斜交网格结构体系由于具有较大的抗侧刚度和抗扭刚度, 越来越广泛地应用于超高层钢结构建筑中^[1,2,3]。为达到高层建筑办公通透性的目的, 外框筒一般由巨型斜交网格节点和斜柱构件组成。关于斜交网格结构体系的节点, 根据节点形式一般可分为平面斜交节点和空间斜交节点, 根据斜柱构件形式也可分为圆管斜交节点 (如广州西塔) 和箱形斜交节点 (如宁波国华金融大厦) ^[4,5,6,7,8]。斜交网格节点存在节点构造复杂、受力变形复杂以及制作工艺复杂等问题, 有必要对其进行深入的有限元分析^[9,10,11,12]。

　　 本文基于宁波国华金融大厦项目, 研究其斜交网格节点的设计原则、有限元受力分析以及节点制作工艺。

　　 宁波国华金融大厦总建筑高度206.1m, 地上43层, 平面外轮廓尺寸61.8m×35.7m, 塔楼外立面采用斜交网格结构体系, 每4层构成一个斜交节点, 结构模型见图1。

　　 根据斜交节点的位置, 主要包括中部平面斜交节点、角部空间斜交节点和底部Y形转换节点 (分别简称中部节点、角部节点及底部节点) 三种, 见图2。其中, 中部节点、角部节点的竖向高度分别为4.3, 6.8m, 斜交构件夹角分别为28.39°, 19.97°。底部节点的上侧同前两种节点, 下侧则转换为地下室的竖向型钢混凝土柱, 两侧通过型钢混凝土梁进行侧向刚度加强。

　　 斜交节点主要由斜柱构件节点接头部分、中间竖向加劲板、上下翼缘加劲板、四周竖向壁板、连接钢梁的竖向腹板以及内部竖向分隔板组成。其中中间竖向加劲板为最主要的受力构件, 其将节点分成左右两部分;斜柱构件主要承受轴力并汇交与斜交节点区域, 斜柱构件采用箱形截面钢管混凝土^[13], 截面边长为750～500mm, 壁厚为40～20mm, 其中18层以下内部浇灌混凝土进行加强。

　　 斜交节点设计的基本思想是通过竖向加劲板将斜交节点分隔成左右两部分, 上下斜柱则通过翼缘加劲板和四周竖向壁板进行转换。其中竖向加劲板为最主要的受力构件, 由于厚度较大需考虑z向性能, 以避免钢板沿厚度方向撕裂。

　　 斜交节点设计的基本原则是采用等效面积原则来保证节点承载力大于进入节点的斜交网格构件承载力之和, 即“强节点、弱杆件”。为便于混凝土自由流通以保证其密实度, 竖向加劲板、翼缘加劲板上均设置洞口, 并通过内部竖向分隔板进行补强。

　　 初步确定斜交节点各构件尺寸及厚度时, 为安全起见不考虑内部混凝土的抗压作用。中间竖向加劲板的厚度考虑取为进入节点的箱形截面钢管构件最大壁厚的2倍, 上下翼缘加劲板、四周竖向壁板厚度则取1.5倍, 内部竖向分隔板厚度取与相连钢梁腹板相同。在此基础上, 还需通过进一步的有限元分析保证斜交节点整体应力水平在250MPa以下, 以确保节点核心区在大震作用下不屈服, 局部应力集中处可进入塑性。

　　 由于该工程的斜交节点形式复杂、内部分隔板较多, 节点内部混凝土的密实度较难保证, 设计时考虑以下措施:1) 整体分析时控制多遇地震下考虑内部混凝土作用时的斜柱构件最大应力小于0.6;2) 斜交节点作为关键构件, 性能化分析时考虑其在大震作用下且不考虑内部混凝土作用 (作为受力性能余量考虑) 时, 不出现屈服情况;3) 采用超声波检测和钻孔压浆以保证内部混凝土密实度。

　　 斜交网格构件主要承受轴力作用, 且底部构件受力最大, 为最不利位置。本节以斜交网格体系底部的中部节点、角部节点为例, 采用大型通用有限元软件ANSYS进行有限元数值分析, 研究其正常工作时的应力变形情况以及极限破坏荷载和破坏效应。

　　 该节点的下斜柱和上斜柱构件箱形截面分别为□750×40和□750×30, 中间竖向加劲板壁厚80mm, 上下翼缘加劲板和四周竖向壁板壁厚60mm, 内部竖向分隔板壁厚25mm, 斜柱构件的夹角为28.39°, 竖向高度取为4.3m, 水平长度为3.2m, 中间竖向加劲板和上下翼缘加劲板均开洞以便混凝土浇灌, 钢梁截面H740×300×25×35, 沿两轴线向的钢梁1和钢梁2与节点刚接, 与轴线成90°的平面外钢梁3与节点铰接, 见图2 (a) 和图3。

　　 图3 中部节点有限元模型

　　  

　　 图4 中部节点应力云图/Pa

　　 采用ANSYS软件进行有限元分析时, 采用薄壳单元模拟, 单元划分考虑以四边形单元为主结合三角形单元形式;由于考虑斜交节点在大震作用下不计内部混凝土时不出现屈服, 因而采用较为简单的理想弹塑性材料本构, 节点破坏则通过屈服应力和塑性变形来体现。Q345B弹性模量2.06×10¹¹Pa, 屈服强度345MPa, 泊松比0.3。大震下正常工作时, 边界条件为约束模型中心点 (定位点) 附近的斜交节点, 在构件端部施加对应荷载, 详见表1。中部节点有限元模型见图3。图3模型中未建立钢梁3 (水平且垂直于钢梁1和钢梁2) , 钢梁3对其他构件的作用按集中荷载形式施加。

　　 图4和图5分别给出了大震作用下, 正常工作时中部斜交节点的应力云图和位移云图。可知, 该节点的整体平均应力水平在250MPa以下 (出现在上斜柱, 控制应力295MPa, 应力比为0.85) , 该设计可保证节点核心区在大震作用下不屈服。由于应力集中, 斜柱构件与中间竖向加劲板、翼缘加劲板相交位置以及开洞处的钢材局部进入了塑性。斜柱构件端部的最大位移约为3mm。

　　 非线性轴压破坏分析时, 在斜柱构件端部增加刚性封板, 并采用等效均布荷载形式以考虑斜柱构件对该端部的转动约束;下斜柱端作为固定约束端, 上斜柱端和钢梁端部作为加载板, 采用静力方式逐级施加递增的荷载。施加第1阶屈曲模态 (图6) 作为初始几何缺陷, 缺陷幅值取5mm, 采用弧长法求解极限轴压荷载系数。

　　 图7给出了中部节点斜柱构件端部加载点的荷载-位移变化曲线。可知, 当荷载加大到斜交节点的极限承载力后, 由于构件的塑性屈曲破坏效应, 出现显著的屈曲极值点, 屈曲后节点无法继续承载。对应大震作用效应的极限荷载系数约为1.510, 即中部节点的极限承载力约为30 955kN。

　　 图8给出了中部节点极限屈曲时的应力分布云图。可知, 极限荷载作用下, 斜交节点的塑性区域已扩散至上斜柱构件大范围区域, 斜柱构件先于节点加劲板进入屈服, 整体呈现斜柱构件塑性屈曲破坏效应, 符合“强节点、弱杆件”的结构设计要求。

　　 该节点的下斜柱和上斜柱构件箱形截面均为□750×40, 中间竖向加劲板壁厚80mm, 上下翼缘加劲板和四周竖向壁板壁厚60mm, 内部竖向分隔板壁厚25mm, 斜柱构件的夹角为19.97°, 与两侧水平梁夹角均为75.81°, 竖向高度取为6.8m, 上下翼缘加劲板开洞以便混凝土浇灌, 钢梁截面H740×300×25×35, 沿两轴线向的钢梁1和钢梁2与节点刚接, 与轴线成45°的平面外钢梁3与节点铰接, 见图2 (b) 和图9。同3.1算例, 采用四边形为主结合三角形的薄壳单元进行 (Q345B) 网格划分;钢材采用理想弹塑性材料, 弹性模量为2.06×10¹¹Pa, 屈服强度为345MPa, 泊松比为0.3。大震下正常工作时, 约束模型中心点 (定位点) 附近的斜交节点, 在构件端部施加对应荷载, 详见表2。角部节点有限元模型见图9。图9模型中未建立钢梁3 (水平且与钢梁1、钢梁2成45°夹角) , 钢梁3对其他构件的作用按集中荷载形式施加。

　　 图10和图11分别给出了大震作用下, 正常工作时角部节点的应力云图和位移云图。可知, 该节点的整体平均应力水平在200MPa以下 (主要出现在下斜柱, 控制应力250MPa, 应力比为0.80) , 该设计可保证节点核心区在大震作用下不屈服。由于应力集中, 斜柱构件与中部竖向加劲板、翼缘加劲板相交位置以及开洞处的钢材局部进入了塑性。斜柱构件端部的最大位移约为4mm。

　　 非线性轴压破坏分析时, 同3.1节算例, 在斜柱构件端部增加刚性封板, 其中下斜柱端作为固定约束端, 上斜柱端和钢梁端部作为加载端。施加第1阶屈曲模态 (图12) 作为初始几何缺陷, 缺陷幅值取5mm, 采用弧长法求解极限轴压荷载系数。

　　 图13给出了角部节点斜柱构件端部加载点的荷载-位移变化曲线。可知, 当荷载加大到斜交节点的极限承载力后, 由于构件的塑性屈曲破坏效应, 出现显著的屈曲极值点, 屈曲后节点无法继续承载。对应大震作用效应的极限荷载系数约为2.014, 即角部节点的极限承载力约为40 480kN。

　　 图14给出了角部节点极限屈曲时的应力分布云图。可知, 极限荷载作用下, 斜交节点的塑性区域已扩散至斜柱构件大范围区域, 斜柱构件先于节点加劲板进入屈服, 整体呈现斜柱构件塑性屈曲破坏效应, 符合“强节点、弱杆件”的结构设计要求。

　　 斜交节点由各类型材板件焊接组成, 焊接工艺较为复杂;18层以下还需内灌混凝土, 即涉及隔板开洞以保证密实度。本节从板件焊接和混凝土浇灌两方面对斜交节点的制作工艺进行研究。

　　 斜交节点具有斜柱构件夹角较小、组成焊接板件较多、节点内部隔板较多、焊缝质量要求高等特点, 焊接工艺较为复杂。

　　 图15为焊接完成后各类斜交网格节点实体模型。斜交节点区域采用全熔透坡口等强焊接, 焊缝质量等级为二级及以上。根据节点板件组成特点, 考虑依次序分别焊接中间竖向加劲板、左右两侧竖向隔板组件、上下水平横隔板和四个斜柱构件, 以保证焊接质量。其中中部节点和角部节点的斜柱构件夹角分别仅为28.39°和19.97°, 对应斜柱构件与竖向加劲板夹角仅为14.195°和9.985°, 切坡口全熔透焊接时需严格满足焊缝质量相关要求。

　　 中间竖向加劲板在水平钢梁拉力作用下, 梁高范围内存在局部受拉作用, 由于壁厚较厚, 板件厚度方向性能需满足《厚度方向性能钢板》 (GB/T 5313—2010) 的相关规定。此外, 焊接完后应根据相关规范进行焊缝质量无损检测。

　　 本工程斜交网格构件截面较大、每节段浇灌高度较大且构件内有多处节点加强肋板, 施工时采用高抛自密实和振捣法进行浇灌, 以保证其密实度。

　　 图16为斜交节点网格构件内部混凝土浇灌工艺流程。选用高流态的C60微膨胀自密实混凝土, 首先通过塔吊或布料机将其输送至操作平台上漏斗处;再通过漏斗进行混凝土浇筑, 随钢结构施工完一节浇筑一节;为保证钢结构焊接质量, 浇筑完成面离钢管斜柱上口500mm。为保证混凝土在横隔板处的密实度, 当浇筑混凝土溢过下层横隔板时, 用高频振动棒振捣, 严格控制振捣时间;再将混凝土浇筑溢过上层横隔板, 用上述方法振捣;最后完成余下混凝土浇筑至完成面标高。

　　 混凝土浇筑完成后需对钢管混凝土斜柱进行密实度检测, 主要采用敲击法和声波CT检测法。首先采用敲击钢管的方法进行全数检查, 声波CT检测则按斜柱构件和节点检测截面总量的10%进行抽检。对于不密实的部位, 则采用钻孔压浆法进行补强, 并将孔补焊封固。

　　 (1) 通过竖向加劲板将斜交节点分隔成左右两部分, 上下斜柱则通过翼缘加劲板和四周竖向壁板转换;采用等效面积原则来保证节点承载力大于进入节点的斜柱构件承载力之和, 即“强节点、弱杆件”。

　　 (2) 正常工作时, 斜交节点的整体平均应力水平小于250MPa, 端部最大位移小于4mm, 该设计可保证节点核心区在大震作用下不屈服;由于应力集中, 斜柱构件与中间竖向加劲板、翼缘加劲板相交位置以及开洞处局部进入塑性。

　　 (3) 极限荷载作用下, 斜柱构件先于节点板进入大范围屈服, 整体呈现斜柱构件塑性屈曲破坏效应, 具有显著的屈曲极值点, 屈曲后节点无法继续承载;中部节点和角部节点的极限荷载系数分别约为1.510和2.014。

　　 (4) 斜交节点的焊接工艺较为复杂, 依次序焊接中间竖向加劲板、左右隔板组件、上下横隔板和斜柱构件, 以保证焊接质量;混凝土浇灌时采用高抛自密实和局部振捣法处理, 以保证其密实度。