建筑结构隔震设计

       传统建筑结构的设计及审查过程是：上部结构设计→地基基础设计→抗震专项审查（必要时）→施工图审查，传统建筑结构设计及审查流程如图2.1 a所示。

        隔震结构与传统抗震结构设计审查不同之处就在于增加了一个隔震层设计的流程，如图2.1b所示，隔震层设计包括隔震支座布置、中震、大震下隔震层的动力分析以及隔震建筑的构造等内容，往往需要高校、科研院所或者支座生产厂家配合采能完成。

      分部设计法

       隔震结构目前采用的设计方法是分部设计法，即整个隔震结构的设计分成四部分：上部结构设计、隔震层设计、下部结构设计（包含下支墩、地下室）和基础部分，除隔震层设计之外其他部分仍由设计院的结构设计人员完成，而隔震层设计则由专门的单位完成，如高校、科研院所或者支座生产厂家。

       国内进行隔震结构设计采用分部设计法这主要与广大结构设计人员的设计习惯有关。目前结构设计人员大多使用建模、分析和出图一体的设计软件，例如PKPM或YJK，但是此类软件在分析地震作用时均采用振型分解反应谱法，无法考虑隔震支座的强非线性作用。如果考虑橡胶支座强非线性则必须应用有限元软件（Etabs、SAP2000或者Midas Gen等）非线性动力时程分析。然而非线性动力时程分析仅仅为振型分解反应谱分析的补充和验证，还不能做到直接出结构施工图的水平，因此就出现了运用单一的软件无法完成全套的隔震结构设计的局面。

       分部设计法就是为适应目前这种现状而提出的，结构设计人员运用PKPM或YJK进行上部结构设计、下部结构设计，而隔震设计人员运用有限元软件（Etabs、SAP2000或者Midas Gen等）进行隔震层设计，发挥自己的优势，从而相互配合完成整套隔震结构设计。

      隔震设计流程

       通常在采用分部设计法设计时，首先根据项目所在地设防烈度、场地类别、建筑高度以及拟采用的结构形式等条件设定减震目标，例如按地震作用降低1度或者1度半，在综合考虑建筑的特点确定隔震层位置，然后结构设计人员再运用PKPM或YJK进行建模与分析。隔震设计人员根据结构设计人员建立的PKPM或YJK模型建立三维有限元（ETABS、SAP2000或者Midas Gen等）分析模型，然后进行设防地震、罕遇地震下非线性动力时程分析，以验证是否满足预先设定的减震目标及相关规范要求。若满足预先设定减震目标及相关规范要求，则将隔震分析数据（包含三维模型、隔震分析报告）返回至结构设计人员，设计人员再根据隔震分析数据进一步完善上部结构设计、下部结构设计；若不满足预先设定减震目标及相关规范要求，则需对预先设定的减震目标或模型进行调整，然后再进行有限元非线性动力时程分析，直至满足减震目标及相应规范要求，最终由隔震设计人员配合，结构设计人员将所有隔震设计资料汇总成抗震专项审查文本文件，以备抗震专项审查，抗震专项审查合格后，就进入施工图审查阶段。以Etabs和PKPM软件为例，隔震设计流程如图2.2所示。

        减震目标的设定

         在隔震设计时首先要确定减震目标。减震目标的设定一般与以下因素有关：

        1、工程拟建场地设防烈度

       工程拟建场地设防烈度越高，意味着非隔震结构在计算水平地震作用时所采用的水平地震影响系数就越大，计算得到的地震作用就越大，采用隔震技术延长结构周期后所对应的水平地震影响系数降低幅度就比较大，减震效果就明显。

        2、工程拟建场地类别

       国外隔震工程调查结果表明：硬土场地比较适合于隔震房屋，而软弱场地会滤掉了地震波中的高频成分，剩余的长周期地震分量可能会引起周期较长的隔震结构共振效应，这样隔震结构的地震反应不是减小而是增大。《抗规》规定：建筑场地宜为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，并应选用稳定性较好的基础类型，当在Ⅳ类场地建造隔震房屋时，应进行专门研究和专项审查。

        3、建筑高宽比

       如果隔震建筑高宽比过大，水平地震作用下产生较大的倾覆力矩，在倾覆力矩作用下隔震层橡胶支座势必会遭受过大的拉力，然而橡胶支座在拉、压作用下性能极不对称，橡胶支座在压力作用下承载力极高，而橡胶支座受拉时，钢板和橡胶之间的粘接容易破坏，导致橡胶支座竖向承载力急剧下降，因而橡胶支座在压力作用下承载力极低（规范规定橡胶支座拉应力不应超过1MPa）。因此在确定减震目标时，应注意结构的高宽比不宜过大，一般控制在3以内比较好，不宜超过4，当高宽比较大时减震目标不宜定的太高。

       4、建筑规则性

       历次地震震害表明：如果建筑结构体型规则、对称，那么其在地震中遭受到地震损害就比较小，这同样适用于隔震建筑，因此隔震建筑结构体型宜规则、对称，这样结构受力就比较合理，对扭转效应的控制也比较有利。

       5、建筑的抗震设防类别

       建筑的抗震设防类别是根据其使用功能的重要性来区分的，例如：重点设防类属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑，在隔震设计时应留有足够的安全储备，减震目标不宜定的太高，一般按“降1度”设定减震目标，而对标准设防类建筑可根据实际情况选择减震目标，可以按“降1度”或者“1度半”作为其减震目标。

        6、边坡放大系数与近场影响系数

      《抗规》规定当需要在条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩石和强风化岩石的陡坡、河岸和边坡边缘等不利地段建造丙类及丙类以上建筑时，除保证其在地震作用下的稳定性外，尚应估计不利地段对设计地震动参数可能产生的放大作用，其水平地震影晌系数最大值应乘以增大系数。另外《抗规》规定当工程拟建场地处于发震断层10km以内时，输人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。

       隔震设计常规的处理方法是采用隔震技术将边坡放大系数和近场影响系数“消化”掉，当拟建场地处于抗震不利地段时减震目标就不宜设定太高，尤其是位于9度设防区和8度半设防区的陡坎或边上的结构，因为这种情况下边坡放大系数和近场影响系数是需要同时考虑的。