常州文化產(chǎn)業(yè)城圖書(shū)館結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)性能分析研究★

胡 宏 建慧城 周一一 沈 煒

(1.江蘇筑森建筑設(shè)計(jì)股份有限公司，江蘇 常州 213000； 2.常州工學(xué)院，江蘇 常州 213002)

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常州文化產(chǎn)業(yè)城圖書(shū)館結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)性能分析研究★

胡 宏1建慧城1周一一2沈 煒1

(1.江蘇筑森建筑設(shè)計(jì)股份有限公司，江蘇 常州 213000； 2.常州工學(xué)院，江蘇 常州 213002)

以某單體圖書(shū)館為例，研究了大懸挑部分鋼拱柱與水平梁連接的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)性能，通過(guò)ABAQUS有限元彈塑性分析，對(duì)框架整體的應(yīng)力變形進(jìn)行評(píng)估，并單獨(dú)提出了動(dòng)力時(shí)程中的位移邊界條件，將其施加到節(jié)點(diǎn)模型上進(jìn)行精細(xì)化分析，得到節(jié)點(diǎn)支撐部分與加勁板上的受力特點(diǎn)，完成了節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵性能的研究。

大懸挑結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)性能，塑性時(shí)程分析，ABAQUS

1 項(xiàng)目概述

常州文化廣場(chǎng)項(xiàng)目位于江蘇省常州市市民廣場(chǎng)的南側(cè)，由圖書(shū)館、美術(shù)館、書(shū)城、酒店、培訓(xùn)中心、南側(cè)辦公、地下商業(yè)、地下車庫(kù)組成。其中地下室2層，圖書(shū)館等block均為10層，南側(cè)辦公為12層；總建筑面積507 558 m2，其中地上建筑面積229 729 m2,地下建筑面積277 829 m2。高層主體建筑由6個(gè)相同形狀、不同方向旋轉(zhuǎn)的傘狀體塊(block)組成，北側(cè)3個(gè)體塊為文化建筑，設(shè)計(jì)方案效果見(jiàn)圖1。

2 結(jié)構(gòu)特征

本文主要分析的圖書(shū)館為例，圖書(shū)館分為地上10層和地下2層，地上層高從4.8 m到5.0 m不等，地下1層層高為-8.1 m，地下2層為-13.5 m。結(jié)構(gòu)采用剪力墻筒體結(jié)構(gòu)作為主要的抗側(cè)力體系，核心區(qū)由角部四個(gè)剪力墻筒體組成，在筒體外圍設(shè)置了11根落地鋼拱柱。

剪力墻筒體承受拉力的部位設(shè)置型鋼,筒體之間設(shè)置型鋼混凝土框架梁。核心區(qū)樓板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，板厚取180 mm以提高結(jié)構(gòu)抗傾覆能力及核心區(qū)整體性；懸挑區(qū)域采用鋼柱鋼梁、外圍鋼拱柱落地，樓板采用壓型鋼板組合樓蓋，折算厚度為80 mm

以減輕懸挑自重。地下室采用鋼筋混凝土框架，地下室總尺寸約400 m×400 m，屬超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。

3 復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)分析

3.1 節(jié)點(diǎn)分析策略

大型空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分[1]，通常的做法是，利用ABAQUS等有限元分析軟件，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建立在材料非線性和幾何非線性基礎(chǔ)上的模擬分析，來(lái)分析驗(yàn)證結(jié)構(gòu)各個(gè)部分的受力和變形性質(zhì)[2]。利用ABAQUS等通用有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的彈塑性分析，通常將梁柱簡(jiǎn)化成線單元，將剪力墻等簡(jiǎn)化成面單元，通過(guò)考慮了纖維混凝土性質(zhì)二次開(kāi)發(fā)的混凝土本構(gòu)模型和包含彈塑性的鋼本構(gòu)模型，以及ABAQUS自帶的材料塑性損傷模型來(lái)模擬結(jié)構(gòu)分析。

然而從節(jié)點(diǎn)分析的角度來(lái)說(shuō)，由于在整體的結(jié)構(gòu)模型中將梁柱簡(jiǎn)化成了線單元，因此節(jié)點(diǎn)被簡(jiǎn)化成了一個(gè)完全剛結(jié)的點(diǎn)，這種假設(shè)對(duì)于節(jié)點(diǎn)的精細(xì)化分析顯然是不利的。因此在特別復(fù)雜的結(jié)構(gòu)超限審查中，將結(jié)構(gòu)中復(fù)雜節(jié)點(diǎn)做成實(shí)體單元來(lái)單獨(dú)進(jìn)行彈塑性分析是必須的[3,4]，在上海虹橋機(jī)場(chǎng)航站樓、天津津塔和新蘇州火車站等大型工程項(xiàng)目分析中都采用了類似的做法[5-7]。

3.2 結(jié)構(gòu)整體模型中的拱圈鋼構(gòu)件分析

對(duì)結(jié)構(gòu)整體已經(jīng)進(jìn)行了彈塑性分析，如圖2所示為拱圈鋼構(gòu)件在重力作用下的應(yīng)力，可以看出其最大應(yīng)力為144.1 MPa，發(fā)生在框架梁處，主要構(gòu)件的應(yīng)力水平約110 MPa。在NAG2026波(X∶Y∶Z=0.85∶1∶0.65)工況下，在第41 s地震作用結(jié)束時(shí)，如圖3所示，可以看出此時(shí)拱圈鋼構(gòu)件最大應(yīng)力為133.6 MPa，主要構(gòu)件的應(yīng)力水平約110 MPa。由此可以看出，拱圈鋼構(gòu)件的自重對(duì)于拱圈的應(yīng)力起控制作用。對(duì)于拱圈的鋼構(gòu)件，在經(jīng)歷41 s罕遇地震作用下，采用其最終的累積塑性應(yīng)變來(lái)判別構(gòu)件是否進(jìn)入塑性。圖4給出了拱圈鋼構(gòu)件在地震結(jié)束后的等效塑性應(yīng)變，可以看出，拱圈全部鋼構(gòu)件的塑性應(yīng)變?yōu)?，說(shuō)明在罕遇地震作用下，拱圈鋼構(gòu)件仍處于彈性工作狀態(tài)。

常州龍城文化產(chǎn)業(yè)城的單體是一個(gè)典型的雙側(cè)大懸挑結(jié)構(gòu)，懸挑部分通過(guò)鋼拱柱，水平工字鋼梁和豎直方向的方鋼管組成的體系來(lái)進(jìn)行支持。結(jié)合整體模型的性能化分析中最大應(yīng)力的位置，以及防連續(xù)倒塌等多方面分析，確定了懸挑部分頂部較凸出部分上的梁柱和鋼拱連接的節(jié)點(diǎn)是本項(xiàng)目的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。為了更好的反映節(jié)點(diǎn)的表現(xiàn)，選取了1號(hào)節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行精細(xì)化分析。節(jié)點(diǎn)區(qū)域的立視圖見(jiàn)圖5。

節(jié)點(diǎn)的構(gòu)件編號(hào)和網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖6。其中，ZG截面尺寸為600 mm×800 mm×50 mm×50 mm，GZ截面尺寸為600 mm×600 mm×22 mm×22 mm，LX截面尺寸為600 mm×300 mm×12 mm×18 mm，ZC截面尺寸為400 mm×400 mm×25 mm×25 mm，加勁板厚度為18 mm，且2號(hào)節(jié)點(diǎn)局部加厚至20 mm，如圖8中深色區(qū)域所示，上述實(shí)體模型按照實(shí)際節(jié)點(diǎn)構(gòu)造1∶1設(shè)計(jì)完成。

節(jié)點(diǎn)區(qū)加勁板與加厚區(qū)域示意圖見(jiàn)圖7。

經(jīng)過(guò)時(shí)程分析，1號(hào)節(jié)點(diǎn)的Mises應(yīng)力云圖如圖8所示，在大震的時(shí)程位移作用下，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在箱形GZ和箱形支撐構(gòu)件ZC交匯角點(diǎn)處，最大應(yīng)力值約為201 N/mm2，處于安全的應(yīng)力水準(zhǔn)范圍，其余構(gòu)件包括構(gòu)件內(nèi)部加勁板均處于安全的應(yīng)力水準(zhǔn)。從上面的分析結(jié)果來(lái)看，節(jié)點(diǎn)實(shí)體模型的有限元分析結(jié)果與整體模型時(shí)程分析的結(jié)果一致，結(jié)構(gòu)處于安全與穩(wěn)定的狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于常州龍城文化產(chǎn)業(yè)城圖書(shū)館雙側(cè)大懸挑結(jié)構(gòu)，闡述了在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位建立節(jié)點(diǎn)實(shí)體模型，輸入整體彈塑性模型中的位移時(shí)程作為邊界條件，來(lái)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和變形的安全性的方法。得出以下結(jié)論：精細(xì)化模型中的最大應(yīng)力要大于整體模型，并且最大應(yīng)力出現(xiàn)在連接部位，體現(xiàn)了精細(xì)化之后的幾何構(gòu)造。最后，從總體上看整體彈塑性模型和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的實(shí)體模型的結(jié)論是一致的，節(jié)點(diǎn)部分的受力和變形都處于彈性范圍內(nèi)。

[1] 吳春林,劉永建,史新格，等.大跨度空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)技術(shù)[A].全國(guó)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)[C].2007.

[2] 王雨生,王曙光,王滋軍，等.基于ABAQUS子結(jié)構(gòu)法對(duì)超限高層復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分析[J].建筑科學(xué),2012,28(9):8-13.

[3] 漆 俊,鄒祖軍.基于ABAQUS的型鋼混凝土復(fù)雜節(jié)點(diǎn)分析[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016(3)：122-124.

[4] 曹正罡,周傳波,周觀根，等.基于MATLAB-GUI的大跨空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)智能分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].土木建筑工程信息技術(shù),2014,6(1):61-66.

[5] 任常保,周文瑛,葛冬云，等.天津津塔鋼板剪力墻與鋼管混凝土柱復(fù)雜節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)研究[J].施工技術(shù),2011,40(18):59-63.

[6] 彭 翼,范 重,趙長(zhǎng)軍,等.蘇州火車站站房鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2012(1):41-48.

[7] 葉衛(wèi)東.上海虹橋綜合交通樞紐東交通廣場(chǎng)及磁浮虹橋站工程勁性柱梁復(fù)雜節(jié)點(diǎn)施工技術(shù)[J].建筑施工,2010,32(4):279-280.

The analysis and research on key nodes performance of Changzhou cultural industry city library★

Hu Hong1Jian Huicheng1Zhou Yiyi2Shen Wei1

(1.NternationalCenturyDesignofArchitectureCo.,Ltd,Changzhou213000,China； 2.ChangzhouInstituteofTechnology,Changzhou213002,China)

In this paper, as an example, a single library block is selected to describe the analysis of the key nodes at the connections of large cantilevered arch columns and horizontal beams. Firstly ABAQUS finite element elastoplastic analysis is applyed to assess the overall framework of stress and deformation, the results of displacement are extracted separately to the proposed node analysis model. During the node analysis, the stress and stiffening on the support and board are classified, the study of node key properties are completed.

large cantilevered structure, node performance, elastoplastic analysis, ABAQUS

1009-6825(2016)28-0038-03

2016-07-22 ★ :國(guó)家自然科學(xué)基金“含有三維受壓構(gòu)件張拉結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與控制技術(shù)”(項(xiàng)目編號(hào)：51308080)；國(guó)家自然科學(xué)基金“含有重復(fù)性模塊空間結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化研究”(項(xiàng)目編號(hào)：51678082)

胡 宏(1978- )，男，碩士，高級(jí)工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師；

TU311

A

建慧城(1978- )，男，碩士，高級(jí)工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師；

周一一(1981- )，男，博士，副教授； 沈 煒(1986- )，男，碩士