石建安

（天水建筑设计院有限公司，甘肃 天水 741000）

1 工程概况

甘肃省某小学教学楼总建筑面积为7 512.87 m2，其中地上6 111.47 m2，地下1 401.40 m2，为地上五层（不含屋顶）地下一层钢筋混凝土框架结构。建筑平面为矩形，隔震层高2.6 m，一至四层高3.8 m，五层层高5.1 m。长65.8 m，宽17.8 m，高23.97 m，长宽比为3.7，高宽比为1.35。项目位于8度地区且为学校教学楼，采用橡胶隔震支座方案、基础隔震技术进行隔震设计，如图1。

图1 建筑效果图

2 设计参数

设计基准期为50年，建筑抗震设防类别为乙类（重点设防类），结构安全等级为一级。地面粗糙度类别为C类，基本风压值为0.35 kN/m2。抗震设防烈度为8度（0.20 g），设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.45 s。框架抗震等级二级，局部单跨框架一级。

3 隔震设计方法

原来隔震设计依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（2016版）（简称“抗规”）采用分部设计方法，将整个结构分为上部结构、隔震层、下部结构分别进行设计。通过引入水平向减震系数，上部结构采用振型分解反应谱方法（CQC）计算，简化了设计过程，实现了“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。《建筑隔震设计标准》（GBT51408-2021）（以下简称“隔标”）对隔震结构采用整体设计方法，将上部结构、隔震层、下部结构进行整体建模，采用复振型分解反应谱方法（CCQC）计算，在设防地震作用下进行内力计算和构件设计，进一步引入性能化设计，实现了“中震不坏、大震可修、巨震不倒”的抗震设防目标。不同于《抗规》，《隔标》将设防地震下的性能目标由“可修”提高为“不坏或无需修理立即使用”。

4 确定隔震性能目标

4.1 结构体系与抗震等级

房屋高度涉及结构体系选择、抗震等级确定这两个重要问题。对于隔震建筑来讲，通过对大震下工况的各种验算、较为严格的高宽比限制，能够有力地保证结构体系的抗倾覆能力、整体刚度与稳定性、整体承载能力等宏观指标。虽然结构隔震层设置位置有所不同，但隔震建筑能够保证各结构体系的适用高度与普通结构基本一致，故《隔标》6.1.2条规定隔震建筑宜符合《抗规》对建筑高度的规定，用于结构体系的选择。对于抗震等级来说，在《抗规》《高规》中均有关于“接近高度分界”的表述，说明对于抗震有利建筑，其抗震等级可以适当调整，隔震建筑在结构规则性、地震作用、可能的破坏模式上，均较常规抗震结构更加有利，故在《隔标》6.1.2条文说明中明确结构高度取隔震支座到上部结构屋面板顶的高度，用于确定上部结构的抗震等级。

4.2 结构构件性能目标的确定

《隔标》规定隔震结构构件根据性能要求分为关键构件、普通竖向构件、重要水平构件和普通水平构件，对不同类型构件按照《隔标》第4.4.6条采用中震进行性能设计。对于基底隔震，由于隔震层楼板的参与，一般认为隔震层梁板具有较强的类似“嵌固端”作用，为保证上部结构的变形破坏模式与一般框架结构保持一致，首层柱不按关键构件考虑。所以《隔标》条文所指的隔震层支墩、支柱及相连构件应包含上支墩、与上支墩相连的隔震层主梁、下支墩，但不包括底层框架柱。

4.3 抗震措施的确定

《抗规》通过计算水平向减震系数确定隔震层以上结构的抗震措施。而《隔标》通过计算底部剪力比代替水平向减震系数确定上部结构的抗震措施。在设防地震作用下计算隔震模型与非隔震模型结构剪力比，从而得出本工程的结构剪力比最大值为0.36小于0.5，上部结构可按本地区设防烈度降低1度确定抗震措施，如表1。

表1 设防地震作用下隔震与非隔震结构剪力比计算

5 隔震层设计

5.1 布置隔震支座

布置隔震支座时，周边设置带铅芯的隔震支座，内部设置一般橡胶隔震支座，然后通过计算结果中的隔震层偏心率和屈重比进行相应的调整优化。本工程隔震层设置在地下室与首层（±0.00）之间，隔震支座布置在框架柱下，共布置隔震支座44个（其中铅芯橡胶支座32个，天然橡胶支座12个），如图2。隔震支座布置参数见表2~表3。

图2 隔震支座布置图

表2 铅芯橡胶支座设计参数

表3 天然橡胶支座设计参数

5.2 隔震层偏心率验算

隔震结构偏心率是隔震层设计中的一个关键控制点，也是控制结构扭转效应的一个重要指标。根据《隔标》第4.6.2条规定：隔震层刚度中心与质量中心宜重合，设防烈度地震作用下的偏心率不大于3%。经计算本工程的偏心率为Rex=1.30%、Rey=2.64%均小于3%。

5.3 隔震支座压应力验算

隔震支座压应力计算属于正常使用极限状态设计，用来保证各支座在长期面压下的蠕动变形和性能稳定。根据《建筑结构荷载规范》第3.2.10条规定，荷载组合为准永久组合，采用重力荷载代表值不需要考虑荷载分项系数。本教学楼为重点设防类建筑，参照《隔标》隔震支座压应力限制为12 MPa。表4列出了本工程各型号隔震支座在重力荷载代表值下的竖向压力值，隔震橡胶支座的长期面压最大值为11.03 MPa，满足规范限值。

表4 各型号隔震支座在重力荷载代表值下的最大压力值

5.4 隔震层抗风验算

橡胶隔震支座抗拉屈服强度低，所以需要限值非地震作用的水平荷载。根据《抗规》第12.1.3条规定：风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%。本工程风荷载标准值下产生的总水平力为690 kN，小于结构总重力102 611.5×10%=102 61.15 kN。隔震层应具有足够的水平刚度和强度，保证隔震建筑在风荷载作用下的舒适性和安全性。本工程采用铅芯橡胶支座作为抗风装置，利用铅芯屈服前的承载力作为水平抗风承载力。根据《隔标》第4.6.8条，由隔震层抗风装置和隔震支座屈服强度设计值共同构成的隔震层抗风承载力设计值应不小于风荷载作用下隔震层水平剪力标准值的1.4倍，即1.4×690 kN=966 kN＜12×90+18×90+2×103=2 906 kN，满足隔震层抗风承载力要求。

6 分析计算结果

6.1 上部结构设计

上部结构设计可不考虑周期折减的影响，不考虑扭转周期比、扭转位移比的限值要求，但需要满足弹性层间位移角限值、最小地震剪力的要求。层间位移角是保证结构刚度、结构稳定性、控制结构性能的重要指标，对比《抗规》，《隔标》弹性层间位移角限制略有放松。满足最小地震剪力是结构后续隔震计算的前提，隔震结构各楼层水平地震剪力系数应满足《隔标》第4.4.7条的规定，值得注意的是《隔标》是在设防地震作用下进行计算的。本项目计算结果见表5，可以看到各楼层剪重比、弹性层间位移角均满足要求。

表5 设防地震作用下各楼层剪重比、弹性层间位移角

6.2 隔震层设计

6.2.1 罕遇地震作用下的水平位移经计算在罕遇地震作用下隔震支座的最大水平位移为164 mm，满足规范要求。

6.2.2 隔震支座短期面压验算

在罕遇地震的水平和竖向地震下，对拉应力进行限制是为了防止隔震结构出现倾覆。计算隔震支座在罕遇地震下的拉压应力时，应采用弹塑性时程分析方法。根据《隔标》第6.2.1条规定：隔震橡胶支座在罕遇地震的水平和竖向地震同时作用下拉应力不应大于1.0 MPa。本工程设计通过合理的支座选取、布置，在罕遇地震作用下本工程支座没有出现拉应力。

6.2.3 隔震结构抗倾覆验算

根据《隔标》第4.6.9条规定：隔震结构应进行结构整体抗倾覆验算。结构在罕遇地震下最不利抗倾覆力矩与倾覆力矩比值为5.57，满足规范要求。

7 结语

（1）甘肃省某小学教学楼采用橡胶隔震支座方案、基础隔震技术进行隔震设计，上部结构按本地区设防烈度降低1度采取抗震措施。经计算各主要设计指标和参数均满足规范要求。

（2）采用《隔标》可以通过一次设计满足相关要求，而采用《抗规》不能直接保证结构在中震水准的性能。故在隔震建筑设计中应优先采用《隔标》的相关设计方法，对于《隔标》中未涉及的部分可参考其他规范或标准中的相关要求。

（3）着重对房屋高度、性能目标选择、抗震措施确定等概念做了重点分析。在结构体系选择、抗震等级确定中，应区分建筑高度、结构高度，尤其是在层间隔震建筑中更为重要。