連體結(jié)構(gòu)是指除裙樓以外，兩個(gè)或兩個(gè)以上塔樓之間帶有連接體的結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)就是由于連接體與塔樓的連接而形成較強(qiáng)的空間藕聯(lián)作用，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、受力性能以及破壞形式比一般的高層結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。歷次震害表明，連體結(jié)構(gòu)連接體破壞嚴(yán)重，連接體本身塌落的情況較多，同時(shí)使主體結(jié)構(gòu)中與連接體相連的部分結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，尤其兩個(gè)主體結(jié)構(gòu)層數(shù)和剛度相差較大時(shí)，采用連體結(jié)構(gòu)更為不利[1]。
連體高層結(jié)構(gòu)具有多種分類方式，如果僅根據(jù)連接體的連接方式分類，可以分為剛性連接、鉸接、滑動(dòng)連接和彈性連接等連接方式[2]。當(dāng)連接體結(jié)構(gòu)剛度足夠，能夠協(xié)調(diào)兩側(cè)塔樓在豎向和水平荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和變形，即可采用剛性連接或鉸接連接的連接形式，連接體一般采用單層、疊層的普通桁架或空腹桁架等。當(dāng)連接體剛度較弱，即使采用剛性連接也不能協(xié)調(diào)相鄰塔樓的變形，此時(shí)可以采用滑動(dòng)連接或者彈性連接，連接體一般采用梁式[3]。
最近，我們協(xié)助結(jié)構(gòu)工程師，在項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)階段用sausage軟件分析了某項(xiàng)目連接體在支座水平荷載作用下的極限承載力，為方案階段確定合理的支座剛度和阻尼器最大出力提供了依據(jù)。
1結(jié)構(gòu)概況
塔樓高度分別為180米和100米，在90米高度處兩棟塔樓通過兩層鋼結(jié)構(gòu)連接體相互連接，連接體跨度最大為30米。連接體結(jié)構(gòu)采用h型鋼梁，連橋?qū)挾茸钚√巸H3.2米。由于兩棟塔樓動(dòng)力特性相差較大，連接體為單層鋼梁，剛度較弱，因此連接體采用一端剛性連接，一端彈性連接的形式。圖1顯示了連接體與一側(cè)塔樓剛性連接情況。
2材料本構(gòu)模型
sausage軟件中的一維單元采用纖維單元，該單元基于 timoshenko 梁理論, 可以考慮剪切變形剛度；連接體構(gòu)件材料為鋼材，對于一維的梁、柱和支撐構(gòu)件，軟件采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（如圖2所示），考慮包辛格效應(yīng)，在循環(huán)過程中無剛度退化。分析中，鋼材硬化段彈性模量折減系數(shù)取0.0175。
3連接體極限承載力分析方法
從圖1可以看到，連橋比較薄，豎向剛度較小，跨度約30m，跨高比較大。如果支座剛度或者阻尼器出力較大，連接體很可能發(fā)生平面外的失穩(wěn)破壞。在正常使用階段恒、活荷載作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向位移疊加連接體結(jié)構(gòu)的初始缺陷，加劇了這種失穩(wěn)破壞的出現(xiàn)。因此了解連接體在水平荷載下的極限承載力是必要的。
選取跨度最大的上層連橋進(jìn)行分析，考慮在中、大震時(shí)連接體樓板可能開裂失效，在分析中偏安全的取消了混凝土樓板，僅將樓板自重作為荷載施加在連接體上進(jìn)行分析。由于分析的目的是得到連接體的極限承載力，計(jì)算模型僅取連接體和與連接體相連的樓層進(jìn)行分析。sausage計(jì)算模型如圖3所示。
圖3 sausage計(jì)算模型圖
連接體結(jié)構(gòu)的初始缺陷分布采用重力加載變形的方式，缺陷的最大計(jì)算值按連接體跨度的1/750采用[4]，如圖4所示。
圖4 連接體初始缺陷云圖
分析中考慮了不同水平荷載作用方向?qū)O限承載力的影響，分別沿著結(jié)構(gòu)整體坐標(biāo)x向、y向和順橋向方向施加荷載，如圖5所示。
4主要計(jì)算結(jié)果
本結(jié)構(gòu)在1.0恒荷載+0.5活荷載的初始豎向荷載作用下，分別施加不同方向水平可變荷載，進(jìn)行考慮幾何非線性、材料非線性和結(jié)構(gòu)初始缺陷的靜力非線性分析。主要計(jì)算結(jié)果如圖6~13所示。
圖6 水平荷載-位移全過程曲線
圖7 軸向水平加載結(jié)構(gòu)荷載-位移全過程動(dòng)畫
圖8 y向水平加載極限荷載時(shí)刻鋼材塑性應(yīng)變云圖
圖9 y向水平加載極限荷載時(shí)刻鋼材應(yīng)變與屈服應(yīng)變比值云圖
圖10 y向水平加載極限荷載時(shí)刻結(jié)構(gòu)豎向位移云圖
圖11 軸向水平加載極限荷載時(shí)刻鋼材塑性應(yīng)變云圖
圖12 軸向水平加載極限荷載時(shí)刻鋼材應(yīng)變與屈服應(yīng)變比值云圖
圖13 軸向水平加載極限荷載時(shí)刻結(jié)構(gòu)豎向位移云圖
從計(jì)算結(jié)果可以看出：
（1）本項(xiàng)目連接體剛度較弱，在水平荷載作用下，結(jié)構(gòu)可能發(fā)生平面外失穩(wěn)或側(cè)向傾覆；
（2）沿連接體軸向加載，極限承載力可以達(dá)到22000kn，連接體中部寬度較小部位鋼材最先屈服，達(dá)到極限荷載時(shí)大部分構(gòu)件仍未屈服；
（3）沿整體坐標(biāo)y向加載，連接體平面內(nèi)為壓彎構(gòu)件，在壓力和彎矩的共同作用下，連接體極限承載力下降很快，極限承載力僅為5000kn，連接體中部和與主樓連接部位鋼材最先屈服，達(dá)到極限荷載時(shí)大部分構(gòu)件仍未屈服；沿整體坐標(biāo)x向加載，與y沿整體坐標(biāo)x向計(jì)算結(jié)果基本一致。
5結(jié)論
1）連接體是連體高層結(jié)構(gòu)的重要組成部分，連接體結(jié)構(gòu)形式較多，受力復(fù)雜，應(yīng)進(jìn)行專門研究；
2）對于豎向剛度較弱的連接體，在較大水平荷載作用下，可能發(fā)生出平面的失穩(wěn)破壞；
3）通過考慮初始缺陷的雙非線性分析可以幫助我們了解連接體失穩(wěn)破壞與強(qiáng)度破壞的先后次序，使我們更清晰的了解結(jié)構(gòu)的破壞過程和薄弱環(huán)節(jié)，并予以加強(qiáng)；
4）當(dāng)連接體承載力較小時(shí)，可根據(jù)極限荷載分析結(jié)果確定支座和阻尼器參數(shù)，減小連接體內(nèi)力，并進(jìn)行整體建模分析驗(yàn)證，確保連接體和主體結(jié)構(gòu)安全可靠。