南京某高层连体结构优化分析

南京某高层连体结构优化分析

匡书阅

上海沪宁钢机股份有限公司上海200021

摘要：本工程为典型的连体超高层建筑，其主要结构形式为“钢框架—核心筒+连体桁架”组合结构体系。塔楼T1共79层，总高约363米；塔楼T2各塔楼共计67层，总高约314米；塔楼T3共计60层，总高约284米；三栋塔楼在高度约191米处设置5层高的空中平台将塔楼连成一体。本工程结构体系复杂在给设计带来巨大难度的同时，也给施工带来了严峻的挑战，因其空中平台重量重，节点形式复杂，安装制作难度大。本文通过整体分析计算以及复杂节点分析计算，从设计及实际施工角度对本工程进行优化对比。

关键词：铸钢构件；焊接工艺；有限元

0前言

本工程具有结构高度高，结构体系复杂等特点，尤其是其高位空中平台的设置，该平台通过设置连体桁架及转化桁架、伸臂桁架等加强结构，形成5层高空平台在191米将三栋塔楼连为一体，使整体建筑组成钢框架-混凝土核心筒-连体桁架结构，是整个结构体系最关键一部分。其存在整个钢平台质量重，整体提升难度大，节点加工复杂等难点，如何在满足其结构本身设计承载力的要求下，通过合理的优化杆件截面，减少整体提升难度，减少节点加工及安装难度是本次优化设计的重点，本文通过整体分析以及复杂节点细部分析，从设计及施工角度对本工程进行优化分析。

1.整体结构优化计算与分析

本工程结构体系自身的受力特点与抗震要求，通过在空中平台处设置的环桁架、伸臂桁架及转换桁架等结构形成其支撑加强系统，结构的侧向刚度相对较小，基本自振周期较长，结构水平层间位移较大。鉴于此，本次针对该工程的钢结构优化设计主要考虑对钢框架—混凝土核心筒间承担竖向荷载并起联系作用的组合梁（次梁）、部分框架粱（主粱）以及部分中空连体桁架进行截面优化与调整；本次结构优化设计的目标是在满足结构整体指标的情况下，通过优化主次梁截面，减少部分富余量较大的截面；桁架节点通过改变截面形式减小节点加工难度进行优化。

1.1小震计算分析

主要阵型

主要计算结果

由上表可知结构基本满足规范要求，基本周期为6.883s，第一振型为Y方向的平动，第二振型为X方向的平动，第三振型为结构扭转。振型数取99，总质量参与系数达到97%，其中结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比为0.859，略大于规范规定的0.85，说明结构抗扭转能力略弱，可适当提高结构的抗扭能力。为便于比较，现将小震作用下结构的位移，地震剪力以图表形式表示如下：

1）X方向风荷载、地震荷载下结构的最大位移、层间位移角

上图可知结构的最大层间位移角小于规范规定的1/500限值，且小震作用下风荷载起控制作用

2）Y方向风荷载、地震荷载下结构的最大位移、层间位移角

由上图可知结构的最大层间位移角小于规范规定的1/500限值，且小震作用下风荷载起控制作用。

3）地震作用下层剪力分配

根据《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-98中5.3.3规定，第一阶段抗震设计中，框架—支撑（剪力墙）体系中总框架任一楼层所承担的地震剪力，不得小于结构底部总剪力的25%。

1.2中震计算分析

1、结构基底剪力

结构在多遇地震作用下和中震作用下计算基底剪力比较如下表：

中震多遇地震作用下基底反力对比

中震作用下基底剪力相当于多遇地震作用下的约2.5倍，说明中震作用下结构受力明显增大。

2、结构最大层间位移角

X、Y方向最大层间位移角

中震作用下位移角分别满足规范性能2和性能3的要求，满足抗震性能化设计的要求。

由上图可知，设防地震作用下，地震荷载起控制作用。且在设防地震作用下结构最大层间位移角可以满足抗震性能设计中的性能3要求，但不能满足性能2的要求，即结构在中震作用下达到不屈服状态，但不能保持弹性。

1.3优化设计前后典型结构构件计算结果比较

取典型层平面优化前后应力比对比情况如下图所示：

1、典型层框架次梁应力比对比：

连体桁架下弦节点对比

根据以上对比，结构优化前后应力比变化很小，应力比大约比优化前增大0.1左右，优化完之后应力比约在0.5左右，基本实现了优化设计目标。

本次优化一共优化用钢量1593.3t，其中框架次梁总用钢量为4108.4t，优化减少了725t，减少用钢量17.6%，框架主梁总用钢量为8042t，优化减少了265.4t，减少用钢量3.3%，连体桁架结构部分总用钢量为4821t，优化减少了602.9t，减少用钢量12.5%。

连体桁架斜撑节点对比

2.复杂节点优化计算与分析

根据本工程结构特点，分析得出其空中平台上下两层钢桁架中的各类汇交节点截面形式多变，桁架交汇角度复杂，内部各类隔板、加劲板数量形式复杂，焊缝数量众多。以上节点制造复杂，在制造过程中极易出现问题影响节点构件成品质量，导致实际钢结构的承载能力达不到设计理论计算预期，最终影响结构安全。本文选取针对转换桁架下弦以及斜撑节点做对比主要分析对象，从节点的结构特点、加工难点、受力计算以等方面进行了分析与比较。

2.1节点加工制作对比

2.2节点有限元分析

本次分析采用ANSYS进行节点有限元分析，使用ETABS整体计算模型提取最不利荷载组合工况下节点力，施加于模型上进行数值分析，从而得出节点在最不利荷载作用下的应力分布情况。采用通用有限元软件ANSYS进行数值计算分析，节点实体单元采用SOLID95,截面耦合质量单元采用MASS21。根据结构节点的受力情况，对有限元模型施加由结构整体分析得到的荷载，在刚度最大的交接点采用固定约束。节点钢材材质Q390，屈服强度390N/mm2；钢材强化阶段的切线模量取为弹性模量的1/100，即，，泊松比。

4).计算结果分析项目：

主要包括节点受力后的节点整体空间位移、X方向空间位移、Y方向空间位移、Z方向空间位移、Mises等效应力及塑性阶段的变形发展区域。

2.2.1桁架下弦节点的主要分析结果

原设计：斜撑采用H型钢截面600x600x20x60的节点Mises等效应力最大值主要发生于斜腹杆截面突变部位，结构节点等效应力均处于310N/mm2之内；应力集中局部区域在折角处，对应的Mises节点等效应力为485N/mm2，节点局部塑性区发展范围小；最大变形发生在工字截面Z向，大小为2.8mm。

优化设计：斜撑采用箱型截面600x400x20x40的节点Mises等效应力最大值主要发生于斜腹杆截面部位，结构节点等效应力均处于310N/mm2之内；折角处存在一部分应力集中区域，对应的Mises节点等效应力为480N/mm2，节点局部塑性区发展范围小；最大变形发生在箱型截面Z向，大小为2.6mm。

综上可知，在本工程的荷载条件下，方案一与方案二的节点整体应力方面区别不大，节点的受力与变形均处于安全与可控的范围；但方案二的节点应力分布更为均匀，斜撑X、Y两个方向的刚度更强，位移更小。结合桁架结构整体计算的分析结果，在本实体模型节点范围内，采用方案二可减少用钢量约20%。

2.2.2桁架斜撑节点的主要分析结果

原设计：斜撑采用H型钢截面800x600x20x80的节点Mises等效应力最大值主要发生于支撑截面突变部位，结构主体部位节点等效应力均处于310N/mm2之内；应力集中局部区域在支撑折角处，对应的Mises节点等效应力为420N/mm2，局部塑性区发展范围小；最大变形发生在H字钢Z向，大小为18mm。优化设计：斜撑采用箱型截面500x500x25x50的节点Mises等效应力最大值主要发生于支撑变截面部位，结构主体部位节点等效应力均处于310N/mm2之内；折角处存在一部分应力集中区域，对应的Mises节点等效应力为420N/mm2，局部塑性区发展范围小；最大变形发生在箱型截面Z向，大小为10mm。综上可知，在本工程的荷载条件下，方案一与方案二的节点整体应力方面区别不大，节点的受力与变形均处于安全与可控的范围；但方案二的节点应力分布更为均匀，斜撑X、Y两个方向的刚度更强，位移更小。结合桁架结构整体计算的分析结果，在本实体模型节点范围内，采用方案二可减少用钢量约3~5%。

参考文献

[1]《钢结构设计手册》编辑委员会.钢结构设计手册(下册)[J].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[2]钢结构工程施工质量验收规程GB50205-2001.

[3]建筑钢结构焊接规程JGJ81-2002.

[4]钢结构工程施工质量验收规程GB50205-2001.