu)的多余約束較少，關(guān)鍵索一旦發(fā)生脆性破壞將使整個索結(jié)構(gòu)失效。所以節(jié)點需要在鋼索發(fā)生脆性破壞前發(fā)展一定的延性以保證結(jié)構(gòu)的安全。

    本文采用有限元數(shù)值方法，對天津周大福中心雨棚索一鋼管混凝土柱節(jié)點設(shè)計過程中可能采用的兩種不同節(jié)點構(gòu)造形式進行分析，對其受力性能進行對比，并根據(jù)計算結(jié)果提出相應(yīng)的設(shè)計建議。

2  有限元模型的建立

2.1節(jié)點設(shè)計方案

    參照我國相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，拉索與柱的連接可以通過耳板實現(xiàn)。本項目中與拉索相連的柱為鋼管混凝土柱，外徑為1700mm。拉索與柱通過耳板連接，耳板可以采用不同的布置方式。圖2為兩種不同節(jié)點方案的構(gòu)造，方案A中耳板通過柱面外法線方向，延伸至鋼管混凝土柱內(nèi)形成貫穿鋼管的節(jié)點板，節(jié)點板上設(shè)置栓釘。方案B耳板與柱面外法線成300，節(jié)點板仍沿鋼管直徑方向但不貫穿，且不設(shè)栓釘。為加強節(jié)點的局部受力性能，兩方案都在耳板兩側(cè)設(shè)置加勁肋，在鋼管內(nèi)的對應(yīng)位置設(shè)置內(nèi)環(huán)板。

    兩種節(jié)點形式中所使用的材料相同，均為Q345鋼材和C80混凝土。兩節(jié)點形式的主要幾何尺寸見表1。

2.2有限元建模參數(shù)

    采用ABAQUS建立了兩種節(jié)點的有限元模型，對兩種節(jié)點形式都截取3m高的鋼管混凝土柱，以索拉力作用線與鋼管外表面交點所在水平面為中面，向上、向下各取1. 5m進行建模。在有限元模型中，鋼和混凝土均采用八節(jié)點三維實體單元C3D8R進行模擬。兩種節(jié)點形式的有限元網(wǎng)格劃分見圖3。

    采用塑性損傷模型對混凝土的材性進行模擬�；炷�土彈性模量為38 GPa，泊松比為0.2，考慮鋼管對混凝土的約束作用，混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，

本構(gòu)曲線如圖4所示。鋼材材性采用理想彈塑性模型模擬，采用von Mises屈服準則，彈性模量為206GPa，泊松比取為0.3。屈服強度根據(jù)鋼板厚度的不同參照規(guī)范規(guī)定的標準值取值。

    在鋼管混凝土中，鋼管內(nèi)壁與混凝土之間、內(nèi)部加勁肋與混凝土之間都存在接觸問題，這些接觸面之間不僅在界面法向能夠傳遞壓力，在界面的切向還可以傳遞一定的摩擦力，因此以上接觸條件設(shè)置為法向硬接觸，切向摩擦系數(shù)取0.6。節(jié)點A中節(jié)點板與兩側(cè)混凝土完全粘貼以模擬栓釘?shù)目辜暨B接作用。索頭與節(jié)點板通過銷軸連接。在連接位置銷軸表面與銷軸孔孔壁之間采用硬接觸，模擬孔壁承壓。

    約束鋼管混凝土柱的上、下端截面作為邊界條件，釋放上端截面軸向位移以施加軸向荷載。荷載分兩步施加，第一步按照軸壓比0.8在柱上端施加軸向壓力，壓力大小為92 460kN;第二步通過銷軸施加索拉力，拉力設(shè)計值為4200kN，達到設(shè)計值后使用位移控制繼續(xù)施加索拉力直至荷載不繼續(xù)增加，以得到完整的荷載-位移曲線。

3  有限元計算結(jié)果及分析

3.1荷載-位移曲線

    在施加軸向壓力后，施加索拉力時兩節(jié)點的荷載-位移曲線如圖5所示。兩條荷載-位移曲線的形狀相似，并且屈服荷載相近。節(jié)點A的極限荷載為5489kN，節(jié)點B的極限荷載為5632kN。

    定義節(jié)點的極限荷載與設(shè)計荷載的比值作為節(jié)點的安全系數(shù)，節(jié)點A和節(jié)點B的安全系數(shù)分別為

1. 31和1.34。

3.2設(shè)計荷載下的應(yīng)力分析

    設(shè)計荷載下，兩節(jié)點中鋼材的應(yīng)力分布如圖6所示。節(jié)點A中耳板與鋼管的連接位置由于縱向剛度突變和應(yīng)力集中，局部應(yīng)力可達到276. 8MPa，除此之外鋼管大部分位置的應(yīng)力在200MPa以下。肋板與內(nèi)環(huán)板的受力均較小，耳板上的三組加勁肋中，中間的斜向加勁肋受力最大，最大應(yīng)力值為56. 1MPa。節(jié)點中鋼材應(yīng)力最大的位置出現(xiàn)在耳板銷軸孔的承壓側(cè)，應(yīng)力大小為315MPa（即耳板的屈服應(yīng)力），在節(jié)點承壓區(qū)域已經(jīng)有部分區(qū)域進入屈服。

    節(jié)點B的鋼管最大應(yīng)力也發(fā)生在耳板下側(cè)與鋼管連接的剛度突變位置，應(yīng)力為297.7MPa;由于耳板與柱面切面不垂直，在索拉力作用下，鈍角側(cè)加勁肋受拉、銳角側(cè)加勁肋受壓。加勁肋的最大應(yīng)力發(fā)生在鈍角側(cè)加勁肋與柱面連接處，為217.7MPa;由于鋼管受扭，在鋼管與內(nèi)環(huán)板的連接位置應(yīng)力增大，最大應(yīng)力為231.2MPa。同樣，節(jié)點中鋼材應(yīng)力最大的位置出現(xiàn)在耳板銷軸孔的承壓側(cè)，圖中方框內(nèi)孔壁周圍區(qū)域在設(shè)計荷載下即已經(jīng)進入屈服。

    在采用塑性損傷模型時，塑性拉應(yīng)變可以反映混凝土的開裂情況。兩節(jié)點的混凝土塑性拉應(yīng)變分布如圖7所示。節(jié)點A的塑性拉應(yīng)變沿節(jié)點板上下邊緣均勻分布，分布范圍較大，最大塑性主拉應(yīng)變?yōu)?/font>3. 60×10^-4；節(jié)點B的塑性拉應(yīng)變主要分布在節(jié)點板附近的局部區(qū)域，分布范圍較小，最大塑性主拉應(yīng)變?yōu)?/font>5. 39×10^-4。