热销铸钢节点(转《丽泽SOHO 中心复杂体型结构节点设计》)

Posted 2023-06-02

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热销铸钢节点(转《丽泽SOHO 中心复杂体型结构节点设计》)

转自建筑结构《丽泽SOHO 中心复杂体型结构节点设计》作者：王旭，荆芃芃，杨洁，束伟农，许刚

［摘要］丽泽SOHO 中心地上部分由两个反对称的混凝土筒体-单侧弧形钢框架结构组成，两个单塔之间由4 道椭圆形腰桁架及连桥连接组成一个整体，结构高度190. 32m，为体型复杂的混合结构体系。配合平立面的曲线体型，着重讨论核心筒内型钢节点的构造设计以及与混凝土钢筋的协调处理，外框架Y 形柱节点、连桥复杂连接节点等具代表性钢结构节点的设计原则及加强措施，使其在满足相应性能目标的同时易于施工。

［关键词］超高层建筑; 混合结构; 复杂连接; 非线性分析; 铸钢节点

1 工程概况

丽泽SOHO 中心位于北京市丰台区丽泽桥东侧，总建筑面积约17. 3 万m2，出地面后主楼分为两个反对称的单塔建筑，每个单塔采用混凝土筒体-单侧弧形钢框架结构体系，结构高度190. 32m，为超B级高度建筑，共用整体4 层地下室，地上45 层。由4 道腰桁架及跨度为9 ～ 38m 的钢连桥形成的腰带将两个单塔“箍”在一起，形成一个抗震性能良好的结构体系［1］。图1 所示为三维结构模型示意图。结构设计基准期及使用年限均为50 年，为标准

设防类，安全等级二级，抗震设防烈度8 度( 0. 20g) 。

地上结构扭转位移比最大值为1. 26，单塔顶部存在大于10% 的整体外挑，含加强层和连桥结构，因此在扭转不规则、尺寸突变、构件间断、复杂连接几方面都存在抗震超限的情况。针对工程特点，在超限高层建筑工程抗震设防专项审查中确定了表1所示的抗震性能目标［2］。

由于连桥是将两个单塔拉成一个整体、保证双塔协同工作的基础，而分叉柱( Y 形柱) 承担了顶部20m 结构大悬挑的竖向传力，因此均为关键构件，对结构整体的安全性影响很大，其节点构造复杂、受力较大，设计可靠性尤为重要。图2 给出了整体结构

的典型平面图，可以看出中庭挑空区从下至上呈盘旋的趋势，这使得核心筒角部节点位置各层楼面梁与核心筒内型钢的连接角度均不相同，在设计时提出了尽量统一的做法去解决这种没有标准层的问题。考虑到节点复杂连接可能带来的安全问题，对于本工程节点的设计进行讨论是十分必要的。

2 外框架节点设计

外框架构造比较复杂的节点主要集中在连桥和分叉柱处，如分叉柱和梁的相贯节点、连桥桁架多圆管相贯节点、连桥与单塔连接处楼面梁与桁架下弦杆存在标高差的多杆件连接节点。图3 给出了连桥三维模型示意图。

本工程考虑到施工杆件较多时沿相贯线切割比较复杂，并且焊缝互相重叠，在焊接时产生的应力集中，对于连桥与单塔连接处可靠性直接关乎结构安全、连接肢较多、杆件内力较大的重要节点( 8 根及以上杆件相连且存在标高差异的连桥端节点) 采用铸钢节点形式，这些节点在工厂内整体浇筑，整体性较好。但同时由于铸钢节点的成本较高，其他节点

仍采用相贯焊接的形式，其构造简单，易于加工安装并且承载力良好。本工程中节点设计性能目标为不低于其连接杆件的抗震设防性能目标。

2. 1 连桥节点

本节选取连桥处一个杆件较多、受力较大的典型铸钢节点和焊接节点进行弹塑性分析，分析时采用有限元分析软件ANSYS15. 0。

2． 1． 1 典型铸钢节点分析

此铸钢节点位于13 层连桥与单塔连接处，除钢管柱与桁架腹杆、弦杆相贯连接外，还包括与楼面箱形钢梁和H 型钢梁的连接，共9 根杆件( 其中钢管柱由于上下端在节点处存在微小夹角，故算作2 根杆件) ，各杆件截面尺寸见表2，节点质量为26 983kg，材料采用G20Mn5QT，屈服强度为300MPa［3］，钢管柱最大壁厚为100mm。模型采用实体单元，以最不利组合下的内力作为节点计算的设计荷载，考虑到铸钢节点的重要性，铸钢件壁厚较大且浇筑质量相对焊接件较低，将铸钢节点中混凝土部分的贡献作为强度储备，计算时不考虑混凝土的

贡献，将荷载全部施加到钢材上。约束条件为钢管混凝土柱上下两个端面三个方向的节点位移全部约束。计算模型如图4 所示。

对于典型铸钢节点，以Y 向地震为主并考虑竖向地震作用的中震弹性下荷载组合最为不利，此荷载作用下铸钢节点的von Mises 应力分布云图如图5 所示，节点的最大应力值为293. 73MPa，对于整个节点核心区域，无塑性应力区，应力最大区域集中在GKL11 下部，由GC2 和GKL11 端部施加的弯矩所引起。由局部应力云图可以看出，最大应力区仅在表面出现，并未贯穿钢管柱壁厚。设计荷载下，整个节点在不考虑混凝土部分的作用下保持弹性工作，具有较大的安全储备。

同时，由应力云图可以看出，此节点的设计重点在于钢管柱GKZ10 和连桥腹杆GC2 及箱形楼面梁GKL11 的端部。而部分桁架弦杆和楼面钢梁在内力作用下，杆件自身端部处的应力值较小，建议对这些杆件可以适当减小铸钢节点处的壁厚，节省造价同时方便运输安装。而对于目前铸钢节点的深化工作还在进行中，在保证安全性的前提下，与钢结构厂家进行合作优化。

图6 所示为节点整体位移云图，可以看出节点核心区的位移值很小，位移相对较大的区域在GKL11 和GC2 施加荷载端，挠度满足要求。

2． 1． 2 典型焊接节点分析

此节点位于14 层连桥与单塔连接处，节点处有7 根杆件连接，综合考虑杆件肢数、截面尺寸、杆件内力以及经济等因素，决定采用焊接的形式，各杆件截面尺寸见表3。节点模型如图7 所示，具体构造为: 钢管柱在与钢梁连接的部位设置两块外环板，分别对应于所连接梁的上下翼缘，考虑到连接杆件较多、方向多变，且楼面梁在不规则体系竖向力水平分量作用下多含轴力，为增加节点核心区域的刚度，在施工可行的前提下，构造上同时设置内外环板，外环板和内隔板厚度与钢梁较厚翼缘等厚; 钢梁与外环板相连接，其中高度小于两环板间距的钢梁在接头处做变坡处理; 桁架的弦杆在柱外环板的位置开槽

口，并与柱相贯连接，钢管柱外环板类同于弦杆的插板; 桁架腹杆与柱及桁架弦杆相贯连接。

对于钢管混凝土柱和连桥构件采用Q345C 钢材，材料塑性应力-应变关系如图8 所示，其他钢材采用Q345B。典型焊接节点在分析的前处理设置上与铸钢节点基本相同，但在计算钢结构时，考虑混凝土部分承担的内力，并根据刚度做了相应折减。

对于典型焊接节点，以Y 向地震为主并考虑竖向地震作用的中震弹性下荷载组合最为不利，图9所示为此荷载作用下焊接节点的von Mises 应力分布云图，应力最大值为451. 21MPa，塑性区域集中在连桥下弦杆GL5 与钢管柱GKZ12 相贯以及下弦杆GL5 与外环板相交的开槽口处，但塑性影响区域很小，另外连桥下弦杆GL5 与腹杆GC1 相贯处也存在应力较大区域，连桥下弦杆GL5 所受弯矩较大，可能会首先破坏。节点核心区域位移云图如图10 所示，节点核心区域并未产生较大变形，但桁架下弦杆在内力作用下被明显挤压。根据上述计算分析，采取在连桥腹杆GC1 与钢管柱GKZ12 相贯处增设水平横隔板，并在钢管柱GKZ12、梁桥腹杆GC1 和连桥下弦杆GL5 靠近节点端进行局部区域段加厚处理的构造加强措施，计算结果满足性能目标，变形在可控范围内，并有一定安全储备。

2. 2 分叉柱节点

图11 给出了Y 形分叉柱的三维模型示意，钢管柱通过两次分叉形成三根柱子来承担顶部结构大悬挑的竖向传力( 图1) ，第一次分叉在18 层底标高71. 250m 处开始，第二次分叉在20 层底标高79. 450m 处开始。由图11 中可以看出，相贯的两根钢管柱在分叉处夹角很小，如采用铸钢节点形式，铸钢件长度可能达到7m，自重大，运输及安装困难; 而采用普通的相贯焊接节点形式，由于夹角较小，钢管柱之间的相贯线很长，且内侧不好施焊。经过讨论，分叉柱不再直接与主管相贯，而是通过与主管外伸的水平外环板和纵向加劲板连接传递内力，分叉柱的造型进行建筑外包处理，分叉柱节点连接做法示意如图12 所示。

3 核心筒节点设计

3. 1 核心筒角部型钢与楼面梁连接节点设计

图13 给出了图2( a) 所示核心筒角部A 组合柱内型钢与钢梁连接的通用做法，与传统做法不同之处在于型钢与楼面钢梁的连接不是直接在型钢上设置牛腿，而是通过连接板将预埋件钢板与型钢进行连接，再将楼面钢梁连接在预埋件钢板上。这样的做法首先是由于核心筒角部节点位置各层楼面梁与核心筒内型钢的连接角度均不相同，而采用埋件钢板的形式则可以用统一的做法解决不同角度连接的问题; 其次考虑如果设置牛腿外伸出核心筒会影响爬模施工; 另外由于连接板的设置与核心筒的水平箍筋产生冲突，箍筋需要在连接板与埋件钢板范围内断掉，而埋件钢板可以替代原核心区被断掉的箍筋，通过将钢板与埋件范围内的箍筋进行焊，增强核心区节点的整体性。

钢梁与组合柱刚接时，钢骨与埋件钢板间在钢梁上下翼缘高度处各设置一块水平横隔板传递弯矩，同时加强钢骨与预埋件钢板连接的整体性。钢梁与组合柱铰接时则不设置水平横隔板，便于暗柱纵向钢筋穿过节点核心区。

在钢结构节点深化设计阶段，充分考虑连接复杂节点处的钢筋协调，对于与型钢腹板垂直的水平拉筋，考虑到组合柱的整体性，同时工厂穿孔施工难度大，因此决定在型钢范围内的拉筋，每隔一根穿过型钢腹板，并将穿过钢板的拉筋直径控制在12mm，而对于在型钢处断掉的拉筋，采用增设纵向架立筋进行拉结的措施。此外，传递楼面钢梁弯矩的水平横隔板与纵向受力筋也会产生冲突，为减少钢筋穿孔，通过排布，将横隔板处的纵向钢筋尽量设置在开孔处，减少钢筋连接器的使用。

3. 2 十字形钢与楼面梁连接节点设计

核心筒十字形钢与楼面梁连接节点位置示意如图14 所示。十字形钢骨混凝土组合柱与楼面钢梁的连接如图15 所示，对于铰接的楼面梁，采用由预埋件钢板连接钢骨与钢梁的形式，方便爬模施工。由于中庭一侧有悬挑的楼面钢梁，为保证连接强度，悬挑钢梁与钢骨的连接需要设置牛腿，并且由于结构体型本身比较复杂，钢梁两端的节点通常有一定的夹角，钢梁与钢骨翼缘的接触面积大于翼缘宽度，此时在翼缘两侧设置等厚度的补强板。

3. 3 连梁钢骨做法设计

图16 给出了设计之初所采用的连梁钢骨与核

心筒暗柱的连接做法。在组合柱内设置埋件钢板，连梁钢骨的翼缘和腹板均与埋件钢板焊接，埋件钢板通过锚筋和抗剪板传递连梁的内力，为刚接做法。埋件的设置与暗柱中的水平箍筋和拉筋产生冲突，为此将最外侧箍筋在钢板处断掉再与之焊接，而拉筋不穿过抗剪板，而是通过设置架立筋进行拉结，构造复杂且现场焊接量大。

为保证连梁在强震作用下屈服耗能，主楼地上部分连梁的设计并不考虑钢骨的抗弯贡献，只承受剪力，因此无需采用纯刚接的做法，并且在实际施工时，核心筒与连梁是整体浇筑的，弱化了预埋件的定位作用，故对之前的做法进行了优化: 取消预埋件，直接将连梁钢骨伸入到核心筒暗柱中，深入长度不小于1 倍钢骨高度，伸入的部分通过在腹板和翼缘处设置栓钉进行锚固，由于钢骨主要由腹板承担剪力，连梁范围内只在腹板处设置栓钉; 暗柱内除最外侧靠近连接面的箍筋弯折后与钢骨腹板焊接外，其余水平向钢筋均穿过腹板。为协调钢骨与暗柱纵向钢筋的冲突，对翼缘在连梁内采取逐渐内收的措施，进入暗柱后翼缘宽度保证纵向钢筋通过，避免开孔。可见优化后的连接做法在满足节点处传力需要的同时构造简单、经济的同时方便施工，优化后连梁钢骨连接做法如图17 所示。

4 结语

本工程为体型复杂的超高层建筑，对于连桥

等关乎整体结构安全的关键部件，其节点可靠性尤为重要，节点设计需要细化。本文涉及的内容主要分为外框架钢节点设计以及内部核心筒型钢节点两大部分:

对于钢节点设计，通过节点有限元分析，判断节点能否满足设计性能目标，对于薄弱区需要加强构造措施，同时对于应力较小的区域考虑优化设计，故对于后期与钢结构厂家进行合作深化具有一定的指导作用。

对于混凝土型钢节点设计，中庭区域从下至上呈盘旋趋势从而导致楼面钢梁与核心筒内型钢的连接在不同的楼层呈不同角度，设计时，所采用的连接方法是在满足节点安全性的同时，充分考虑使用统一的做法解决不同角度下的连接问题，同时尽量避免钢骨与混凝土暗柱内钢筋的冲突，并对核心筒节点也进行了优化设计。

本文旨在保证节点的安全可靠，满足经济性要求的同时方便施工，为类似工程提供一些可借鉴的设计经验。

参考文献

［1］肖从真，杜义欣，康志宏，等．丽泽SOHO 双塔复杂连体超限高层结构体系研究［J］．建筑结构学报，2016，37( 2) : 11-18．

［2］肖从真，杜义欣．丰台区丽泽金融商务区E-04 地块商业金融用地项目超限高层建筑工程抗震设防审查报告［Ｒ］．北京: 中国建筑科学研究院，2014．

［3］铸钢节点应用技术规程: CECS 235∶ 2008［S］．北京: 中国计划出版社，2008．

注：本文转自建筑结构《丽泽SOHO 中心复杂体型结构节点设计》作者：王旭，荆芃芃，杨洁，束伟农，许刚，仅用于学习分享，如涉及侵权请联系删除！