闽投营运中心位于福建省福州市古田路核心商务区,西邻中美大厦,东邻古乐路,北面与地铁2号线相连。建筑占地面积超过10 000m²,其中地上建筑面积65 579m²,地下建筑面积40 842m²。位于东侧的塔楼T1为酒店,地上共24层,设备层设置在6层,结构高度96.65m。西侧的塔楼T2为商务办公楼,地上共30层,11,23层为避难层,结构高度121.5m。两塔楼中间为5层商业裙房,结构高度18.95m。地下室共4层,深度19.05m。裙房范围平面尺寸110.9m×37.5m,塔楼T1平面尺寸为38.0m×32.8m,塔楼T2平面尺寸为32.4m×32.4m。两座塔楼均采用框架-支撑芯筒结构体系,外框架为钢管混凝土柱和型钢混凝土梁组成的抗侧力体系,内核心筒为矩形钢管混凝土柱和型钢支撑组合而成的支撑芯筒抗侧力体系 ^[1]。商业裙房采用框架结构,裙房与塔楼间设防震缝。建筑效果图如图1(a)所示,结构平面图如图1(b)所示。

　　 本项目建筑结构安全等级为二级,设计使用年限为50年,地下室耐久性设计提高至100年,抗震设防类别为丙类,抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.1g,设计地震分组为第三组,建筑场地类别为Ⅲ类,基本风压为0.7kN/m²,地面粗糙度为C类。

　　 项目周边情况复杂,建筑密集,工期紧张,须采用盖挖逆作法进行施工。盖挖逆作法作为一种多层地下室结构的有效施工方法,目前在国内外得到了广泛应用。高层建筑采用盖挖逆作法施工时,通常以结构柱为中间支承柱,并采用“一柱一桩”的施工工艺 ^[2,3]。

　　 闽投营运中心的裙房与两侧塔楼在地下室顶板以上通过防震缝分隔。当采用“一柱一桩”的施工工艺时,防震缝两侧的柱子需要在地下室顶板进行单、双柱的转换处理。

　　 图2所示的7个矩形框(A～G)为地下室顶板的单、双柱转换节点位置。转换节点对结构安全关系重大,须对节点的做法进行详细探讨和分析。

　　 结合盖挖逆作法的施工工艺(不限于“一柱一桩”工法),项目设计过程中,共提出了6种转换节点方案进行比选。

　　 桩顶采用扩大头,双柱均插入桩基(图3(a))。考虑上部双柱存在较大的轴力差,双柱合力作用点中心应尽可能与桩心对中,以减小桩顶偏心荷载。由于本工程采用盖挖逆作法,桩柱为一体化施工。施工过程中,两根钢柱间距太近会产生挤土效应,施工精度很难控制。

　　 塔楼柱直接插入桩基础,裙房柱插入承台(图3(b))。该方案会导致桩基存在偏心荷载。裙房柱要在塔楼柱施工完毕之后,再按顺作法将4层地下室开挖到底,才能进行施工,工期较长。

　　 在顶板以上采用Y形柱作为转换节点(图3(c))。该方案使防震缝两侧的柱在地上1层形成一个整体构件。《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[4](简称抗规)第3.4.5条第2款规定,防震缝宜使结构形成多个较规则的抗侧力结构单元,其两侧的上部结构应完全分开。因此该方案不宜采用。

　　 将方案三的转换节点移至地下1层(图3(d))。地下1层板为400mm厚的空心楼盖,不能对转换节点进行有效约束。同时柱子在顶板处为双柱,不能满足柱底在顶板的嵌固要求。当采用逆作法施工时,转换节点需要在地下1层土方开挖以后才能进行焊接,现场节点的施工质量较难保证。故该方案也不可行。

　　 采用梁抬柱的方案,将塔楼柱与地下室柱子对中,裙房柱立于顶板梁上(图3(e))。由于裙房有5层,柱距多为10m以上,裙房柱的柱底力较大,对梁端的抗剪要求很高。并且梁上立柱的做法很难对钢柱柱脚的面内和面外均形成有效约束,故该方案也不理想。

　　 为实现单、双柱的刚性转换,以环形钢牛腿作为承接上柱的平台,并将上部双柱的柱脚用开双圆孔的圆形钢板进行约束。再通过布置环向竖肋等构造措施,增强节点的刚度和整体性(图3(f)、图4)。节点构造如同外露式联合刚性柱脚与环形钢牛腿的结合。该方案的上柱柱底力一部分直接传递至下柱,一部分通过环形钢牛腿的环向竖肋传给下柱。节点的构造可以方便地与地下室顶板各方向的楼面梁相连。

　　 以上6个方案中,方案六的节点构造传力明确、思路清晰,对柱脚的约束较强。故采用该方案作为本工程的转换节点,并对该节点进行深入的设计和受力分析。

　　 本工程的单、双柱转换节点共有7个(图2),典型的上、下柱平面分布如图5所示。其中阴影部分为重叠区域,两根上柱有近半截面不与下柱重合。为减小正常使用工况下因上柱偏置而对下部柱子产生的偏心荷载,设计时应保证上部双柱在标准组合(恒载+活载)作用下的合力作用点与下柱的柱心对中。

　　 典型转换节点的内部构造如图6所示。下柱的局部管壁向上延伸并与上部的柱咬合焊接,以增加上、下柱构件的连贯性。在双柱柱脚之间设置两道内加劲肋,将双柱焊接在一起,并在环形牛腿的上方设置开双圆孔的圆形钢板,箍紧两根上柱。3片圆形钢板即上环板、中环板和下环板,三者之间通过环向布置的竖肋相连。同时,上、下柱交汇部分形成的空腔均采用C50混凝土填充,组成异形钢管混凝土柱。

　　 钢管混凝土柱的管壁相对较薄,为了减小节点区的焊接量,转换节点采用的钢板厚度宜小于40mm。

　　 钢材的杨氏模量取206GPa,泊松比取0.28。钢材弹性阶段材料取各向同性,塑性阶段材料遵循von Mises屈服准则及相关流动准则,材料强化取各向同性强化准则。钢材本构采用双折线模型见图7,其中钢材屈服强度为345MPa,极限强度为470MPa。

　　 混凝土的杨氏模量取30.09GPa,泊松比取0.2。混凝土采用ABAQUS软件中基于弹塑性断裂和损伤的混凝土塑性损伤模型(Concrete Damaged Plasticity) ^[5,6]。韩林海教授 ^[7]基于大量的算例试算并考虑了钢管约束效应系数ξ_s的影响,提出了适合ABAQUS软件模拟钢管混凝土的混凝土应力-应变关系模型。混凝土本构模型见图8。

　　 钢管与管内核心混凝土之间的接触模拟,法线方向采用“硬接触”,切线方向服从库伦摩擦准则 ^[8],摩擦系数取0.6。

　　 模型中的钢材均采用适应性较好的4节点减缩积分壳单元(S4R)进行模拟 ^[9]。为提高计算精度,壳单元在厚度方向取9个积分点。混凝土部分则采用适合接触分析的线性减缩积分单元(C3D8R)。节点的网格划分及内部构造见图9。

　　 转换节点的所有板件均采用全熔透焊缝连接,按焊缝与钢材等强考虑,将模型中所有的钢结构部件合并(Merge)为一个整体,以减少对板件间焊缝的模拟计算。节点的边界条件如图10所示,模型的柱底约束设置为刚接。为简化计算模型,不对非关键部位进行模拟,如柱脚和柱头的环向构造小加劲肋,以及上、下柱子交汇部分形成的空腔内混凝土。

　　 由于每个节点在不同工况下的弯矩和剪力值不同,上柱的反弯点位置也不尽相同。本工程的有限元模型的上柱长度统一取1.9m,并在两根上柱的柱顶中心施加修正过的轴力、剪力和弯矩,保证上柱的柱脚所受到的弯矩、剪力、轴力与实际相同。

　　 根据YJK软件对整体模型进行中震弹性分析,从计算结果中提取最不利目标工况下的塔楼和裙房柱的柱底荷载,具体荷载见表1。

　　 由于荷载施加点距离柱脚有1.9m的距离,因此,模型中加载的弯矩值应扣除由剪力导致的附加弯矩(计算时应考虑弯矩和剪力的荷载方向)。考虑模型加载点的剪力导致的柱底附加弯矩的影响,模型实际输入荷载见表2。

　　 转换节点的钢结构整体应力云图如图11所示,模型中的上柱柱脚、下柱柱顶以及直接承压的6片环向竖肋的应力值均超过315MPa,但未达到屈服。节点对柱脚的约束效应明显,最大von Mises应力位于裙房柱的柱脚根部(箭头示意处),应力值为344MPa。节点区未达到屈服且未发生屈曲,满足中震弹性的设计要求。

　　 图12～15为节点区域的局部应力云图。由图12可知,直接承压的6片环向竖肋,应力云图的分布呈现出斜压的受力模式。上柱在非重叠区域的柱底力主要由这部分加劲肋传递给下柱。

　　 上环板的应力云图如图13所示。由图13可知,钢板在沿柱脚变形的方向,应力云图呈现亮色。云图分布情况表明,当上部柱子有向外位移趋势时,该层钢板对柱脚的侧向变形起到有效的约束作用,增强了节点的整体性能。

　　 图14为中环板的应力云图。由图14可知,连接上部双柱柱脚的两片内加劲肋的von Mises应力在170～200MPa之间,表明该位置的加劲肋对柱脚变形可以起到一定的约束作用。

　　 在上、下柱的重叠区域内,中环板的应力不足110MPa。非重叠区域的应力则相对较大,应力值在170～230MPa之间,两区域存在较大的应力差。这主要是由于上、下柱的重叠区域内,钢管柱的混凝土填芯与中间层钢板紧密接触,上部的柱底力隔着钢板直接传递给了下柱,钢板主要为压缩变形,基本没有面外变形。而非重叠区的环向竖肋能够提供的竖向刚度相对柱子较小,且竖肋之间存在无支撑空间。因此该区域的钢板在上部荷载作用下,出现了一定的面外弯曲变形。

　　 分析表明,中环板在整个节点中起到连接上、下柱和传递内力的重要作用。为保证节点安全可靠,宜采取构造加强措施,提高中环板在非重叠区域的面外刚度。

　　 下环板的应力状态如图15所示。由图15可知,该层钢板的应力水平最低,在整个节点中起增强节点整体性的构造作用。

　　 转换节点的混凝土部分应力云图分布如图16所示。由图16可知,上、下柱的非重叠区与重叠区的交界处以及上、下环板与柱相连的位置出现了局部应力集中。最大应力超过50MPa,但范围较小。其余部位仍尚处于弹性状态。

　　 图17分别为裙房柱、塔楼柱和下柱的混凝土填芯的单体应力云图。从图17可清楚地看出,柱脚内的混凝土损伤主要集中在上、下环板对柱的约束部位,其中环向竖肋的端部对应位置的混凝土应力集中明显。塔楼柱的柱底与下柱柱顶边缘的接触部位也出现了小范围的局部应力集中。

　　 在中震弹性的最不利工况下,柱构件内部的混凝土填芯存在局部损伤,但损伤范围较小,不影响整体受力。分析结果表明,新型环形钢牛腿转换节点对柱构件能够形成较强的约束作用。

　　 根据分析结果以及钢管混凝土的材料特性,对本工程实际采用的节点增加以下构造加强措施(图18,19):

　　 (1)增加非重叠区域的直接承压的环向竖肋数量,提高该区域的竖向刚度和承载力,缓解下柱的柱顶边缘与上部柱底接触部位的应力集中。

　　 (2)在原有3道环板之间增加2道环板,进一步加强节点的整体性和环向竖肋的稳定性。

　　 (3)在下柱柱顶增加横向管内加劲肋,增强中间层环板的面外刚度。

　　 (4)节点区域预留灌浆孔、排气孔,加注浆管,采用高压注浆等施工措施保证混凝土浇灌密实。

　　 (5)节点2倍管径的高度范围内,增加钢管内栓钉,防止钢管混凝土脱粘。采用微膨胀混凝土,减小混凝土的收缩问题。

　　 通过建立新型环形钢牛腿转换节点的有限元分析模型,对典型节点中震弹性的最不利目标工况进行受力分析,得出如下结论:

　　 (1)本工程所采用的节点形式能够满足中震弹性的设计要求。节点构造可靠,能够实现杆件内力的有效传递。

　　 (2)钢管混凝土柱的内部混凝土填芯存在局部损伤。损伤范围较小,不影响整体结构的受力性能。转换节点仍处于弹性阶段,满足强节点弱构件的抗震要求。

　　 (3)直接承担上柱在非重叠区域的竖向荷载的加劲肋,其应力云图呈斜压的受力模式。加劲肋临近屈服,宜增加构造加强措施,提高节点的承载力富余度。