超限高層建筑抗震結構設計研究

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為考察結構在地震作用下因結構平面凸出超過規范限制條件對結構抗震性能的不利影響，通過較為細致的結構對比分析，揭示結構的薄弱環節及薄弱程度，并有針對性的采取措施加強該位置的抗震性能，從而保證整體結構的抗震性能實現上述性能目標。具體工作有如下幾個方面：（1）采用PKPM及MIDAS軟件分別對兩個結構進行靜力彈性分析（地震作用采用振型分解反應譜法），通過兩個軟件計算的周期、層間位移角、頂點位移、基底最大剪力等總體結果判別兩個軟件分析結果的有效性；并進一步根據結果重點考察結構平面凸出位置樓板在地震作用下的應力分布，同時考察結構在側向作用下的層間位移曲線揭示結構平面凸出對結構的不利用影響。（2）采用PKPM及MIDAS軟件分別對兩個結構進行小震彈性時程分析，以作為靜力分析方法的補充。通過對兩個結構在各自加速度時程激勵下的基底最大剪力、層間最大位移角曲線、頂點位移以作為靜力分析的補充。同時對薄弱位置在時程中的最大反應及應力分析也是彈性時程分析的重點工作。上述分析結果作為后期施工圖設計的重要設計參考。（3）采用EPDA軟件分別對兩個結構作中震及大震彈塑性分析，考察結構在相應設防烈度的地震作用下的損壞程度；以及在大震極限情況下結構不致出現毀滅性的倒塌。

SATWE和MIDAS彈性動力時程分析結果

在小震作用下樓板的3條地震波作用下于樓板最大拉應力為3MPa，但最大應力僅出現在個別應力集中的角點。大部分樓板的應力都在2MPa以下，略大于C30混凝土的抗拉應力，再考慮樓板鋼筋的作用可以判定在小震作用下樓板基本處于彈性狀態。鋼筋混凝土結構單元參照小震CQC法計算構件配筋結果。地震波按彈性時程分析時所選地震波按中震輸入。中震階段結構彈塑動力時程分析時，構件抗震承載力按強度標準值計算（作用分項系數、材料分項系數和抗震承載力調整系數均取1）。中震地震影響系數最大值αmax=0.12，地震波地震加速度時程曲線最大值：50cm/s2。連梁剛度折減系數取為0.5，同時不考慮風荷載的作用，驗算構件承載力是否滿足要求。中震階段結構彈塑動力時程分析軟件采用EPDA進行，通過調整以上分析參數，求出結構構件的內力，并進行構件承載力驗算。結果顯示，結構豎向構件及關鍵部位構件均滿足承載力驗算保持完好無損壞，僅在個別樓層個別耗能構件（連梁）出現輕微損壞，震后稍加修理即可繼續使用。從以上分析可知本結構在中震地震作用下，結構基本保持彈性，僅個別剪力墻及耗能構件輕微損壞稍加修理即可繼續使用，達到了預期的抗震性能目標：即設防地震作用下結構輕微損壞。通過對結構在中震作用下的彈塑性動力時程分析得出結構在中震作用下仍然保持彈性狀態，所以對結構可以通過MI－DAS軟件按照中震CQC法進行設計，然后對結構進行中震彈性時程分析，考察樓板在中震下的反應來近似模擬按小震設計的結構在中震作用下的樓板應力分布狀況。作用分項系數、材料分項系數和抗震承載力調整系數均取1。中震地震影響系數最大值αmax=0.12。根據以上分析結果，樓層平面在中震作用水平地震時程激勵下，樓層平面開洞后存在一定的應力集中現象。經計算樓板大部分拉應力為4.0MPa，大于C30混凝土的抗拉應力。采用鋼筋抗拉強度設計值作為樓板承載能力的指標，保證中震時樓板鋼筋網不屈服，核心混凝土能有效工作，計算公式如下：σ中震≤fyASγREhs式中：γRE=0.85為抗震承載力調整系數；s為鋼筋間距；h為板厚。對于圖示位置部分樓層的連接區域樓板大部分拉應力為6.0MPa，采用上述計算公式，根據樓板應力的計算結果，120mm厚連接板內配三級鋼，直徑8mm，間距120mm，雙向雙層。而對于電梯間與樓梯間之間的連接板樓板應力較大，則采用150mm厚板，配置三級鋼，直徑10mm，間距120mm，雙層雙向。通過以上構造和計算分析可知，結構樓板的平面凸凹、開洞等平面不規則部位，在中震作用下仍處于彈性階段，能夠滿足抗震設防概念設計的要求。該結構為平面不規則結構，相對于靜力彈塑性分析，采用動力彈塑性分析能更為真實地反應結構在大震作用下各結構構件的安全性能。

本工層選用EPDA結構軟件的PUSH程序對結構進行動力彈塑性分析。通過對結構大震下彈塑性靜力push-over計算及分析，得出以下結論：（1）本計算選用參數時相對保守。材料強度為標準值，不考慮箍筋增強作用，僅計入1倍梁寬的翼緣作用，塑性鉸判斷準則為剛度退化50%。因此，分析所得結果仍具有相當的裕量。（2）能力、需求曲線及抗倒塌驗算表明，性能點需求層間位移值小于《建筑抗震設計規范》限值且有較大裕量，具有結構在罕遇地震作用下具有良好抗側能力和抗倒塌性能，能夠實現預期的性能目標。（3）性能點層間位移最大值均發生在結構彎曲變形和剪切變形都較大的中下部且層間位移值曲線沿層高變化連續平滑，無明顯變形集中的薄弱層，有利于結構整體耗能性的充分發揮。（4）從位移荷載曲線可以看出，結構在逐漸進入屈服狀態之后呈現出明顯的延性特征，可以推斷，在罕遇地震作用下，結構具有良好的耗能性能。（5）本結構設計中，樓層的抗側剛度和抗剪承載力自下而上逐漸減小，與分析中性能點彎矩剪力較好吻合，提高了結構的經濟性及合理性。（6）結構的塑性狀態分析表明，結構在作用不太大時，連梁將首先出鉸耗能，而隨荷載增加結構頂部和底部也將成為主要塑性區域。因此，結構設計中也對該區域作為重點設防區域，確保其延性。（7）經過分析結構在大震作用下具備良好的抗傾覆能力，能達到大震不倒的抗震性能。

針對超限的設計措施

（1）加強結構的整體性，對四角凸出部位剪力墻加長以增加結構的抗扭剛度，在一定程度上能減緩結構的扭轉效應。并對該部分剪力墻采用中震不屈服設計。（2）核心筒與四周凸出部分連接較弱，為保證樓板在地震作用下能有效傳遞剪力墻之間的水平剪力和保證樓層剛度。（3）根據性能點出鉸情況，分別對45層結構核心筒頂部8層及底部加強區和34層結構核心筒頂部4層及底部加強區進行配筋加強，豎向和橫向分布筋配筋率不小于0.3%。綜上所述，本工程結構雖為特別不規則結構，但通過PKPM和MIDAS兩個軟件對結構的對比分析可判定所選用的結構具備良好的抗震性能，結構方案切實可行。對結構的薄弱部位采取的加強措施能實有效地提高結構的抗震性能，結構能達到預期的抗震性能目標。

本文作者：楊剛工作單位：重慶市設計院