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1 震害中看隔震 图1为汶川地震中白鹿镇中心学校震害情况，由图可见，地面隆起2m，但房屋无损。如果考虑地基-基础-上部结构为一整体，则地基可以隔震耗能，起到了保护上部结构的作用。 图2为汶川地震中映秀镇漩口中学震害情况，映秀镇漩口中学为五层砖混结构，底部一层整体倒塌，成为柔性首层（first soft storey）结构，底部一层破坏起到隔震作用，从而保护了上部结构。
（来自中国建筑科学研究院《2008年汶川地震建筑震害图片集》）
（来自中国建筑科学研究院《2008年汶川地震建筑震害图片集》） 2 隔震结构类型 （1）隔震垫型隔震结构：隔震垫型隔震结构，如铅芯橡胶垫（LRB）隔震结构，这种结构由于隔震垫的非线性和非经典阻尼，使得通常的地震反应分析方法——振型分解反应谱法的应用受到限制。 （2）滑动型隔震结构：滑动型隔震结构，如摩擦摆（FPS）滑动隔震结构，由于滑动过程是非线性的，因此滑动隔震结构的动力分析十分复杂。 3 隔震结构设计计算方法 本文以8度区隔震结构设计为例，讨论隔震垫型隔震结构的计算方法。 3.1 减震系数β的计算 （1）隔震结构：基础隔震结构（base isolatedstructure)由上部结构、隔震层、地下室组成。隔震层的铅芯橡胶垫通过上、下混凝土支墩分别与上部结构的楼层梁和下部结构的楼层梁相连。 （2）隔震计算模型 1）等效线弹性模型：采用ETABS程序计算，铅芯橡胶垫用隔震单元和Gap单元模拟。隔震单元具有水平和竖向刚度，相当于一个水平弹簧和一个竖向弹簧。水平弹簧采用等效线弹性模型，刚度为k1；竖向弹簧为弹性模型，刚度为k3。Gap单元为竖向弹簧，采用弹性模型，仅能受压，不能受拉，取其刚度k2=9k3，即隔震层的竖向受压刚度为竖向受拉刚度的10倍。隔震计算模型含正负零层梁及隔震垫的上支墩，上支墩与正负零层刚接，与基础为上述弹簧连接。 2）弹塑性模型：采用ETABS程序计算，铅芯橡胶垫用隔震单元和Gap单元模拟。隔震单元具有水平和竖向刚度，相当于一个水平弹簧和一个竖向弹簧。水平弹簧采用理想弹塑性模型，初始刚度为k1（k1取隔震垫100%剪切变形时的等效刚度）；竖向弹簧为弹性模型，刚度为k3。Gap单元为竖向弹簧，采用弹性模型，仅能受压，不能受拉，取其刚度k2=9k3，即隔震层的竖向受压刚度为竖向受拉刚度的10倍。隔震计算模型含正负零层梁及隔震垫的上支墩，上支墩与正负零层刚接，与基础为上述弹簧连接。 （3）非隔震计算模型：非隔震计算模型含正负零层梁及隔震垫的上支墩，上支墩与正负零层刚接，与基础铰接。 （4）减震系数β的计算：采用时程分析法，取7条波（5天然波，2人工波），按8度中震（PGA=200gal),用ETABS软件计算，结果取7条波平均值。由隔震计算模型得到结构各层的层剪力∑Q和倾覆力矩∑M。由非隔震计算模型得到结构各层的层剪力∑Q′和倾覆力矩∑M′。取∑Q/∑Q′和∑M/∑M′两者的较大值（一般小于0.4），为减震系数β，即β=max［（∑Q/∑Q′），（∑M/∑M′）］，如β<>，可取β=0.4。 （5）计算隔震后结构的αmax1：取β=0.4，αmax=0.16，Ψ=0.8（或0.85），由αmax1=βαmax/Ψ，得αmax1=0.08，相当于降了1度。将此处得出的αmax1=0.08用于下面的上部结构计算，即采用非隔震计算模型计算7度小震反应谱，用于上部结构设计。 3.2 上部结构计算 采用非隔震计算模型计算7度小震反应谱，用于上部结构设计，从层剪力和倾覆力矩上看，是合适的。但通过计算发现，构件层面可能出现内力的差别较大的现象，尤其对于北京通州中西医结合医院病房楼和裙楼相连存在刚心和质心严重偏离的情况下，对于这种框架剪力墙结构，会造成混凝土构件由隔震计算模型算出的偏压构件变成由非隔震计算模型的偏拉构件。分析原因，可能为：1）采用非隔震计算模型用简化方法计算隔震结构不准确；2）时程分析法和反应谱法计算结果有差别；3）隔震模型的竖向弹簧刚度对减小因水平地震引起的构件轴力反应有帮助。 4 北京通州中西医结合医院隔震设计要点 北京通州中西医结合医院（图3）为800床的3甲医院，建筑面积12万m2，含门诊、医技、病房楼和行政楼。抗震设防烈度为8度（0.2g），设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.45s，建筑类别为乙类。
隔震设计分为两部分：病房楼+裙房，门诊楼。本文介绍病房楼+裙楼的隔震设计。病房楼+裙楼为框架剪力墙结构，主楼10层，裙房4层，地下2层，结构高度为45.4m，病房楼+裙楼隔震模型见图4。采用有铅芯隔震垫（LRB）和无铅芯隔震垫（NRR）隔震结构。
（1）隔震支座布置：本工程采用的橡胶隔震支座，在选择其直径、个数和平面布置时，主要考虑了以下因素：1）根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）第12.2.3条，同一隔震层内各个橡胶隔震支座的竖向压应力宜均匀，竖向平均应力不应超过乙类建筑的限值12MPa；2）在罕遇地震作用下，隔震支座不宜出现拉应力，当少数隔震支座出现拉应力时，其拉应力不应大于1MPa；3）在罕遇地震作用下，隔震支座的水平位移限值应小于其有效直径的0.55倍和各橡胶层总厚度3倍二者的较小值。根据以上要求，病房楼+裙房共使用了232个隔震支座。 （2）8度中震时程分析：隔震后结构的第1周期由隔震前的1.33s增加到3.21s。计算分析得到隔震层以上结构隔震前后，结构层间剪力比值和结构倾覆力矩比值的平均值的最大值为0.325，根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）第12.2.5条，确定隔震后水平地震影响系数最大值为：αmax1＝βαmax/ψ=0.325×0.16/0.8=0.065。上部结构计算时取αmax1＝0.08。 （3）上部结构计算：上部结构采用非隔震模型按7度小震进行结构和构件设计。 5 隔震设计计算方法的讨论 5.1 本例隔震结构计算方法的合理性 （1）隔震结构中震计算的隔震垫等效线弹性问题 隔震结构的减震效果来源于两个方面：1）增加结构第1周期，降低反应谱值；2）增加结构第1振型阻尼比，减小结构反应。 用等效线弹性方法，采用隔震垫的等效弹性刚度，用中震时程法进行隔震结构计算，利用了第一个条件。 如要用到第二个条件，就要考虑因隔震垫阻尼大引起的结构振型阻尼（尤其是第1振型阻尼）的增加。通常的程序采用Rayleigh阻尼，如何做到这点要设计人员考虑。 （2）非隔震结构降1度小震计算的安全度问题 减震系数β是由中震隔震结构和非隔震结构的地震反应（基底剪力、倾覆力矩）比较得出的，计算时假定上部结构处于弹性状态。 上部结构的设计是采用非隔震结构模型按降1度小震进行结构和构件设计，由此设计的结构在设防烈度中震下已进入屈服，因此前述的计算减震系数β时上部结构弹性的计算假定不准确，由此带来的对β值的影响应考虑。 5.2 隔震结构中震设计的反应谱法 设想隔震结构的设计，可以采用隔震结构模型，隔震垫按等效线弹性考虑其参数，进行中震下的反应谱计算，这里需要解决的问题有： （1）隔震结构的阻尼矩阵为非典型的，因此动力方程在阻尼项耦联，如采用振型叠加法，忽略阻尼矩阵的非对角项，由此带来的误差应加以研究和考虑。 （2）由于隔震垫的阻尼大，由此使得隔震结构的振型阻尼比不同于普通结构的振型阻尼比（如钢结构2%，混凝土结构5%），特别是前几阶振型阻尼比要比普通结构大得多。如何合理确定隔震结构的振型阻尼比是个问题。 6 结论 （1）隔震结构因隔震装置（元件）的非线性性质使得结构动力计算变得复杂，用通常的结构动力分析方法只能给出近似解。 （2）目前国内的铅芯橡胶垫隔震结构的计算方法是近似解法，其中的诸多问题还需进一步探讨。 （3）摩擦摆滑动隔震结构的地震响应是另一种更为复杂的非线性结构动力分析问题。作为一种有效的隔震方法，摩擦摆自身及与如铅芯橡胶垫相结合的隔震结构的设计问题需进一步研究。 （4）由于隔震结构非线性反应的复杂性，相对于抗震结构来说，各国的规范和设计差别可能更大。因此，加强对美国、日本、新西兰等国家的隔震设计研究是提高我国隔震应用水平的有效途径。 更多内容详见2015年4月《减震技术》杂志第3 更多内容详见2015年4月《减震技术》杂志第3期文章：《北京通州中西医结合医院隔震设计》；作者：王立军；单位：中冶京诚工程技术有限公司。 |
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