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高層結構的X型節點

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作者:wadezhao
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在2018年8月12日的istructure的公眾號中分享了一篇《超高層不止框筒--斜交網格結構 Diagrid structure》文章,從文中案例發現,小Z親自參與國內4個項目的建設或前期投標工作。在回顧這些項目發現,平面布置有圓型,有方型,更有上方下圓的;斜桿截面有圓型、方型的。今天給大家深入講講高層結構的X型節點的那些事。

01

圓管X型節點

       廣州珠江新城西塔平面呈類三角形,分為辦公室樓層(1-73層)和酒店與客房層(73-103層),結構總高度為432m。結構體系為斜交網格柱外筒+鋼筋混凝土核心筒。

平面為中心對稱的圓角等邊三角形,立面為中間大上下小的紡錘形,立面和平面的變化,使得各層節點相似但不相同,且每個節點的四肢不在同一面內。斜向網格相交區有15個X型節點,隨平面分為三種類型。節點立面分叉角度約23度。

斜交網格鋼管直徑從下到上直徑由1800mm,減小到700mm,厚度從55~20mm,節點板的最大厚度為100mm,主要材質為Q345GJC-Z25和Q345B。

節點設計思路:(1)在X型節點左右相鄰鋼管通過與拉板(長度約6.4m)相貫實現左右連接傳遞豎向荷載;(2)上下相鄰鋼管則通過與環板相貫實現上下連接且實現節點區加強。

上述西塔項目是2007左右實施的,十年過去了在2017年小Z又碰到一個類似項目--長沙A9的T1塔樓,它是地下3層、地上64層,總高度322.87m,外框47.8m×47.8m;裙房地上5層。結體體系采用巨型鋼管混凝土柱斜交網格框架+鋼筋混凝土核心筒的混合結構體系;鋼管混凝土柱最大截面Φ2000×40;材質Q345B、Q345GJC、Q390GJC;斜交網格X型節點首次出現在F16層。

隨著樓層的升高,圓柱截面變小,節點可劃發為3類。節點分叉角度約13度。相貫口長度約11m,跨越3層。相較西塔X型節點,開叉角度更小,相慣口更長,腰部更纖細(已經小于原設計管徑)。盡管X型節點區域為加強層(腰桁架)區域,周邊有斜腹桿,4管匯交區域為豎向荷載的轉換點,因此需增加節點的可靠性。

節點設計思路:(1)沿用廣州西塔X型拉板傳遞豎向荷載的設計思路;(2)節點腰部于纖細且上下管徑不同,也無法直接相貫對接。因此采用半錐管過渡,以實現豎向荷載的傳遞,同時也加大的交點匯交區的斷面尺寸(以第一類節點為例,相交區斷面尺寸由原來1200mm增加到1400m)。腰桁架上、下弦和腹桿相管與半錐管焊接更加簡單。


下圖為施工過程中照片。

02

共面矩型管X型節點

 深圳信通金融大廈地下6層、塔樓地上33層,總高度161.73m,外框45mX45m,核心筒22.5mX22.5m,副樓地上5層;菱形斜交鋼網格外框架-鋼筋混凝土核心筒結構,核心筒與外框鋼結構之間僅通過少數水平鋼梁及斜梁連接,樓板在本結構體系中并未起到有效的協同作用,剛性樓板假定不適于本項目。

斜交網格結構在建筑立面呈菱形,且沿各樓層尺寸統一,其邊長均為5.86m。斜撐構件在F26層以下為箱型,其從下至上為B450×800×70×70~B425×425×27×27,鋼材從下至上依次為Q420GJ、Q390GJ、Q390;在F26層以上為工字型,尺寸為H350×425×25×20,材質為Q390。

該項目與長沙A9項目不同點在于:(1)截面為矩形且立面為正正規規的盒式造型;(2)網格傾斜角度約45度,比較適中,外框架的抗側能力好于內核心筒。

與常規高度外框架不同,網格本身平面內剛度大且網格均為焊接連接,在施工過程中發現,桿件焊接收縮變形,拘束力巨大,因此合理的焊縫順序有利于減焊接殘余應力。

03


非共面矩型管X型節點

深圳中信金融中心項目(方案階段)位于深圳灣超級總部基區域,T1和T2高度分別為312m和212m。

塔樓結構采用斜交網格-核心筒結構,其中鋼結構工程包括斜交網格及環梁、樓層鋼梁、塔冠鋼框架,核心筒鋼骨柱等。斜交網格根據懸臂應力跡線找形得到,稱為Machell truss。在結構上比傳統的X型支撐更有效率,可大大減小用鋼量和截面尺寸。

斜交網格主要由角柱以及斜撐組成,50層以下斜交網格均內灌混凝土,50層以上為鋼框架。其中角柱共有8根,分布于建筑的4個角部,同一角部的角柱間通過角部延性梁連接。角柱為異型截面柱,其截面尺寸隨建筑高度逐漸縮小,由1500x45mm變化至475x25mm,材質均為Q345。斜交網格斜撐截面主要為箱型截面,截面尺寸包括B1100x1100x24x24至B500x500x25x24漸變,節點處板厚加大,在50層以下內灌C60混凝土。

在建筑造型上實現天圓地方的效果,結構平面由方形轉為圓形,立面沿高度方向逐漸內收。盡管Machell truss抗側效率很好,其立面斜交網格由多個不規則四邊形組成,且其構件截面形式均為箱型,同時角柱為異形截面。因此立面四桿交匯節點均不共面,相鄰節點與節點之間的法線方向均不相同。

原節點概念設計如下圖所示。若當桿件共面時是完美的,但六桿非共面,節點交匯時會存在大量的錯邊。

撐網格上每個節點均由的四根桿件+環梁六桿交匯而成,節點均處于四個面a、b、c、d的相交,即節點相交處桿件非共面。因此節點設計即要兼顧傳力的連續性,又要考慮矩形桿件交匯時空間位置的微小變化引起的錯邊等問題。根據放樣發現有3種解決方案:

方案A節點平直,桿件彎扭以實現節點端口不共面的轉換;

方案B節點彎扭,桿件平直。

方案C節點、桿件均平直非彎扭。在節點處連接錯邊時,由厚端板過渡連接。

通分析AB方案可知,方案A桿件均要做成彎扭桿,成本太大,且斜撐桿件沿軸線扭轉,會產生附加扭矩;方案B要求節點加工精度高,但成本相于A方案低很多。方案C采用厚端板過渡,在受力小的區域在成本和安全性上更加適用。最終我們認為方案B更合適。

我們將該節點拆分為節點平直段及節點過渡區。其中節點平直段由鋼板縱橫交錯,相當于一個大箱梁;節點過渡區由彎扭板件組成箱形對接口;在節點區域將相鄰節點的桿件非共面問題在節點區消化,桿件設計為正常的箱形桿件。


04


小結

通上4個項目案例分享了,不同平面,不同立面變化時,圓管和方型X型節點的設計思想。

(1)相同管徑的X型節點設計思路推演出非等管徑的思路。

(2)當立面收進變化時,矩形X節點桿件交匯時,形成錯邊,提出了相應的解決思路。

資料來源:

1、廣州珠江新城西塔招標圖紙,節點實施方案;

2、長沙A9金融中心施工圖,節點實施方案;

3、SOM深圳中信金融中心初設計文件,投標方案;

4、深圳信通金融中心招標圖紙,節點實施方案。

文中節點合理化成果、效果圖片展示來源于JG技術團隊。

iStructure的初衷是分享建筑結構領域的見聞、優秀的設計和自己一些的思考,向更多人呈現結構設計有趣的一面。

1條評論
A喻強159017726
A喻強159017726 2018-11-13 19:32:07 回復 0

我司辦建筑設計資質,需工程師證書兼職,有需要的工程師聯系喻強19925792755QQ:3003251349

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