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高层结构的X型节点

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作者:wadezhao
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在2018年8月12日的istructure的公众号中分享了一篇《超高层不止框筒--斜交网格结构 Diagrid structure》文章,从文中案例发现,小Z亲自参与国内4个项目的建设或前期投标工作。在回顾这些项目发现,平面布置有圆型,有方型,更有上方下圆的;斜杆截面有圆型、方型的。今天给大家深入讲讲高层结构的X型节点的那些事。

01

圆管X型节点

       广州珠江新城西塔平面呈类三角形,分为办公室楼层(1-73层)和酒店与客房层(73-103层),结构总高度为432m。结构体系为斜交网格柱外筒+钢筋混凝土核心筒。

平面为中心对称的圆角等边三角形,立面为中间大上下小的纺锤形,立面和平面的变化,使得各层节点相似但不相同,且每个节点的四肢不在同一面内。斜向网格相交区有15个X型节点,随平面分为三种类型。节点立面分叉角度约23度。

斜交网格钢管直径从下到上直径由1800mm,减小到700mm,厚度从55~20mm,节点板的最大厚度为100mm,主要材质为Q345GJC-Z25和Q345B。

节点设计思路:(1)在X型节点左右相邻钢管通过与拉板(长度约6.4m)相贯实现左右连接传递竖向荷载;(2)上下相邻钢管则通过与环板相贯实现上下连接且实现节点区加强。

上述西塔项目是2007左右实施的,十年过去了在2017年小Z又碰到一个类似项目--长沙A9的T1塔楼,它是地下3层、地上64层,总高度322.87m,外框47.8m×47.8m;裙房地上5层。结体体系采用巨型钢管混凝土柱斜交网格框架+钢筋混凝土核心筒的混合结构体系;钢管混凝土柱最大截面Φ2000×40;材质Q345B、Q345GJC、Q390GJC;斜交网格X型节点首次出现在F16层。

随着楼层的升高,圆柱截面变小,节点可划发为3类。节点分叉角度约13度。相贯口长度约11m,跨越3层。相较西塔X型节点,开叉角度更小,相惯口更长,腰部更纤细(已经小于原设计管径)。尽管X型节点区域为加强层(腰桁架)区域,周边有斜腹杆,4管汇交区域为竖向荷载的转换点,因此需增加节点的可靠性。

节点设计思路:(1)沿用广州西塔X型拉板传递竖向荷载的设计思路;(2)节点腰部于纤细且上下管径不同,也无法直接相贯对接。因此采用半锥管过渡,以实现竖向荷载的传递,同时也加大的交点汇交区的断面尺寸(以第一类节点为例,相交区断面尺寸由原来1200mm增加到1400m)。腰桁架上、下弦和腹杆相管与半锥管焊接更加简单。


下图为施工过程中照片。

02

共面矩型管X型节点

 深圳信通金融大厦地下6层、塔楼地上33层,总高度161.73m,外框45mX45m,核心筒22.5mX22.5m,副楼地上5层;菱形斜交钢网格外框架-钢筋混凝土核心筒结构,核心筒与外框钢结构之间仅通过少数水平钢梁及斜梁连接,楼板在本结构体系中并未起到有效的协同作用,刚性楼板假定不适于本项目。

斜交网格结构在建筑立面呈菱形,且沿各楼层尺寸统一,其边长均为5.86m。斜撑构件在F26层以下为箱型,其从下至上为B450×800×70×70~B425×425×27×27,钢材从下至上依次为Q420GJ、Q390GJ、Q390;在F26层以上为工字型,尺寸为H350×425×25×20,材质为Q390。

该项目与长沙A9项目不同点在于:(1)截面为矩形且立面为正正规规的盒式造型;(2)网格倾斜角度约45度,比较适中,外框架的抗侧能力好于内核心筒。

与常规高度外框架不同,网格本身平面内刚度大且网格均为焊接连接,在施工过程中发现,杆件焊接收缩变形,拘束力巨大,因此合理的焊缝顺序有利于减焊接残余应力。

03


非共面矩型管X型节点

深圳中信金融中心项目(方案阶段)位于深圳湾超级总部基区域,T1和T2高度分别为312m和212m。

塔楼结构采用斜交网格-核心筒结构,其中钢结构工程包括斜交网格及环梁、楼层钢梁、塔冠钢框架,核心筒钢骨柱等。斜交网格根据悬臂应力迹线找形得到,称为Machell truss。在结构上比传统的X型支撑更有效率,可大大减小用钢量和截面尺寸。

斜交网格主要由角柱以及斜撑组成,50层以下斜交网格均内灌混凝土,50层以上为钢框架。其中角柱共有8根,分布于建筑的4个角部,同一角部的角柱间通过角部延性梁连接。角柱为异型截面柱,其截面尺寸随建筑高度逐渐缩小,由1500x45mm变化至475x25mm,材质均为Q345。斜交网格斜撑截面主要为箱型截面,截面尺寸包括B1100x1100x24x24至B500x500x25x24渐变,节点处板厚加大,在50层以下内灌C60混凝土。

在建筑造型上实现天圆地方的效果,结构平面由方形转为圆形,立面沿高度方向逐渐内收。尽管Machell truss抗侧效率很好,其立面斜交网格由多个不规则四边形组成,且其构件截面形式均为箱型,同时角柱为异形截面。因此立面四杆交汇节点均不共面,相邻节点与节点之间的法线方向均不相同。

原节点概念设计如下图所示。若当杆件共面时是完美的,但六杆非共面,节点交汇时会存在大量的错边。

撑网格上每个节点均由的四根杆件+环梁六杆交汇而成,节点均处于四个面a、b、c、d的相交,即节点相交处杆件非共面。因此节点设计即要兼顾传力的连续性,又要考虑矩形杆件交汇时空间位置的微小变化引起的错边等问题。根据放样发现有3种解决方案:

方案A节点平直,杆件弯扭以实现节点端口不共面的转换;

方案B节点弯扭,杆件平直。

方案C节点、杆件均平直非弯扭。在节点处连接错边时,由厚端板过渡连接。

通分析AB方案可知,方案A杆件均要做成弯扭杆,成本太大,且斜撑杆件沿轴线扭转,会产生附加扭矩;方案B要求节点加工精度高,但成本相于A方案低很多。方案C采用厚端板过渡,在受力小的区域在成本和安全性上更加适用。最终我们认为方案B更合适。

我们将该节点拆分为节点平直段及节点过渡区。其中节点平直段由钢板纵横交错,相当于一个大箱梁;节点过渡区由弯扭板件组成箱形对接口;在节点区域将相邻节点的杆件非共面问题在节点区消化,杆件设计为正常的箱形杆件。


04


小结

通上4个项目案例分享了,不同平面,不同立面变化时,圆管和方型X型节点的设计思想。

(1)相同管径的X型节点设计思路推演出非等管径的思路。

(2)当立面收进变化时,矩形X节点杆件交汇时,形成错边,提出了相应的解决思路。

资料来源:

1、广州珠江新城西塔招标图纸,节点实施方案;

2、长沙A9金融中心施工图,节点实施方案;

3、SOM深圳中信金融中心初设计文件,投标方案;

4、深圳信通金融中心招标图纸,节点实施方案。

文中节点合理化成果、效果图片展示来源于JG技术团队。

iStructure的初衷是分享建筑结构领域的见闻、优秀的设计和自己一些的思考,向更多人呈现结构设计有趣的一面。

2条评论
曲江布衣
曲江布衣 2019-01-06 12:11:44 回复 0

结构合理即是美

A喻强159017726
A喻强159017726 2018-11-13 19:32:07 回复 0

我司办建筑设计资质,需工程师证书兼职,有需要的工程师联系喻强19925792755QQ:3003251349

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作者:wadezhao
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