基于《隔標》的框架結構隔震設計實踐

何世茂＊

（中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650051）

在汶川地震之后，國內采用消能減震技術的建筑越來越多。消能減震技術在多次地震中表現出良好的抗震性能，如四川蘆山地震，采用隔震技術的蘆山縣人民醫院震后立即投入救治受傷群眾中，引起了工程界的重視[1]。《建筑工程抗震管理條例》[2]（國務院第744 號令，以下簡稱《條例》）于2021 年9 月1 日實施，按《條例》要求：高烈度設防區、地震重點監視防御區中有“八類”建筑必須采用隔震減震技術，提高重點公共建筑的抗震性能，震后不用修理即可正常使用。《建筑隔震設計標準》[3]（GB/T51408-2021，以下簡稱《隔標》）提高了抗震設防目標，可達到《條例》的要求。采用隔震技術的建筑在發生設防地震時可以不中斷使用功能，可減少經濟損失和降低社會影響。未來我國隔震設計將有兩本規范[5]，分別是：《建筑抗震設計規范》[4]（GB 50011-2010，以下簡稱《抗規》）、《隔標》。國內研究人員對兩種規范的差異做了一些研究。文獻[5]中確定了隔震設計的控制指標，分析了結構的地震響應和經濟性的差別；文獻[6]中介紹了《隔標》的隔震設計流程和關鍵控制點，對存在的問題進行了討論和提出建議。由于新規范實施時間不長，因此采用《隔標》作為依據的隔震項目較少，目前尚無系統性的應用研究。該文通過抗震設防目標、隔震結構設計方法、隔震結構的地震反應譜、地震作用的計算方法、隔震結構的關鍵設計指標五個方面，全面總結了《隔標》的主要調整內容；從工程實例出發，系統地介紹了重點設計指標的計算，可為隔震設計提供參考。

1《建筑隔震設計標準》的主要調整

《隔標》實施以前我國的建筑隔震設計方法主要依據是《抗規》，至今已有30 多年的工程實踐，通過歷次震害中隔震結構的表現和大量工程實踐的總結，對現行隔震設計方法進行了完善，最終形成了專門指導隔震設計的技術標準，主要存在以下六點調整內容：

1.1 提高了抗震設防目標。《隔標》的抗震設防目標適應了《條例》要求，高于現行規范的抗震設防目標，地震作用按設防地震考慮，在發生設防地震時建筑不壞或無需修理即可正常使用。

1.2 調整了隔震設計方法。設計方法采用包含隔震層的整體設計法，相對于現行規范的分部設計法，整體設計法能綜合考慮隔震結構的非比例阻尼特征和支座非線性，使地震作用分布更合理。

1.3 調整隔震結構的地震反應譜。考慮隔震結構的安全性和可靠性高于傳統抗震結構，修正了隔震設計反應譜，將（5Tg～6s）周期段譜曲線采用指數下降曲線，降低了隔震結構的地震作用，為隔震結構的推廣應用創造了有利條件。

1.4 修正地震作用的計算方法。隔震結構是典型的非比例阻尼結構體系，隔震層的等效阻尼比通常遠大于一般的抗震結構，由于實振型分解反應譜法未考慮阻尼部分的影響，故無法充分體現隔震結構動力特性，《隔標》中將地震作用計算方法調整為復振型分解反應譜法（CCQC 法），它可以同時考慮隔震結構中質量、阻尼、剛度的影響，得到反映隔震結構的真實的動力特性。

1.5 調整隔震結構的關鍵設計指標：底部剪力比是確定隔震結構的抗震措施的關鍵指標。設防地震作用下隔震前和隔震后底部剪力之比為底部剪力比（β）[3]。當β≤0.50時，上部結構可按降低一度采取抗震措施，當β>0.50 時，抗震措施按本地區設防烈度采取。

從以上分析可知，《隔標》跟現行規范有較大差異，對隔震結構設計的計算有較大的影響。通過對混凝土框架隔震結構進行分析，根據《隔標》的計算方法，詳細介紹了各主要設計指標的計算，并針對《隔標》和《抗規》如何選用問題提出了合理的建議。

2 工程概況

建筑功能為某傳染病醫院，平面尺寸為22.2×60.6m，共4 層，層高分別為5.1m、4.8m、4.8m、3.9m，建筑高度為18.9m，高寬比為0.85，采用混凝土框架結構形式。設計條件和參數見表1。

表1 設計條件和參數

3 分析模型建立和設計計算參數

整體隔震模型采用YJK 軟件建立，結構模型見圖1，隔震支座采用節點屬性進行定義，隔震支座參數見表2，隔震支座平面布置見圖2。隔震結構設計方法采用整體分析設計法，底部剪力比由設防地震下的復振型分解反應譜法結合迭代分析確定。

圖1 隔震模型圖

圖2 隔震支座布置圖

表2 隔震支座力學性能參數

4 主要計算結果

4.1 隔震后結構的周期。隔震結構的自振周期應根據不同地震作用烈度下的支座水平位移確定，可采用基于考慮阻尼矩陣的復振型分解反應譜法結合迭代計算確定，以保證隔震層大阻尼比情況下計算結果的準確性。使用YJK軟件提供的基于復振型分解反應譜法進行自動迭代計算的功能，計算出隔震前（柱底鉸接）與隔震后結構的自振周期見表3。由結果可知，隔震結構的周期由0.957s 變為2.737s，比傳統抗震結構周期明顯變長。

表3 結構的周期對比

4.2 隔震層偏心率。隔震層偏心率是反映隔震結構質量中心和剛度中心是否重合的指標，結果見表4。

表4 隔震結構的偏心率

隔震層偏心率最大為0.68%<3%，說明設防地震作用下隔震層質量中心和剛度中心基本重合。

4.3 底部剪力比。基于復振型分解反應譜法結合迭代計算得出的設防地震作用下樓層剪力與隔震前結構（柱底鉸接）進行對比，得出底部剪力比，進而確定上部結構的抗震措施。

由表5 分析可得結構底部剪力比β=0.33<0.5，可按設防烈度降低一度確定上部結構抗震措施，不能降低與豎向地震相關的抗震措施。

表5 層間剪力比

4.4 設防地震層間位移角。設防地震作用下彈性層間位移角見表6，從結果可知，最大層間位移角為：X 向為1/470；Y 向為1/482，二者均滿足《隔標》中規定框架結構不大于1/400 的限值要求。

表6 彈性層間位移角計算結果

4.5 罕遇地震彈塑性位移角。罕遇地震作用計算采用彈塑性時程分析，選取1 條人工波和2 條天然波的計算結果取包絡值，得出彈塑性層間位移角計算結果，詳見表7。

表7 彈塑性層間位移角

最大彈塑性層間位移角為：X 向：1/290；Y 向：1/287，二者均滿足《隔標》中規定框架結構不大于1/100 的限值要求，且有較大的富余。

4.6 隔震支座應力驗算。隔震支座是隔震結構的重要組成部分，主要驗算長期荷載壓應力、罕遇地震作用下的拉壓應力，各項驗算內容、最不利值、限值見表8，由結果可知，長期荷載最大壓應力為11.41MPa，罕遇地震作用下：拉應力為0MPa，壓應力為14.97MPa，均滿足《隔標》要求。

表8 支座驗算

4.7 隔震支座變形驗算

設計時罕遇地震作用時支座水平位移不應大于限值，以保證隔震層的穩定性。計算結果見圖3，4，隔震層最大水平位移為254mm<275mm（0.55 倍隔震支座直徑）及282mm（3 倍膠層總厚度）中的較小值，滿足標準要求。

圖3 罕遇地震時支座X 向位移

圖4 罕遇地震時支座Y 向位移

4.8 配筋計算

隔震結構是在設防地震作用下進行截面設計和配筋，結構采用線彈性模型。根據功能、作用、位置及重要性將結構構件分為關鍵構件、普通豎向構件、重要水平構件、普通水平構件[3]，結合工程的實際情況，構件分類見表9。

表9 隔震結構性能目標分類

通過算例統計表明，按《隔標》設計后，由于按設防烈度計算配筋，結構鋼筋用量將增加15%～20%左右，對建設成本增加明顯。

5 結論和建議

隨著我國城市化的提升和經濟的發展，《條例》對重點公共建筑的抗震能力提出了更高的要求。《隔標》的實施適應了《條例》的新要求，其從抗震設防目標、設計方法、隔震結構地震反應譜、地震作用計算方法、關鍵設計指標五個方面進行全面調整。以高烈度區框架結構為研究對象進行了隔震設計的研究，以《隔標》為主要設計根據，采用設防地震作用包含隔震層的整體設計法進行配筋設計。計算成果表明，計算結果各項指標滿足《隔標》要求，可達到《條例》中對重點公共建筑的抗震設防要求，具體如下：（1）非隔震結構的自振周期為0.957s，隔震結構的自振周期2.737s，由反應譜可知，周期變長后地震作用減小。（2）隔震支座在長期荷載作用下壓應力為11.41 MPa<12MPa，罕遇地震作用下：隔震支座壓應力14.97 MPa <25MPa，拉應力為0MPa，均滿足《隔標》要求。（3）隔震支座罕遇地震作用下最大水平位移254mm<275mm，小于隔震支座限值要求，滿足《隔標》要求。（4）底部剪力比是隔震設計的重要指標，底部剪力比為0.33<0.5，滿足按設防烈度降低1 度確定抗震措施的條件。（5）層間位移角是隔震設計的關鍵指標。設防地震作用下為1/470<1/400，罕遇地震作用下為1/287<1/100，均滿足《隔標》的相應要求。（6）《隔標》按設防烈度計算配筋，結構鋼筋用量將增加15%～20%左右，對建設成本增加明顯，但抗震性能比傳統抗震結構有質提高。

《抗規》和《隔規》兩本規范均是我國的隔震結構設計的設計依據，但在設計方法上是存在差異的。實際中隔震設計時兩本規范如何選用是一個新的問題，筆者認為，若屬于新的《建筑工程抗震管理條例》中規定的“兩區八類”的建筑，采用隔震技術時必須采用《隔標》作為設計依據，對于其他類型的建筑，應根據當地的經濟發展情況，可采用《抗規》或《隔標》作為設計依據，可不進行兩本規范的包絡設計。