技术周刊丨连体结构连接体极限承载力初步评估
连体结构是指除裙楼以外，两个或两个以上塔楼之间带有连接体的结构。此种结构体系的特点就是由于连接体与塔楼的连接而形成较强的空间藕联作用，结构的动力特性、受力性能以及破坏形式比一般的高层结构更复杂。历次震害表明，连体结构连接体破坏严重，连接体本身塌落的情况较多，同时使主体结构中与连接体相连的部分结构严重破坏，尤其两个主体结构层数和刚度相差较大时，采用连体结构更为不利[1]。
连体高层结构具有多种分类方式，如果仅根据连接体的连接方式分类，可以分为刚性连接、铰接、滑动连接和弹性连接等连接方式[2]。当连接体结构刚度足够，能够协调两侧塔楼在竖向和水平荷载作用下产生的内力和变形，即可采用刚性连接或铰接连接的连接形式，连接体一般采用单层、叠层的普通桁架或空腹桁架等。当连接体刚度较弱，即使采用刚性连接也不能协调相邻塔楼的变形，此时可以采用滑动连接或者弹性连接，连接体一般采用梁式[3]。
最近，我们协助结构工程师，在项目方案设计阶段用SAUSAGE软件分析了某项目连接体在支座水平荷载作用下的极限承载力，为方案阶段确定合理的支座刚度和阻尼器最大出力提供了依据。
图2 钢材的双线性随动强化模型
从图1可以看到，连桥比较薄，竖向刚度较小，跨度约30m，跨高比较大。如果支座刚度或者阻尼器出力较大，连接体很可能发生平面外的失稳破坏。在正常使用阶段恒、活荷载作用下，结构产生的竖向位移叠加连接体结构的初始缺陷，加剧了这种失稳破坏的出现。因此了解连接体在水平荷载下的极限承载力是必要的。
选取跨度最大的上层连桥进行分析，考虑在中、大震时连接体楼板可能开裂失效，在分析中偏安全的取消了混凝土楼板，仅将楼板自重作为荷载施加在连接体上进行分析。由于分析的目的是得到连接体的极限承载力，计算模型仅取连接体和与连接体相连的楼层进行分析。SAUSAGE计算模型如图3所示。
连接体结构的初始缺陷分布采用重力加载变形的方式，缺陷的最大计算值按连接体跨度的1/750采用[4]，如图4所示。
分析中考虑了不同水平荷载作用方向对极限承载力的影响，分别沿着结构整体坐标X向、Y向和顺桥向方向施加荷载，如图5所示。
图5 水平加载方向示意图
本结构在1.0恒荷载+0.5活荷载的初始竖向荷载作用下，分别施加不同方向水平可变荷载，进行考虑几何非线性、材料非线性和结构初始缺陷的静力非线性分析。主要计算结果如图6~13所示。
图6 水平荷载-位移全过程曲线
2）对于竖向刚度较弱的连接体，在较大水平荷载作用下，可能发生出平面的失稳破坏；
3）通过考虑初始缺陷的双非线性分析可以帮助我们了解连接体失稳破坏与强度破坏的先后次序，使我们更清晰的了解结构的破坏过程和薄弱环节，并予以加强；
4）当连接体承载力较小时，可根据极限荷载分析结果确定支座和阻尼器参数，减小连接体内力，并进行整体建模分析验证，确保连接体和主体结构安全可靠。