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浅谈建筑结构抗震设计理念（下）
建筑隔震
在建筑物底部设置可在地震时水平滑动或产生较大变形的特殊部件，可以大大减少大量地震影响，通常可减少 60%。即使对结构动力学一无所知的人也知道这一点。然而，设置隔震装置会导致上部结构在地震时发生较大的水平位移，这是一个缺点。建筑师和结构工程师应该对此有充分的估计，以避免其造成的损害。
1. 多层砖混建筑的抗震隔震
最容易理解的是多层砖混结构的隔震，我们可以把砖混结构看作一个具有很大刚度的质量，其地震作用系数取最大值。
。
如果在底部安装滑动支座，可以大大减少上部结构所受的地震力，可以减少多少呢？
这里
是砖混结构隔震后的基本自振周期。
从上图中自振周期公式可以看出，隔震体系将上部结构视为单质点系统，隔震支座是连接质点与基础的弹性支撑。
隔震系统的地震力为：
。
比较地震影响系数曲线：
隔震砖混结构的地震力是根据隔震支座的刚度计算自振周期后得到的地震影响系数。
2. 多层钢筋混凝土结构的隔震
对于多层钢筋混凝土隔震结构的地震力，我们仍然可以按照上述非常简化的思路来理解，即将上部结构看作一个质量体，将隔震支座看作支撑刚度杆。对于较低钢筋混凝土结构，这种简化是可以的，但对于稍高的结构，这种方法误差太大，应按照以下模型，采用弹性时程分析法进行计算。
旧抗震规范GB5001-2001规定，应将上部结构的多个质量点及隔震支座本身作为一个整体进行弹性时程分析，计算隔震和非隔震两种基底剪力，根据二者的比值确定地震折减系数，并根据折减系数的地震力计算非隔震结构的地震作用。
既然隔震结构的地震剪力已经计算得比较准确，为什么还要回过头去确定地震折减系数，然后再用这个折减系数来计算地震力呢？我的理解是程序不准确，要考虑必要的安全系数。大家可以看到，地震折减系数还是明显大于地震剪力的比值。
现行抗震规范GB5001-2016的抗震折减系数直接采用最大楼面剪力比。
根据抗震规范，需要先建立非隔震模型计算地震剪力，再计算隔震模型的地震力，从而根据地震剪力比确定地震折减系数，再根据地震折减系数计算非隔震模型的地震力。这与旧抗震规范的思路一致，但折减系数的选取有所不同。计算过程如下（YJK培训视频）
在有限元分析软件已经非常发达的今天，已经不需要计算简化方法的减震系数，而是采用弹性、弹塑性时程分析，对整体隔震模型进行精确计算。《建筑隔震标准GBT51408-2021》就是这样一种直接计算的方法。计算过程如下：
《抗震标准》要求进行中震下结构构件承载力与变形计算，大震下结构变形验算。中震、大震承载力与变形验算可参照《基于正常使用的建筑抗震技术导则》的要求进行。
在极重大地震作用下，需校核隔震支座的变形极限和特殊设防上部结构的变形值。
3. 复杂振型与真实振型介绍
通常在计算结构某一振型时，我们假设结构各部位的阻尼比相同，因此不同振型的振型之间是正交的。但对于隔震结构，隔震构件与其他楼面构件的阻尼比是不同的，例如混凝土结构的阻尼比为5%，但隔震支座的阻尼比则远大于此，需要通过产品试验来确定。
不仅仅是隔震结构，像钢筋混凝土与钢结构的组合结构，加设阻尼器的减震结构，不同部位的构件或者楼板的阻尼都是不一样的，所以用通常的振型求解方法不够准确，所以要用复振型计算。复振型有实部，也就是通常的振型部分，还有虚部，就是考虑不同阻尼比对振型位移影响的部分。这些内容其实是结构动力学和数学的，我的能力也只能到这个程度了，我觉得工程师理解到这个程度就够了，更深层次的内容应该是力学和编程的任务，工程师只要在软件应用中勾选复振型这个选项就可以了。
四、隔震建筑的变形控制限值
《分离标准》规定了不同地震作用下建筑各部位的变形要求。
在设计地震作用下，上部结构的变形极限要略大于小震下一般建筑的弹性位移角极限，可见所谓的中震设防与通常的小震设防是有区别的。
在大震下，隔震结构应具有可修复性，而非抗震性，对其变形的控制更为严格。
只有有特殊防护要求的建筑，才需要验算隔震建筑上部结构在极大地震作用下的结构变形。
需要对隔震支座在大震、特大震下的变形进行验证。
5. 隔震应用及隔震支撑相关参数介绍
设置隔震支座可以明显减轻上部结构的地震影响，但也会带来一定的危害，增加投资。因此，设置隔震支座的建筑希望达到比普通建筑更好的抗震性能。《抗震规范》只说对抗震要求较高的建筑应采用隔震，但并未作出具体规定。《隔震标准》对此作了具体规定。
简单来说就是：中度地震不会破坏它，大地震可以修复它，特大地震不会倒塌它。
《建筑抗震管理条例》明确规定了八类建筑的隔震防御目标，《基于正常使用的建筑抗震技术导则》则是针对八类建筑的承载力计算、变形控制、构件损伤等具体评估原则，《隔震标准》也有具体规定，隔震标准还增加了在极少见地震下隔震支座变形验证的要求。
隔震应用及隔震支座的参数介绍如下：
1、隔震技术更适用于低层、多层建筑。2001版抗震规范规定，自振周期为1.0S的建筑，应采用隔震建筑。若混凝土框架结构基本周期为
反算中混凝土框架高度应控制在33米左右。虽然现行抗震规范已经取消了1.0S规定，但在实际工程中，对低矮建筑还是尽量采用。规范规定建筑高宽比应小于4.0，道理也是一样的。对较高的建筑，建筑倾覆力矩可能使隔震支座受拉，应严格限制拉应力。因此，《隔震标准》对拉应力的限值规定如下：
2、设置隔震支座将显著缩短结构的自振周期。较软的场地会滤除高频地震波，所以在硬场地土上采用隔震建筑，而法规规定不能在4类场地使用。
3、较大的水平压力会限制隔震支座的水平位移，所以规范规定了不同建筑隔震支座的压应力限值，同时也规定了隔震支座产品在此压力等级下仍能达到的最大水平位移。
4、隔振支撑的一次、二次形状系数。
橡胶支座是由橡胶和钢板叠合而成多层钢结构阻尼比，中间空心（以利于中间橡胶的剪切、压缩变形）。第一形状系数是橡胶约束面积（与钢板接触的面积）与自由表面面积（橡胶内外径周围的面积）之比。
可以看出，S1越大，橡胶越薄多层钢结构阻尼比，橡胶支座的竖向刚度越大，反之，其水平刚度越大，不利于减弱地震效应，因此S1不宜过大。
第二个形状因子是橡胶直径与橡胶总厚度的比例。
m为橡胶层数。
S2越大，多层橡胶相对于直径越扁平，隔震支座越矮越厚，弯曲变形占总变形的比例越小，隔震支座越不容易被压缩；S2越小，隔震支座越薄越高，水平变形较大时稳定性越差。同时，当多层橡胶受到水平力时，中间钢板不能约束剪切变形，隔震支座的剪切变形即为橡胶的剪切变形。因此，S2越大，隔震支座的水平刚度越大，过大的水平刚度会限制隔震支座的水平变形能力，进而影响隔震层的变形。因此，S2值不宜过大。
在《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第12.2.3条的解释中，给出了第一次形状系数和第二次形状系数的取值范围，而这个范围写在《建筑抗震设计规范》（JG/T 118-2018）第5.2条关于形状系数取值的规定中。第二次形状系数对隔震支座轴向压应力限值的影响体现在《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第12.2.3条第3款和《隔震结构设计标准》第4.6.3条第3款中。
2023 年 9 月 18 日
参考：
1：防腐规范2001年和2016年版
2：《建筑隔震设计标准GBT51408-2021》
3：《建筑抗震管理条例》
4：《基于建筑正常使用的抗震技术导则》
