隔震结构设计流程及主要控制指标

  隔震技术并不是万能的，并不是隔震建筑就一定比非隔震建筑抗震性能好。隔震设计首先需确认待设计工程是否适合做隔震，然后依次：确定隔震层的位置、确定隔震目标、计算减震系数、验算支座承载力及变形、上部结构设计、下部结构及基础设计。本节将针对以上各环节逐一介绍。

1是否适合采用隔震技术

1）结构高宽比宜小于4，变性特征接近剪切型。绝大多数的隔震建筑高宽比均小于4，其中最主要的原因是当高宽比过大时，主体结构以弯曲变形为主，导致支座拉应力超限，而橡胶隔震支座抗拉能力有限（≤1MPa）且主体结构有倾覆危险。

2）场地宜为I、II、III类场地。一方面，采用隔震技术后软土场地结构的减震效果没有硬土场地明显；另一方面，地震波经软土场地“滤波”后，地震波长周期成分较丰富，因此很有可能放大高层建筑的地震反应，但在IV类场地也有实际工程案例^[34]，需做详细分析。

3）荷载大、烈度高、周期较短的建筑。此种地区的项目，隔震建筑经济性更加明显，易于被业主接受。

4）隔震房屋两个方向的基本周期相差不宜超过较小值的30%，以免两个方向减震效果相差较大。

2确定隔震层的位置

　　决定做隔震设计以后，需要考虑隔震层的位置，常见隔震层位置如图1~图6所示。隔震层净高度（梁底到支座底部的高度）至少600mm，建议1000mm以上以方便后期维护，设计师可根据实际情况酌情增加。

图 1~图3所示三种情况均需加大基础埋置深度约1.5m左右，且需要单独做一层 “楼板”，因此采用这三种形式时造价相对较高，但隔震层下部结构设计简单可靠。当地下室为人防地下室时，宜采用图3所示形式。

若地下室条件允许，可以采用图4所示形式，此时增加的土方量有限；或采用图5所示形式，此二种位置的“隔震层”维护方便，经济性较好，但需仔细验算下部结构的刚度和承载力。由于下部结构与上部结构之间的密闭性没有一般建筑好，可在首层设休闲场所、停车场等对密闭性要求不高的建筑功能。

图 6所示形式其隔震原理与其余五种不尽相同，除延长结构周期降低地震作用外，上部楼层兼具“调谐质量阻尼器”的功能。因此，此种结构形式的分析与下部结构设计均较复杂，设计师应谨慎对待。

图1无地下室基础顶	图2带地下室基础顶	图3　地下室顶
图4地下室柱顶	图5首层柱顶	图6大底盘顶

3确定隔震目标

这里的隔震目标包含两方面：一、主体结构的性能目标；二、确定地震作用的降低幅度。采用隔震技术往往都是希望主体结构抗震性能大幅提高，因此其抗震设防要求可高于一般建筑，只要设计得当，隔震建筑可以达到大震稍加修理即可使用，即性能A（《高规》分类标准）。设计师可根据实际情况初步确定上部结构设计地震作用的降低幅度：半度、一度、一度半，之后通过布置隔震支座，计算减震系数验证是否可行。需要强调的是，隔震技术目前只能降低水平地震作用，竖向地震作用并不能降低，且水平向地震作用也有相应要求（详第12）节），应结合最小地震作用等要求综合确定减震目标。

4隔震支座布置

隔震支座的布置位置基本决定于上部结构竖向构件的位置，如果上部结构布置合适，可使隔震支座受力状态大幅改善，甚至可大幅提高上部结构高宽比限值，如：

1）将竖向荷载向周边导荷，如适当加大边跨跨度，修改梁平面布置方式等；

2）剪力墙尽量靠近建筑中间布置，以免边缘构件出现较大拉力。

上部结构体系及竖向构件确定后，根据如下原则布置隔着支座：

1）根据结构重力荷载代表值作用下传递到隔震层的竖向压力确定隔震支座的直径，且要求隔震层总受压承载力设计值应大于上部结构总重力代表值的1.1倍；

2）尽量采用大直径支座，以提高单个支座压力，尽量避免同一位置采用多个支座的情况；

3）橡胶隔震支座尽量设置在受力较大的位置；

4）尽量减少剪力墙下的支座数量；

5）隔震层刚度中心宜尽量与质量中心重合，偏心率不大于3%^[41]；

6）隔震支座底面宜布置在相同标高位置上，必要时也可布置在不同的标高位置上。当隔震层的隔震装置处于不同标高时，应保证不同标高的隔震装置共同工作，在罕遇地震作用下，其不同标高的相邻隔震层的层间位移角应小于1/1500；

7）设置在隔震层的阻尼装置或抗风装置宜对称、分散地布置在建筑物的周边。

5计算减震系数

一般情况下，宜采用时程分析法进行计算；输入地震波的反应谱特性和数量，应符合《抗规》5.1.2条的要求，计算结果宜取包络值。文献[39]要求地震波反应谱在隔震房屋基本周期T_L±1s（注：设防地震与罕遇地震的T_L不同）的周期范围内，地震加速度时程曲线的反应谱幅值（阻尼比为非隔震建筑的阻尼比）宜在设计反应谱幅值的1.1~1.3倍范围内。需要强调的是，由于橡胶的弹性模量与加载频率相关，因此支座的等效刚度宜与隔震建筑基本周期对应。

由于地震波的随机性，因此文献[39]要求：时程分析计算结果应与等效侧力方法计算结果按一定规则进行比较后确定隔震房屋地震反应标准值，详细规则详文献[39]第11.2.3条，建议执行此条规定。

当处于发震断层10kM以内时，输入地震波应考虑近场影响系数，5km以内宜取1.5，5km以外可取不小于1.25。

根据上述原则选择地震波并统计隔震前后层间剪力及倾覆弯矩的比值。需强调的是，采用隔震技术的目的是提高结构的抗震性能，切不可为了“凑减震系数”而人为挑选地震波。对于多层建筑，减震系数为在设防地震作用下，按弹性计算所得的隔震与非隔震各层层间剪力的最大比值；对于高层建筑，还应计算隔震与非隔震各层倾覆力矩的最大比值，并与层间剪力的最大比值比较，取二者的较大值。弹性计算时，如采用简化计算或反应谱分析时，宜按隔震支座水平剪应变为100%时的性能参数进行计算。

6隔震层要求

隔震层相关要求汇总如下：

1）隔震层总受压承载力设计值应大于上部结构总重力代表值的1.1倍；

2）隔震层边角处隔震支座竖向压力设计值应大于该支座承受的重力荷载代表值的1.2倍；

3）重力荷载代表值作用下，隔震橡胶支座压应力不应超过表1及表2所示限值；

　　　　　　　　　表1橡胶隔震支座在重力荷载代表值下的压应力限值

　　　　　　　表2弹性滑板隔震支座在重力荷载代表值下的压应力限值^[41]

4）对需验算倾覆的结构应包括水平地震作用效应组合；对需要进行竖向地震作用计算的结构，尚应包括竖向地震作用效应的组合；

5）在设防地震作用下隔震层剪力应大于隔震层屈服剪力的1.5倍；

6）在设防地震作用下的隔震层剪力应大于设计风荷载作用下的隔震层剪力；

7）隔震支座、阻尼装置和抗风装置的总水平屈服荷载设计值，应大于风荷载标准值作用下隔震层总剪力的1.4倍；

8）设防地震作用下，与隔震支座最大位移相应的隔震支座恢复力比50%最大位移相应的恢复力大0.025G_e（G_e为上部结构的重力荷载代表值）；

9）隔震层的总弹性恢复力应大于隔震层总水平屈服荷载设计值（应包括摩擦阻力）的1.4倍。其中隔震橡胶支座的弹性恢复力=隔震支座在水平剪切应变100%时水平等效刚度×隔震支座内部橡胶层总厚度；

10）在罕遇地震的水平和竖向地震同时作用下，支座拉力不应超过1MPa，且出现拉应力的支座数量不大于总数的30%，文献[41]规定罕遇地震作用下支座拉力不超过表5.2‑5所规定限值；

11）罕遇地震作用下支座最大压应力不超过表5.2‑3及表5.2‑4所规定限值^[41]；文献[39]第11.2.10条规定：支座的组合压应力不应超过失稳临界压应力；

　　　　　　表3橡胶隔震支座在罕遇地震作用下的压应力限值^[41]

　　　　　　表4弹性滑板隔震支座在罕遇地震作用下的压应力限值^[41]

　　　　　　　表5橡胶隔震支座在罕遇地震作用下的拉应力限值^[41]

12）隔震层的隔震橡胶支座在罕遇地震作用下考虑扭转影响的水平位移，不应超过该支座有效直径的0.55倍和支座内部橡胶总厚度3.0倍二者的较小值，边支座的扭转影响系数不应小于1.15；

13）隔震层的弹性滑板隔震支座在罕遇地震作用下考虑扭转影响的水平位移，不应超过该支座的设计水平位移^[41]；

7上部结构设计

上部结构设计与常规设计差别很小，但需注意以下几个方面：

1）计算模型假定

由于隔震支座的刚度与主体结构相比小很多，因此可以忽略支座对与其连接构件的弯曲及扭转约束。因此采用“无支座模型”进行上部结构设计时，与支座相连的构件底部需设为铰接。

此外，《抗规》对“底层”框架柱的内力放大等处理是否与计算模型一致，因此需注意所用设计软件对“底层”的判定方法。

2）地震作用确定      

水平地震作用按《抗规》第5.1.4、第5.1.5条确定，但水平地震影响系数最大值按式5.2‑1计算。

隔震层以上结构的总地震作用水平不得低于非隔震结构在6度设防时的总水平地震作用，且各楼层水平地震剪力需满足《抗规》5.2.5关于剪重比的要求。

9度时和8度且水平减震系数不大于0.3时，隔震层上部结构应考虑竖向地震作用。且竖向地震作用标准值在8度（0.2g）、8度（0.3g）和9度时，分别不小于隔震层以上结构总重力代表值的20%、30%和40%。

3）抗震措施

　　　　表6水平向减震系数与隔震后上部结构抗震措施所对应烈度的分档

隔震层以上结构的抗震措施，当水平向减震系数大于0.40时（设置阻尼器时为0.38），不应降低非隔震时的有关要求；水平向减震系数不大于0.40时（设置阻尼器时为0.38），可适当降低对非隔震建筑的要求，但烈度降低不得超过一度，由于隔震支座不能降低竖向地震作用，因此与抵抗竖向地震作用有关的抗震构造措施不应降低，如轴压比。不同设防烈度的抗震措施如表5.2‑6所示。

4）变形验算

上部结构的抗震变形验算应按下列要求进行^[40]：

a)        对框架、抗震墙和框架-抗震墙结构应进行多遇地震和罕遇地震作用下的层间位移验算；砌体房屋可不进行层间位移验算;

b)      在多遇地震作用下，层间弹性位移角限值可按现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011 的规定执行;

c)        在罕遇地震作用下，上部结构的层间弹塑性位移角限值可按现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011 规定值的1/2 采用

5）稳定性验算

罕遇地震作用下（考虑风荷载组合）隔震房屋上部结构抗倾覆安全系数应大于1.2

6）隔震措施

结构隔震措施此不赘述，请读者自行翻阅《抗规》第12.2.7条、第12.2.8条及其他相关章节，相关构造做法可参考国家标准图集《建筑结构隔震构造详图》。

8下部结构及基础设计

1）下部结构承载力验算

a)        隔震层支墩、支柱及相连构件，应采用隔震结构罕遇地震作用下隔震支座底部内力进行承载力验算。

b)      隔震层以下的结构（包括地下室和隔震塔楼的底盘）中直接支撑隔震层以上结构的相关构件，应满足嵌固的刚度比和隔震后设防地震的抗震承载力要求，并按罕遇地震进行抗剪承载力验算。

2）下部结构变形验算

隔震层以下地面以上的结构在罕遇地震作用下的层间位移角限值应满足要求；

表7隔震层以下地面以上结构罕遇地震作用下层间弹塑性位移角限值

3）地基基础相关要求

隔震建筑地基基础的抗震验算和地基处理仍应按本地区抗震设防烈度进行，甲、乙类建筑的抗液化措施应按提高一个液化等级确定，直至全部消除液化沉陷。

以上仅供读者参考，如有错漏欢迎联系公司技术负责人