基于《隔标》的框架结构隔震设计实践

何世茂＊

（中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650051）

在汶川地震之后，国内采用消能减震技术的建筑越来越多。消能减震技术在多次地震中表现出良好的抗震性能，如四川芦山地震，采用隔震技术的芦山县人民医院震后立即投入救治受伤群众中，引起了工程界的重视[1]。《建筑工程抗震管理条例》[2]（国务院第744 号令，以下简称《条例》）于2021 年9 月1 日实施，按《条例》要求：高烈度设防区、地震重点监视防御区中有“八类”建筑必须采用隔震减震技术，提高重点公共建筑的抗震性能，震后不用修理即可正常使用。《建筑隔震设计标准》[3]（GB/T51408-2021，以下简称《隔标》）提高了抗震设防目标，可达到《条例》的要求。采用隔震技术的建筑在发生设防地震时可以不中断使用功能，可减少经济损失和降低社会影响。未来我国隔震设计将有两本规范[5]，分别是：《建筑抗震设计规范》[4]（GB 50011-2010，以下简称《抗规》）、《隔标》。国内研究人员对两种规范的差异做了一些研究。文献[5]中确定了隔震设计的控制指标，分析了结构的地震响应和经济性的差别；文献[6]中介绍了《隔标》的隔震设计流程和关键控制点，对存在的问题进行了讨论和提出建议。由于新规范实施时间不长，因此采用《隔标》作为依据的隔震项目较少，目前尚无系统性的应用研究。该文通过抗震设防目标、隔震结构设计方法、隔震结构的地震反应谱、地震作用的计算方法、隔震结构的关键设计指标五个方面，全面总结了《隔标》的主要调整内容；从工程实例出发，系统地介绍了重点设计指标的计算，可为隔震设计提供参考。

1《建筑隔震设计标准》的主要调整

《隔标》实施以前我国的建筑隔震设计方法主要依据是《抗规》，至今已有30 多年的工程实践，通过历次震害中隔震结构的表现和大量工程实践的总结，对现行隔震设计方法进行了完善，最终形成了专门指导隔震设计的技术标准，主要存在以下六点调整内容：

1.1 提高了抗震设防目标。《隔标》的抗震设防目标适应了《条例》要求，高于现行规范的抗震设防目标，地震作用按设防地震考虑，在发生设防地震时建筑不坏或无需修理即可正常使用。

1.2 调整了隔震设计方法。设计方法采用包含隔震层的整体设计法，相对于现行规范的分部设计法，整体设计法能综合考虑隔震结构的非比例阻尼特征和支座非线性，使地震作用分布更合理。

1.3 调整隔震结构的地震反应谱。考虑隔震结构的安全性和可靠性高于传统抗震结构，修正了隔震设计反应谱，将（5Tg～6s）周期段谱曲线采用指数下降曲线，降低了隔震结构的地震作用，为隔震结构的推广应用创造了有利条件。

1.4 修正地震作用的计算方法。隔震结构是典型的非比例阻尼结构体系，隔震层的等效阻尼比通常远大于一般的抗震结构，由于实振型分解反应谱法未考虑阻尼部分的影响，故无法充分体现隔震结构动力特性，《隔标》中将地震作用计算方法调整为复振型分解反应谱法（CCQC 法），它可以同时考虑隔震结构中质量、阻尼、刚度的影响，得到反映隔震结构的真实的动力特性。

1.5 调整隔震结构的关键设计指标：底部剪力比是确定隔震结构的抗震措施的关键指标。设防地震作用下隔震前和隔震后底部剪力之比为底部剪力比（β）[3]。当β≤0.50时，上部结构可按降低一度采取抗震措施，当β>0.50 时，抗震措施按本地区设防烈度采取。

从以上分析可知，《隔标》跟现行规范有较大差异，对隔震结构设计的计算有较大的影响。通过对混凝土框架隔震结构进行分析，根据《隔标》的计算方法，详细介绍了各主要设计指标的计算，并针对《隔标》和《抗规》如何选用问题提出了合理的建议。

2 工程概况

建筑功能为某传染病医院，平面尺寸为22.2×60.6m，共4 层，层高分别为5.1m、4.8m、4.8m、3.9m，建筑高度为18.9m，高宽比为0.85，采用混凝土框架结构形式。设计条件和参数见表1。

表1 设计条件和参数

3 分析模型建立和设计计算参数

整体隔震模型采用YJK 软件建立，结构模型见图1，隔震支座采用节点属性进行定义，隔震支座参数见表2，隔震支座平面布置见图2。隔震结构设计方法采用整体分析设计法，底部剪力比由设防地震下的复振型分解反应谱法结合迭代分析确定。

图1 隔震模型图

图2 隔震支座布置图

表2 隔震支座力学性能参数

4 主要计算结果

4.1 隔震后结构的周期。隔震结构的自振周期应根据不同地震作用烈度下的支座水平位移确定，可采用基于考虑阻尼矩阵的复振型分解反应谱法结合迭代计算确定，以保证隔震层大阻尼比情况下计算结果的准确性。使用YJK软件提供的基于复振型分解反应谱法进行自动迭代计算的功能，计算出隔震前（柱底铰接）与隔震后结构的自振周期见表3。由结果可知，隔震结构的周期由0.957s 变为2.737s，比传统抗震结构周期明显变长。

表3 结构的周期对比

4.2 隔震层偏心率。隔震层偏心率是反映隔震结构质量中心和刚度中心是否重合的指标，结果见表4。

表4 隔震结构的偏心率

隔震层偏心率最大为0.68%<3%，说明设防地震作用下隔震层质量中心和刚度中心基本重合。

4.3 底部剪力比。基于复振型分解反应谱法结合迭代计算得出的设防地震作用下楼层剪力与隔震前结构（柱底铰接）进行对比，得出底部剪力比，进而确定上部结构的抗震措施。

由表5 分析可得结构底部剪力比β=0.33<0.5，可按设防烈度降低一度确定上部结构抗震措施，不能降低与竖向地震相关的抗震措施。

表5 层间剪力比

4.4 设防地震层间位移角。设防地震作用下弹性层间位移角见表6，从结果可知，最大层间位移角为：X 向为1/470；Y 向为1/482，二者均满足《隔标》中规定框架结构不大于1/400 的限值要求。

表6 弹性层间位移角计算结果

4.5 罕遇地震弹塑性位移角。罕遇地震作用计算采用弹塑性时程分析，选取1 条人工波和2 条天然波的计算结果取包络值，得出弹塑性层间位移角计算结果，详见表7。

表7 弹塑性层间位移角

最大弹塑性层间位移角为：X 向：1/290；Y 向：1/287，二者均满足《隔标》中规定框架结构不大于1/100 的限值要求，且有较大的富余。

4.6 隔震支座应力验算。隔震支座是隔震结构的重要组成部分，主要验算长期荷载压应力、罕遇地震作用下的拉压应力，各项验算内容、最不利值、限值见表8，由结果可知，长期荷载最大压应力为11.41MPa，罕遇地震作用下：拉应力为0MPa，压应力为14.97MPa，均满足《隔标》要求。

表8 支座验算

4.7 隔震支座变形验算

设计时罕遇地震作用时支座水平位移不应大于限值，以保证隔震层的稳定性。计算结果见图3，4，隔震层最大水平位移为254mm<275mm（0.55 倍隔震支座直径）及282mm（3 倍胶层总厚度）中的较小值，满足标准要求。

图3 罕遇地震时支座X 向位移

图4 罕遇地震时支座Y 向位移

4.8 配筋计算

隔震结构是在设防地震作用下进行截面设计和配筋，结构采用线弹性模型。根据功能、作用、位置及重要性将结构构件分为关键构件、普通竖向构件、重要水平构件、普通水平构件[3]，结合工程的实际情况，构件分类见表9。

表9 隔震结构性能目标分类

通过算例统计表明，按《隔标》设计后，由于按设防烈度计算配筋，结构钢筋用量将增加15%～20%左右，对建设成本增加明显。

5 结论和建议

随着我国城市化的提升和经济的发展，《条例》对重点公共建筑的抗震能力提出了更高的要求。《隔标》的实施适应了《条例》的新要求，其从抗震设防目标、设计方法、隔震结构地震反应谱、地震作用计算方法、关键设计指标五个方面进行全面调整。以高烈度区框架结构为研究对象进行了隔震设计的研究，以《隔标》为主要设计根据，采用设防地震作用包含隔震层的整体设计法进行配筋设计。计算成果表明，计算结果各项指标满足《隔标》要求，可达到《条例》中对重点公共建筑的抗震设防要求，具体如下：（1）非隔震结构的自振周期为0.957s，隔震结构的自振周期2.737s，由反应谱可知，周期变长后地震作用减小。（2）隔震支座在长期荷载作用下压应力为11.41 MPa<12MPa，罕遇地震作用下：隔震支座压应力14.97 MPa <25MPa，拉应力为0MPa，均满足《隔标》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，满足《隔标》要求。（4）底部剪力比是隔震设计的重要指标，底部剪力比为0.33<0.5，满足按设防烈度降低1 度确定抗震措施的条件。（5）层间位移角是隔震设计的关键指标。设防地震作用下为1/470<1/400，罕遇地震作用下为1/287<1/100，均满足《隔标》的相应要求。（6）《隔标》按设防烈度计算配筋，结构钢筋用量将增加15%～20%左右，对建设成本增加明显，但抗震性能比传统抗震结构有质提高。

《抗规》和《隔规》两本规范均是我国的隔震结构设计的设计依据，但在设计方法上是存在差异的。实际中隔震设计时两本规范如何选用是一个新的问题，笔者认为，若属于新的《建筑工程抗震管理条例》中规定的“两区八类”的建筑，采用隔震技术时必须采用《隔标》作为设计依据，对于其他类型的建筑，应根据当地的经济发展情况，可采用《抗规》或《隔标》作为设计依据，可不进行两本规范的包络设计。