高新偉

（海南京創(chuàng)國(guó)際建筑設(shè)計(jì)研究有限公司四川分公司，成都610000）

1 引言

2021 年8 月，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》，該條例規(guī)定：高烈度地區(qū)、地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)的學(xué)校、醫(yī)院等多類(lèi)建筑應(yīng)采用減、隔震技術(shù)，保證建筑物在本區(qū)域“設(shè)防地震（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中震）”時(shí)能夠滿(mǎn)足正常使用要求。

同年9 月，GB/T 51408—2021《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《隔標(biāo)》）正式實(shí)施，為《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》規(guī)定的“中震設(shè)計(jì)”提供了理論依據(jù)[1]。

之前的結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)，都是采用GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《抗規(guī)》）的規(guī)定，并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的隔震規(guī)范作為設(shè)計(jì)依據(jù)。新的《隔標(biāo)》主要有如下特點(diǎn)：

1）設(shè)計(jì)方法由《抗規(guī)》的“多遇地震”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)小震）設(shè)計(jì)進(jìn)化為“中震”設(shè)計(jì)，性能目標(biāo)相應(yīng)提升為“中震不壞、大震可修、巨震不倒”[2]；

2）地震反應(yīng)譜曲線(xiàn)由《抗規(guī)》的“四段小震譜”調(diào)整為“三段中震譜”，同時(shí)提供了“復(fù)振型分解反應(yīng)譜計(jì)算方法”；

3）設(shè)計(jì)流程簡(jiǎn)化，由原來(lái)步驟繁復(fù)的《抗規(guī)》“水平向減震系數(shù)法”發(fā)展為“整體分析設(shè)計(jì)法”，對(duì)于房屋高度不大于60 m的體型規(guī)則建筑，可不進(jìn)行時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算。

兩項(xiàng)國(guó)家規(guī)范對(duì)于隔震結(jié)構(gòu)的規(guī)定區(qū)別較大，但是設(shè)計(jì)原理一致，即通過(guò)設(shè)置隔震支座削弱上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的連接，通過(guò)阻尼裝置或者隔震支座自身提供附加阻尼，達(dá)到延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期，減小上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的目的[3]。

本文以某中學(xué)宿舍樓為例，簡(jiǎn)述《隔標(biāo)》在其隔震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

2 應(yīng)用實(shí)例

工程基本概況：4 層宿舍樓，乙類(lèi)建筑，框架結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)39.2 m，總寬18.3 m，建筑高度13.8 m。地震信息：8 度0.2g，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，特征周期0.40 s。標(biāo)準(zhǔn)層平面布置如圖1 所示。

圖1 某中學(xué)宿舍平面示意

本工程電算采用PKPM 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件SATWE 及隔震模塊。由于本工程無(wú)地下室，隔震方案定為基礎(chǔ)（或柱墩）頂隔震。

2.1 初定隔震目標(biāo)并建立電算模型

根據(jù)相關(guān)資料，本工程可初定隔震目標(biāo)為：地震烈度降低1 度，即由8 度0.2g（框架抗震等級(jí)一級(jí)），降低為7 度0.1g（框架抗震等級(jí)二級(jí)）。

按照降低后的目標(biāo)設(shè)置參數(shù)，建立常規(guī)的抗震模型，進(jìn)行試算并調(diào)整，至各項(xiàng)指標(biāo)基本滿(mǎn)足規(guī)范要求。

查看試算結(jié)果，得到各框架柱底的重力荷載代表值NGE范圍在3 000～4 600 kN。

本工程擬采用常規(guī)的橡膠隔震支座，根據(jù)《隔標(biāo)》4.6.3 條規(guī)定的隔震支座在重力荷載代表值作用下的壓應(yīng)力限值（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“長(zhǎng)期面壓”），即可快速估算出每根框架柱下需設(shè)置的橡膠支座的面積，進(jìn)而得到隔震支座的合理初選直徑。

（支座面積A ≈3 000×103kN/12 MPa=250 000 mm2，A ≈4 600×103kN/12 MPa=383 333 mm2，支座直徑D≈564～698mm。式中，12 MPa 為《隔標(biāo)》規(guī)定的長(zhǎng)期面壓限值。）

2.2 建立整體分析隔震模型

電算模型底部插入兩層，分別為“下支墩層”和“隔震支座層”。下支墩即為隔震支座下的框架柱，起到支撐隔震支座的作用。

需要注意的是，根據(jù)《隔標(biāo)》規(guī)定，下支墩及下支墩拉梁均應(yīng)定義為“關(guān)鍵構(gòu)件”，進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)，保證隔震層以下的構(gòu)件在“罕遇地震”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)大震）作用下抗剪彈性、抗彎不屈服。

根據(jù)上一步的估算直徑，在“隔震支座層”布置隔震支座。隔震支座構(gòu)造及電算模型樓層關(guān)系如圖2 所示。

中柱根據(jù)柱底軸力的大小，布置為直徑600 mm、700 mm的“普通橡膠支座”，邊柱、角柱在地震或風(fēng)荷載作用下，柱底可能產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，因此，布置為“鉛芯橡膠支座”。

修改地震參數(shù)或者利用軟件的自動(dòng)生成子模型功能，對(duì)如下3 個(gè)模型進(jìn)行電算。

1）中震隔震模型（水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.45）。

2）中震非隔震模型（αmax=0.45，即常規(guī)抗震模型，此模型僅在最后驗(yàn)證隔震效果時(shí)使用）。

3）大震隔震模型（αmax=0.90，并應(yīng)計(jì)入豎向地震作用）。

在中震隔震模型計(jì)算結(jié)果下，查看隔震支座的長(zhǎng)期面壓是否超限。

在大震隔震模型計(jì)算結(jié)果下，查看隔震支座的短期面壓、拉應(yīng)力、變形是否超限。本工程短期面壓限值為25 MPa，拉應(yīng)力限值為1.0 MPa，變形限值為0.55 倍支座直徑和3.0 倍橡膠層厚度的較小值。

對(duì)以上某項(xiàng)指標(biāo)超限的隔震支座調(diào)節(jié)型號(hào)，直到滿(mǎn)足《隔標(biāo)》的限值要求。

隔震支座調(diào)整完畢后，需要對(duì)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行復(fù)核。隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)與抗震結(jié)構(gòu)基本一致，如位移比、剛度比、受剪承載力比、剪重比、剛重比等。因此，以上各項(xiàng)指標(biāo)均應(yīng)滿(mǎn)足常規(guī)抗震結(jié)構(gòu)的控制要求。

對(duì)比《抗規(guī)》，《隔標(biāo)》還有一項(xiàng)重要改動(dòng)，就是彈性層間位移角控制指標(biāo)由小震改為中震。本工程設(shè)計(jì)中就遇到了初算模型上部結(jié)構(gòu)層間位移角不滿(mǎn)足限值的問(wèn)題（框架結(jié)構(gòu)隔震層以上層間位移角限值，《抗規(guī)》要求為小震下1/550，《隔標(biāo)》要求為中震下1/400），經(jīng)反復(fù)調(diào)整后使之滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.3 隔震效果分析

《隔標(biāo)》通過(guò)“底部剪力比”確定隔震效果。底部剪力比即中震下結(jié)構(gòu)隔震后與隔震前上部結(jié)構(gòu)底部（本例中的上支墩層）剪力之比值?！陡魳?biāo)》6.1.3-2 條規(guī)定：“隔震結(jié)構(gòu)底部剪力比不大于0.5 時(shí)，上部結(jié)構(gòu)可按本地區(qū)設(shè)防烈度降低1 度確定抗震措施。”

表1 中列出本工程“中震隔震模型”與“中震非隔震模型”計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，電算程序通過(guò)反應(yīng)譜迭代計(jì)算，確定了隔震支座在中震下為整個(gè)結(jié)構(gòu)提供的等效附加阻尼比，使得結(jié)構(gòu)自振周期延長(zhǎng)，達(dá)到減小上部地震作用的效果。

由表1 可知，本工程隔震模型在X 方向、Y 方向的底部剪力均有大幅度減小，相較非隔震模型，減小幅度約70%，底部剪力比在0.29 左右，小于《隔標(biāo)》規(guī)定的0.5。因此，本工程最初假定的隔震目標(biāo)成立。

表1 兩個(gè)模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

之后，即可分別對(duì)上部結(jié)構(gòu)、隔震層、下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工圖繪制。

3 一些細(xì)節(jié)的理解與思考

通過(guò)以上實(shí)例可以發(fā)現(xiàn)，《隔標(biāo)》的設(shè)計(jì)流程比《抗規(guī)》方法有了較大的簡(jiǎn)化，更適合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在實(shí)際工程中的操作，也有利于隔震設(shè)計(jì)的推廣。同時(shí)，隔震設(shè)計(jì)中的一些細(xì)節(jié)問(wèn)題也不容忽視，僅就個(gè)人理解列舉如下。

1）目前的隔震支座都不隔豎向地震，因此，規(guī)范規(guī)定：“與豎向地震作用有關(guān)的抗震措施不得降低”。此處與豎向地震作用有關(guān)的抗震措施主要指墻、柱的軸壓比。

以本工程為例，本工程底部剪力比小于0.5，可以按設(shè)防烈度降低1 度確定抗震措施，框架抗震等級(jí)確定為二級(jí)，但軸壓比的控制還是應(yīng)該按照框架抗震等級(jí)一級(jí)來(lái)控制。

2）下部結(jié)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足嵌固的剛度比，隔震層以下的結(jié)構(gòu)起到承載整個(gè)上部結(jié)構(gòu)的作用，一旦發(fā)生破壞會(huì)危及建筑整體安全，除應(yīng)按原地震烈度設(shè)計(jì)外，規(guī)范還要求下部結(jié)構(gòu)應(yīng)按“關(guān)鍵構(gòu)件”進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)。

3）橡膠隔震支座抗拉屈服強(qiáng)度低，除應(yīng)考察支座在大震工況下的拉應(yīng)力，還需限制非地震作用的水平荷載，如風(fēng)荷載等。尤其對(duì)于高層建筑、高寬比較大的建筑，都應(yīng)進(jìn)行整體傾覆驗(yàn)算，防止支座壓屈或拉壞[4]。

4）《隔標(biāo)》4.1.3-3 條規(guī)定，高度不大于60 m，體型規(guī)則的建筑可以不進(jìn)行時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算。但該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于體型規(guī)則沒(méi)有做出具體定義，是否按《抗規(guī)》的建筑形體規(guī)則性標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行有待進(jìn)一步明確。

4 結(jié)語(yǔ)

抗震設(shè)計(jì)時(shí)，高烈度地區(qū)的框架結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)都很難滿(mǎn)足規(guī)范限值要求，因此，一般情況下多設(shè)計(jì)為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)或者少墻框架結(jié)構(gòu)。但采用隔震技術(shù)后，純框架結(jié)構(gòu)仍能較好地完成在高烈度地區(qū)的使命。

以本工程為例，對(duì)比傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)，隔震結(jié)構(gòu)主要有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）提高了建筑整體安全性；（2）減小了構(gòu)件截面尺寸；（3）減少了構(gòu)件配筋。

但隔震結(jié)構(gòu)也有一定的缺點(diǎn)，如設(shè)計(jì)過(guò)程相對(duì)煩瑣復(fù)雜，施工難度較大、周期長(zhǎng)，建筑安裝成本增加等。

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，地震烈度越高，隔震效果越明顯，高烈度地區(qū)各種結(jié)構(gòu)形式的工程，隔震結(jié)構(gòu)的含鋼量都顯著低于抗震結(jié)構(gòu)。綜合考慮隔震支座、隔震措施的費(fèi)用，隔震結(jié)構(gòu)總的工程造價(jià)都在可控范圍之內(nèi)。

建筑物使用過(guò)程中，當(dāng)遭遇設(shè)防地震時(shí)，抗震結(jié)構(gòu)都會(huì)有一定程度的破壞，維修難度和加固成本都較高。而隔震結(jié)構(gòu)由于隔震支座的存在，上部可保持基本完好，只需要維護(hù)或替換隔震支座，操作便利，經(jīng)濟(jì)性好。

以上，對(duì)隔震結(jié)構(gòu)和抗震結(jié)構(gòu)在建設(shè)過(guò)程中、使用維護(hù)過(guò)程中其各自的適用性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了討論，可得到如下結(jié)論：在高烈度地區(qū)，綜合建筑物的整個(gè)建設(shè)使用周期，隔震結(jié)構(gòu)的適用性?xún)?yōu)于抗震結(jié)構(gòu)。而在低烈度地區(qū)，隔震技術(shù)由于經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差，傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)更能體現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》及GB/T 51408—2021《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等文件、規(guī)范的發(fā)布實(shí)施，建筑安全性的權(quán)重占比會(huì)逐步加大，隔震、減震建筑也會(huì)更多地出現(xiàn)在人們的生活中，相關(guān)規(guī)范的發(fā)布實(shí)施將能為人們的安全生活保駕護(hù)航。