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摘 要：巨型结构的节点构造和受力比一般钢管节点复杂，在地震作用下的受力性能通常需要通过试验来验证。本文结合某超高层结构中的巨型角柱—跨层斜撑—转换桁架连接节点介绍该类复杂节点试验的设计方法。
关键词：巨型框架；组合节点；试验设计
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）05-0184-02
引言
巨型结构是由大型构件（巨型梁、巨型柱和巨型支撑）组成的主结构与常规构件组成的次结构共同工作的一种结构体系。随着超高层建筑高度的不断提升，抗侧力体系占据超高层结构设计中的主导地位。巨型结构体系因抗侧刚度大、整体工作性能好、传力路径明确等优点得到广泛的应用。
巨型结构中主结构的连接节点关系到结构安全的关键部位，尤其在罕遇地震作用下，主构件承受地震力并通过主节点传递，主节点的受力安全不容忽视。主节点处交汇构件多、空间关系复杂、内力大、构造特殊，缺乏相应的设计经验和方法，节点域的应力分布难以准确计算，常需通过有限元或试验验证其受力性能。笔者在此以某超高层结构的巨型角柱-跨层斜撑-转换桁架大型节点试验为例（如图1），对这类节点试验的设计作些介绍。
1 工程概况
该超高层结构高597m，117层，处于7度地震区（0.15g），地震作用为主要控制荷载。塔楼结构由钢筋混凝土核心筒、巨型支撑筒、巨型框架组成多道抗震设防体系。巨型柱为六边形多腔体钢管混凝土构件；斜撑和桁架为箱型钢构件；腹板和翼缘与巨型柱内部的横隔板或竖隔板相连。与传统巨型框架结构相比，该结构的特点是桁架与斜撑在平面内错开，结构传力更明确，但节点处的构造与受力更为复杂，需进行试验验证它在地震作用下的受力性能。
2 试件设计与加工
2.1 试件缩比设计
节点试验需根据原结构的尺度选择采用原型或缩尺模型。本节点高20m，巨柱截面对角线长7.2m，最大轴力达833MN。考虑钢板规格、混凝土骨料粒径的限制和钢结构加工的可行性，结合试验设备的加载吨位、空间和成本，将缩尺比例定为1：6。
原则上，钢板厚度、钢筋和栓钉的直径和间距都应按照1：6缩尺，但因钢板厚度、钢筋直径有一定的模数，需按实际规格进行调整。通常钢板厚度缩比后取最接近的板厚，需注意取近似值产生的面积差异；纵向钢筋按配筋率相等缩比，可适当减少钢筋根数；箍筋按体积配箍率相等缩比；栓钉按单位面积抗剪面积相等缩比，若缩尺后直径小于最小规格10mm，通常以短圆钢筋代替。箍筋和栓钉间距可适当放大，但防止钢管管壁局部失稳的拉筋间距决定着被约束钢板的宽厚比，不宜在缩比基础上放宽。
2.2 构件长度
为避免加载端端部效应对节点域的影响，通常要求杆长取3～4倍钢管直径。每侧桁架有三根杆件与巨柱相连，若分别单独加载则空间有限。因只有与巨柱相连的杆件内力会直接影响节点域，可将桁架整体加载（图2）。经验证，整体加载时桁架杆件的内力比值与设计值接近，符合桁架的受力规律。
2.3 试件制作注意事项
（1）在工厂进行钢结构部分加工时，因：试件构造复杂又经缩尺，操作空间小；节点区焊缝密集，焊接后会有较大残余变形；空间节点的角度较难定位，建议试验人员在现场严格检查试件的几何尺寸、端板平整度与焊缝质量。
（2）多腔体钢管混凝土构件在钢结构加工时需在每层腔体的顶部和角部钻一些直径为2cm的气孔，以便混凝土浇筑密实。
（3）巨柱内部腔体多，缩尺后最狭窄的腔体宽仅3.3cm，小于商品混凝土骨料的最大粒径，需自配小粒径的高流动性混凝土，防止钢管因混凝土浇筑不密实导致提前破坏。
3 加载制度
3.1 荷载水平
该超高层按照抗震性能化设计思想，要求大震时巨型柱和转换桁架不屈服。相应本试验对节点进行大震水平下的滞回加载，考察节点域的应力分布和发展。因为大震下节点基本处于弹性，荷载-位移曲线近似直线，在大震弹性滞回试验以外尚需补充一组弹塑性滞回试验考察其耗能能力。
3.2 荷载工况
设计方提供了恒载、活载以及X方向、45°和135°方向的大震工况，其中45°和135°方向大震时节点分别为正对称和反对称受力，且内力值较大，因此选用这两种工况分别与恒活荷载组合后作为试验荷载，试件数量为2个。
设计方提供的大震内力通常是按振型分解反应谱法计算的内力，它是按照一定的组合原则对各阶震型的地震作用效应进行组合求得的绝对值，这样求得的节点杆端力实际上不是一组平衡力系，不能反应节点某一时刻的受力状态，建议参照时程分析得到的节点内力，按时程曲线峰值点确定各杆端内力的比例和方向。
4 加载装置与加载系统
4.1 反力架
试件形式确定后，可根据试件的几何形状与尺寸选择反力架，再根据杆端边界条件确定试件与反力架的连接方式。
本试验采用同济大学自行设计的自平衡巨型加载球（图3）加载，其外径8m，内径6m，由上下两个半球组成，两半球间通过插销连接。上下赤道圈、上下纬圈和8道经圈内侧密布了数百个螺栓孔，可为千斤顶提供多方位的反力支承。上下半球共同工作时，赤道可承受最大径向荷载3000t。
4.2 连接件设计
试件与反力架连接有两种方式，一种是试件端板直接与反力架螺栓连接，另一种是试件端板通过连接件与反力架螺栓连接。当试件杆端对应有反力梁时，可采用第一种方案；当杆端没有反力梁时，需设计适当的连接件，架起试件与反力架之间的桥梁。当有多个外形相同的试件时，连接件还可重复利用，节省钢材。
为使加载球提供尽可能大的反力，将柱轴线定位于赤道平面和某一经圈平面的交线上，支撑轴线交点的中心位于球心。
四个支撑的延长线上没有对应反力梁，且支撑端部串联有铰支座和千斤顶，总长度超过加载球内径，因此在加载球外设计两道外环梁通过锚杆与经圈拉结，为支撑千斤顶提供支承。
桁架加载端离反力球的经圈和纬圈都较远，而且外环梁的锚固件占去了相应经圈上的螺栓孔位，因此设计一榀框架，框架柱立于下赤道圈与下经圈上，框架梁为桁架千斤顶提供反力支承（图4）。
连接件形式确定后，需对连接件本身的强度、稳定性、变形以及各螺栓连接的强度进行逐一验算，确保试验的安全。
参考文献
[1] 沈祖炎，陈荣毅.巨型结构的应用与发展.同济大学学报，2001，29（3）：258-262.
[2] 刘鹏，殷超，李旭宇，等.天津117大厦结构体系设计研究.建筑结构，2012，42（3）：1-19.
（编辑：蒋东旭）
关键词：巨型框架；组合节点；试验设计
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）05-0184-02
引言
巨型结构是由大型构件（巨型梁、巨型柱和巨型支撑）组成的主结构与常规构件组成的次结构共同工作的一种结构体系。随着超高层建筑高度的不断提升，抗侧力体系占据超高层结构设计中的主导地位。巨型结构体系因抗侧刚度大、整体工作性能好、传力路径明确等优点得到广泛的应用。
巨型结构中主结构的连接节点关系到结构安全的关键部位，尤其在罕遇地震作用下，主构件承受地震力并通过主节点传递，主节点的受力安全不容忽视。主节点处交汇构件多、空间关系复杂、内力大、构造特殊，缺乏相应的设计经验和方法，节点域的应力分布难以准确计算，常需通过有限元或试验验证其受力性能。笔者在此以某超高层结构的巨型角柱-跨层斜撑-转换桁架大型节点试验为例（如图1），对这类节点试验的设计作些介绍。
1 工程概况
该超高层结构高597m，117层，处于7度地震区（0.15g），地震作用为主要控制荷载。塔楼结构由钢筋混凝土核心筒、巨型支撑筒、巨型框架组成多道抗震设防体系。巨型柱为六边形多腔体钢管混凝土构件；斜撑和桁架为箱型钢构件；腹板和翼缘与巨型柱内部的横隔板或竖隔板相连。与传统巨型框架结构相比，该结构的特点是桁架与斜撑在平面内错开，结构传力更明确，但节点处的构造与受力更为复杂，需进行试验验证它在地震作用下的受力性能。
2 试件设计与加工
2.1 试件缩比设计
节点试验需根据原结构的尺度选择采用原型或缩尺模型。本节点高20m，巨柱截面对角线长7.2m，最大轴力达833MN。考虑钢板规格、混凝土骨料粒径的限制和钢结构加工的可行性，结合试验设备的加载吨位、空间和成本，将缩尺比例定为1：6。
原则上，钢板厚度、钢筋和栓钉的直径和间距都应按照1：6缩尺，但因钢板厚度、钢筋直径有一定的模数，需按实际规格进行调整。通常钢板厚度缩比后取最接近的板厚，需注意取近似值产生的面积差异；纵向钢筋按配筋率相等缩比，可适当减少钢筋根数；箍筋按体积配箍率相等缩比；栓钉按单位面积抗剪面积相等缩比，若缩尺后直径小于最小规格10mm，通常以短圆钢筋代替。箍筋和栓钉间距可适当放大，但防止钢管管壁局部失稳的拉筋间距决定着被约束钢板的宽厚比，不宜在缩比基础上放宽。
2.2 构件长度
为避免加载端端部效应对节点域的影响，通常要求杆长取3～4倍钢管直径。每侧桁架有三根杆件与巨柱相连，若分别单独加载则空间有限。因只有与巨柱相连的杆件内力会直接影响节点域，可将桁架整体加载（图2）。经验证，整体加载时桁架杆件的内力比值与设计值接近，符合桁架的受力规律。
2.3 试件制作注意事项
（1）在工厂进行钢结构部分加工时，因：试件构造复杂又经缩尺，操作空间小；节点区焊缝密集，焊接后会有较大残余变形；空间节点的角度较难定位，建议试验人员在现场严格检查试件的几何尺寸、端板平整度与焊缝质量。
（2）多腔体钢管混凝土构件在钢结构加工时需在每层腔体的顶部和角部钻一些直径为2cm的气孔，以便混凝土浇筑密实。
（3）巨柱内部腔体多，缩尺后最狭窄的腔体宽仅3.3cm，小于商品混凝土骨料的最大粒径，需自配小粒径的高流动性混凝土，防止钢管因混凝土浇筑不密实导致提前破坏。
3 加载制度
3.1 荷载水平
该超高层按照抗震性能化设计思想，要求大震时巨型柱和转换桁架不屈服。相应本试验对节点进行大震水平下的滞回加载，考察节点域的应力分布和发展。因为大震下节点基本处于弹性，荷载-位移曲线近似直线，在大震弹性滞回试验以外尚需补充一组弹塑性滞回试验考察其耗能能力。
3.2 荷载工况
设计方提供了恒载、活载以及X方向、45°和135°方向的大震工况，其中45°和135°方向大震时节点分别为正对称和反对称受力，且内力值较大，因此选用这两种工况分别与恒活荷载组合后作为试验荷载，试件数量为2个。
设计方提供的大震内力通常是按振型分解反应谱法计算的内力，它是按照一定的组合原则对各阶震型的地震作用效应进行组合求得的绝对值，这样求得的节点杆端力实际上不是一组平衡力系，不能反应节点某一时刻的受力状态，建议参照时程分析得到的节点内力，按时程曲线峰值点确定各杆端内力的比例和方向。
4 加载装置与加载系统
4.1 反力架
试件形式确定后，可根据试件的几何形状与尺寸选择反力架，再根据杆端边界条件确定试件与反力架的连接方式。
本试验采用同济大学自行设计的自平衡巨型加载球（图3）加载，其外径8m，内径6m，由上下两个半球组成，两半球间通过插销连接。上下赤道圈、上下纬圈和8道经圈内侧密布了数百个螺栓孔，可为千斤顶提供多方位的反力支承。上下半球共同工作时，赤道可承受最大径向荷载3000t。
4.2 连接件设计
试件与反力架连接有两种方式，一种是试件端板直接与反力架螺栓连接，另一种是试件端板通过连接件与反力架螺栓连接。当试件杆端对应有反力梁时，可采用第一种方案；当杆端没有反力梁时，需设计适当的连接件，架起试件与反力架之间的桥梁。当有多个外形相同的试件时，连接件还可重复利用，节省钢材。
为使加载球提供尽可能大的反力，将柱轴线定位于赤道平面和某一经圈平面的交线上，支撑轴线交点的中心位于球心。
四个支撑的延长线上没有对应反力梁，且支撑端部串联有铰支座和千斤顶，总长度超过加载球内径，因此在加载球外设计两道外环梁通过锚杆与经圈拉结，为支撑千斤顶提供支承。
桁架加载端离反力球的经圈和纬圈都较远，而且外环梁的锚固件占去了相应经圈上的螺栓孔位，因此设计一榀框架，框架柱立于下赤道圈与下经圈上，框架梁为桁架千斤顶提供反力支承（图4）。
连接件形式确定后，需对连接件本身的强度、稳定性、变形以及各螺栓连接的强度进行逐一验算，确保试验的安全。
参考文献
[1] 沈祖炎，陈荣毅.巨型结构的应用与发展.同济大学学报，2001，29（3）：258-262.
[2] 刘鹏，殷超，李旭宇，等.天津117大厦结构体系设计研究.建筑结构，2012，42（3）：1-19.
（编辑：蒋东旭）