某三塔建筑高位连体结构抗震性能优化分析

刘玉娟 张程翔 都健阳

（郑州商学院，河南 郑州 451200）

0 引言

在我国经济的迅猛发展中，大量的建筑物被建得越来越高，由于地形的限制，空间变化丰富，结构层次感强，连体结构以其新颖的建筑外观、丰富的使用功能备受青睐。连体结构通过架空的连接体让两侧塔楼在空中相接，两侧塔楼及连接位置的变化使连体结构的建筑外形千变万化［1］。

连体结构在地震作用下易发生连接体坠落等破坏，1976年7月唐山地震、1995年1月的日本阪神地震、1999年9月的台湾集集地震中的连体结构受损严重［2］。高层结构抗震在工程中的重要性越来越明显，高位连体结构通过不同材料的连接体进行相连，体型相对复杂，由于要协调多个塔的内力和变形，其受力相较普通结构更加复杂，不仅要承担水平地震影响引起的很大内力，还要兼顾竖向地震影响。因此，如何降低地震对连体构件的影响，提高其抗震性能，在建筑界备受重视。本文以某三塔建筑高位连体结构为例，研究其抗震性能，并分析抗震性能的优化方法，为连体结构的选择提供技术支撑。

1 方案选型

设计某办公楼由3栋高层建筑组成，地下3层，地上26层，总高度为87m，在第22层设高位连体结构。为分析连接体对整体结构的影响，采用SATWE软件建立三种不同结构有限元分析模型。各结构方案模型如图1（a）、（b）和（c）所示，连接部位平面图如图1（d）所示。

图1 三种方案结构模型图

用弹性动力时程分析法比较各结构方案下楼层的自振周期、剪力和最大楼层位移。结构基本参数选取为：工程抗震设防烈度为7度，设计地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，特征周期值为0.40s。办公楼抗震设防类别为乙类，结构安全等级为一级，地面粗糙度类别为C类，风荷载按100年一遇考虑，修正后的基本风压w0=0.65kN/m2［3-5］。

2 建筑结构自振周期比较

根据《建筑与市政工程抗震通用规范》（GB 55002-2021）［6］规定，高层混合结构以及复杂高层建筑的结构以扭转为主的第一自振周期Tt与以平动为主的第一自振周期T1之比不应大于0.85，三种方案均选用12个振型，结构的自振周期及振型方向如表1所示。

表1 三种方案结构自振周期及振型方向

根据表1可得，不同的结构类型自振周期不同，方案一的周期比为0.845，方案二的周期比0.841，均满足规范要求，但方案三的周期比为0.928，不满足要求。方案一的自振周期比比方案二大。周期比大，结构扭转效应大，结构的刚度中心与质量中心相距远，震害大，故而方案二的抗震效果要优于方案一。

3 建筑结构剪力以及剪重比

各建筑结构方案X和Y方向的剪力如表2所示。

各结构方案对应地震各工况下的剪重比如图2所示。

图2 三种方案下地震各工况剪重比图

根据表2与图2所示，方案一1层X方向剪力为25633.8kN，Y方向剪力为25319.8kN，剪重比满足规范要求；方案二1层X方向剪力为28716.1kN，Y方向剪力为24972.9kN，剪重比满足规范要求；方案三1层X方向剪力为21614.5kN，Y方向剪力为22613.8kN，但是剪重比不满足要求。通过综合考虑，方案二的抗震性能优于方案一。

表2 各建筑结构方案X和Y方向的剪力

4 建筑结构位移比较

各方案结构最大位移见表3。

结构在X向负偏心静震、X向正偏心静震、Y向负偏心静震、Y向正偏心静震工况作用下的位移比超过限值，在X向负偏心静震、X向正偏心静震、Y向负偏心静震、Y向正偏心静震工况作用下的层间位移比超过限值，结构位移如图3所示。

根据表3与图3可以得出：方案一26层X方向位移为94.62mm，Y方向位移为102.7mm；方案二26层X方向位移为72.49mm，Y方向位移为85.03mm；方案三26层X方向位移为140.49mm，Y方向位移为145.62mm。方案二的位移无论是X方向还是Y方向均为最小，方案三最大，方案一其次，通过综合考虑，方案二的抗震性能优于方案一。

图3 三种方案结构位移图

表3 各方案结构最大位移（单位：mm）

5 结束语

为分析连接体对整体结构的影响，采用SATWE软件建立三种不同结构有限元分析模型。用弹性动力时程分析法比较各结构方案下楼层的自振周期、剪力和最大楼层位移。结果表明，不同的结构类型，结构楼层最大位移、自振周期和剪力都有不同。通过对比可知，方案二可以满足抗震要求，整体抗震性能良好，又较为经济实惠。