超限高层建筑抗震结构设计研究

为考察结构在地震作用下因结构平面凸出超过规范限制条件对结构抗震性能的不利影响，通过较为细致的结构对比分析，揭示结构的薄弱环节及薄弱程度，并有针对性的采取措施加强该位置的抗震性能，从而保证整体结构的抗震性能实现上述性能目标。具体工作有如下几个方面：（1）采用PKPM及MIDAS软件分别对两个结构进行静力弹性分析（地震作用采用振型分解反应谱法），通过两个软件计算的周期、层间位移角、顶点位移、基底最大剪力等总体结果判别两个软件分析结果的有效性；并进一步根据结果重点考察结构平面凸出位置楼板在地震作用下的应力分布，同时考察结构在侧向作用下的层间位移曲线揭示结构平面凸出对结构的不利用影响。（2）采用PKPM及MIDAS软件分别对两个结构进行小震弹性时程分析，以作为静力分析方法的补充。通过对两个结构在各自加速度时程激励下的基底最大剪力、层间最大位移角曲线、顶点位移以作为静力分析的补充。同时对薄弱位置在时程中的最大反应及应力分析也是弹性时程分析的重点工作。上述分析结果作为后期施工图设计的重要设计参考。（3）采用EPDA软件分别对两个结构作中震及大震弹塑性分析，考察结构在相应设防烈度的地震作用下的损坏程度；以及在大震极限情况下结构不致出现毁灭性的倒塌。
SATWE和MIDAS弹性动力时程分析结果
在小震作用下楼板的3条地震波作用下于楼板最大拉应力为3MPa，但最大应力仅出现在个别应力集中的角点。大部分楼板的应力都在2MPa以下，略大于C30混凝土的抗拉应力，再考虑楼板钢筋的作用可以判定在小震作用下楼板基本处于弹性状态。钢筋混凝土结构单元参照小震CQC法计算构件配筋结果。地震波按弹性时程分析时所选地震波按中震输入。中震阶段结构弹塑动力时程分析时，构件抗震承载力按强度标准值计算（作用分项系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数均取1）。中震地震影响系数最大值αmax=0.12，地震波地震加速度时程曲线最大值：50cm/s2。连梁刚度折减系数取为0.5，同时不考虑风荷载的作用，验算构件承载力是否满足要求。中震阶段结构弹塑动力时程分析软件采用EPDA进行，通过调整以上分析参数，求出结构构件的内力，并进行构件承载力验算。结果显示，结构竖向构件及关键部位构件均满足承载力验算保持完好无损坏，仅在个别楼层个别耗能构件（连梁）出现轻微损坏，震后稍加修理即可继续使用。从以上分析可知本结构在中震地震作用下，结构基本保持弹性，仅个别剪力墙及耗能构件轻微损坏稍加修理即可继续使用，达到了预期的抗震性能目标：即设防地震作用下结构轻微损坏。通过对结构在中震作用下的弹塑性动力时程分析得出结构在中震作用下仍然保持弹性状态，所以对结构可以通过MI－DAS软件按照中震CQC法进行设计，然后对结构进行中震弹性时程分析，考察楼板在中震下的反应来近似模拟按小震设计的结构在中震作用下的楼板应力分布状况。作用分项系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数均取1。中震地震影响系数最大值αmax=0.12。根据以上分析结果，楼层平面在中震作用水平地震时程激励下，楼层平面开洞后存在一定的应力集中现象。经计算楼板大部分拉应力为4.0MPa，大于C30混凝土的抗拉应力。采用钢筋抗拉强度设计值作为楼板承载能力的指标，保证中震时楼板钢筋网不屈服，核心混凝土能有效工作，计算公式如下：σ中震≤fyASγREhs式中：γRE=0.85为抗震承载力调整系数；s为钢筋间距；h为板厚。对于图示位置部分楼层的连接区域楼板大部分拉应力为6.0MPa，采用上述计算公式，根据楼板应力的计算结果，120mm厚连接板内配三级钢，直径8mm，间距120mm，双向双层。而对于电梯间与楼梯间之间的连接板楼板应力较大，则采用150mm厚板，配置三级钢，直径10mm，间距120mm，双层双向。通过以上构造和计算分析可知，结构楼板的平面凸凹、开洞等平面不规则部位，在中震作用下仍处于弹性阶段，能够满足抗震设防概念设计的要求。该结构为平面不规则结构，相对于静力弹塑性分析，采用动力弹塑性分析能更为真实地反应结构在大震作用下各结构构件的安全性能。
本工层选用EPDA结构软件的PUSH程序对结构进行动力弹塑性分析。通过对结构大震下弹塑性静力push-over计算及分析，得出以下结论：（1）本计算选用参数时相对保守。材料强度为标准值，不考虑箍筋增强作用，仅计入1倍梁宽的翼缘作用，塑性铰判断准则为刚度退化50%。因此，分析所得结果仍具有相当的裕量。（2）能力、需求曲线及抗倒塌验算表明，性能点需求层间位移值小于《建筑抗震设计规范》限值且有较大裕量，具有结构在罕遇地震作用下具有良好抗侧能力和抗倒塌性能，能够实现预期的性能目标。（3）性能点层间位移最大值均发生在结构弯曲变形和剪切变形都较大的中下部且层间位移值曲线沿层高变化连续平滑，无明显变形集中的薄弱层，有利于结构整体耗能性的充分发挥。（4）从位移荷载曲线可以看出，结构在逐渐进入屈服状态之后呈现出明显的延性特征，可以推断，在罕遇地震作用下，结构具有良好的耗能性能。（5）本结构设计中，楼层的抗侧刚度和抗剪承载力自下而上逐渐减小，与分析中性能点弯矩剪力较好吻合，提高了结构的经济性及合理性。（6）结构的塑性状态分析表明，结构在作用不太大时，连梁将首先出铰耗能，而随荷载增加结构顶部和底部也将成为主要塑性区域。因此，结构设计中也对该区域作为重点设防区域，确保其延性。（7）经过分析结构在大震作用下具备良好的抗倾覆能力，能达到大震不倒的抗震性能。
针对超限的设计措施
（1）加强结构的整体性，对四角凸出部位剪力墙加长以增加结构的抗扭刚度，在一定程度上能减缓结构的扭转效应。并对该部分剪力墙采用中震不屈服设计。（2）核心筒与四周凸出部分连接较弱，为保证楼板在地震作用下能有效传递剪力墙之间的水平剪力和保证楼层刚度。（3）根据性能点出铰情况，分别对45层结构核心筒顶部8层及底部加强区和34层结构核心筒顶部4层及底部加强区进行配筋加强，竖向和横向分布筋配筋率不小于0.3%。综上所述，本工程结构虽为特别不规则结构，但通过PKPM和MIDAS两个软件对结构的对比分析可判定所选用的结构具备良好的抗震性能，结构方案切实可行。对结构的薄弱部位采取的加强措施能实有效地提高结构的抗震性能，结构能达到预期的抗震性能目标。