1引言
建筑抗震设计根据《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）要求是以“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准为目标，传统的抗震策略是被动地依靠结构自身的抵抗能力，必须以加大杆件截面、消耗更多材料、牺牲空间为代价。采用隔震设计是一条合理有效的抗震优化设计途径。隔震设计是在建筑上部结构与下部结构或基础之间设置由橡胶隔震支座和阻尼装置等部件组成的具有整体复位功能的隔震层，以延长整个结构体系的自振周期，减少输入上部结构的水平地震力，达到预期防震要求[1]。
2工程概况
江苏省宿迁市新区国土大厦为地上13层、地下1层的小高层建筑，长48.5m，宽19m，总高度54.7m。其结构形式为框架-剪力墙结构，一般柱网尺寸8.5m×8.5m。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011－2010）规定，宿迁市抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.30g，设计地震第一组，建筑物抗震设防类别：丙类。本建筑场地土为III类，场地特征周期值为0.45s。根据《建筑结构荷载规范》（GB50009－2012）规定，基本风压：ω0=0.45kN/m2，地面粗糙度类别C类，基本雪压：S0=0.40kN/m2。主要设计使用荷载为：大会议室、大办公室（分隔自定）3.0kN/m2；各类档案室、档案库房5.0kN/m2；普通楼梯、走廊、厕所等2.5kN/m2；疏散楼梯、走廊3.5kN/m2；自由布置隔墙1.0kN/m2；上人平屋面2.0kN/m2；不上人平屋面0.5kN/m2等[2]。由于本建筑物所在的宿迁市为抗震设防高烈度区，故对本建筑的结构方案抗震设计思路，一是采用传统的抗震设计方法，另一种则是采用隔震技术。现将两种方案均进行深化设计以比较在这个工程中哪个更适用更合理。
3结构方案比较
3.1传统抗震设计方法
由于建筑设计使用要求，本工程剪力墙布置颇受限制，经与设计人员协商并采用PKPM程序计算后上部结构平面布置其主要电算后结果数据有：结构的总质量为23977.584t；X方向最大值层间位移角：1/872；Y方向最大值层间位移角：1/816；X向最大层间位移与平均层间位移的比值为1.06；Y向最大层间位移与平均层间位移的比值为1.49；结构自振周期为0.9878；X向地震作用下结构的底层剪力为27928.25kN；Y向地震作用下结构的底层剪力为28622.36kN。因为地震作用力太大，部分框架主梁采用普通钢筋混凝土梁超筋，改为型钢混凝土梁（图1中截面尺寸加标“*”的）。型钢混凝土梁截面尺寸（单位：mm）如表2所示。
3.2隔震设计方案
建立包含隔震层的隔震结构模型，用ETABS有限元软件来实现。它具有很高的计算可靠度，采用空间杆系计算梁柱构件，把无洞或小洞剪力墙简化为一个膜单元加边梁加边柱单元，膜单元只受平面内荷载，边柱作用等效为剪力墙平面外刚度。ETABS除一般高层计算功能外，还可计算隔震支座、滑板支座、阻尼器、间隙、弹簧、斜板、变截面梁等特殊构件。首先建立本建筑结构非隔震的有限元模型，梁、柱构件均采用空间梁柱单元，抗震墙采用壳体单元。为了验证所建模型的准确性，并检验结构抗震性能，采用EATBS软件计算了非隔震结构规范设计反应谱抗震设防烈度7.5度多遇地震下的动力响应，并将结果与SATWE程序计算结果进行了对比，各楼层的集中质量对比误差均小于3%，因此该非隔震结构有限元模型准确反应实际结构的质量和刚度分布，可以作为非隔震结构的动力响应计算的基准模型，也可以作为后续隔震分析的初始模型。在非隔震结构有限元分析模型的基础上，可以建立隔震结构的三维有限元分析模型。本工程的隔震层设在地下室柱顶与上部结构之间，隔震层顶部为现浇钢筋混凝土梁板结构。由上部结构计算出的各柱墙底最大轴力设计值，再加上首层梁板结构分配给各隔震支座的轴向力设计值，得出各隔震支座轴向力设计值。根据规范《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）对橡胶隔震支座平均压应力限值的规定，选用橡胶隔震支座的型号和数量，通过大量计算分析，最终确定在原结构地下室顶面分别设置8个φ900mm的铅芯型橡胶支座（产品型号为LRB900），12个φ1100mm的铅芯型橡胶支座（产品型号为LRB1100），9个φ900mm的天然橡胶支座（产品型号为RB900），5个φ1200mm的天然橡胶支座（产品型号为RB1200）[3]，控制各隔震支座的长期面压在10MPa以内。隔震支座配置图如图2所示。隔震支座安装构造如图3所示。利用ETABS非线性有限元软件对非隔震的原结构和隔震结构进行了整体非线性时程分析，计算出了非隔震结构和隔震结构在抗震设防烈度8度多遇地震（amax=110cm/s2）作用下的最大层间剪力，经比较隔震结构和非隔震结构在多遇地震作用下的X向楼层地震剪力隔震/非隔震最大值为0.337，Y向楼层地震剪力隔震/非隔震最大值为0.350。由此可见，隔震体系的地震响应大为减小，结构隔震后与隔震前的层间剪力最大比值为0.35，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011－2010）第12.2.5条相关规定，取隔震结构的水平减振系数为0.50，对于隔震体系的上部结构在多遇地震下可以按照抗震设防烈度7度多遇地震（amax=55cm/s2）进行设计。隔震后上部结构采用PKPM程序按抗震设防烈度7度（0.15g）计算后结构平面布置见图4,主要断面尺寸见表3。其主要电算后结果数据有：结构的总质量为19001.008t；X方向最大值层间位移角：1/1493；Y方向最大值层间位移角：1/1126；X向最大层间位移与平均层间位移的最大比值为1.06；Y向最大层间位移与平均层间位移的最大比值为1.20；结构自振周期为1.4326；X向地震作用下结构的底层剪力为9223.34kN；Y向地震作用下结构的底层剪力为7789.07kN；风荷载产生的水平力为1115.1kN。
3.3两个方案的对比
1）按两种方案设计计算下上部结构的混凝土方量比较见表4。由此可见，用隔震设计后，上部结构的混凝土用量将大为减少，考虑到隔震设计后地震作用减少，钢筋混凝土构件的含钢量也减少。而且在传统抗震设计中，尚使用了型钢混凝土梁，型钢梁含钢量约120t，按钢材7000元/t计算，为84万元。本工程采用PHC管桩，桩长24m，单桩承载力特征值为1100kN，由于隔震设计下结构自重减少了4976t，故至少节约管桩45根；还可以减少基础混凝土方量，故采用隔震方案在基础造价上有更多的经济优势。综合对比传统抗震设计，隔震设计在土建成本方面已具有一定优势。2）从使用上看，由于采用隔震后，柱墙截面尺寸均有不同程度的减小，两种方案下扣除钢筋混凝土柱墙面积后的各层可使用面积如表5所示。表5建筑可使用面积对比由表5可见，采用隔震方案后，建筑使用面积净增加了280m2之多。同时由于上下层柱墙断面尺寸差异变小，建筑设计时也更易于布置楼电梯间，可以做到充分利用建筑面积合理布置。由于隔震后钢筋混凝土墙体减少了，更易于建筑设计布置大空间的办公室、会议室等，更满足了业主的需要。
4结论
本工程所在地江苏省宿迁为高烈度抗震设计城市，采用了隔震技术后，因水平刚度较小，可以显著延长结构自振周期，使建筑物因地震而产生的加速度响应可大大减小，隔震系统同时也能利用隔震支座的非线性变形吸收地震能量，提高系统的阻尼比，因此可降低地震对建筑物的作用力，隔震结构所承受的地震剪力远小于非隔震结构。作为高烈度区的小高层建筑，若采用传统抗震设计，为了抵抗大地震对建筑物的较大作用力，被迫将结构构件的截面尺寸做的比较大，从经济以及使用的角度来看，都不是很合适。而且结构构件截面、配筋增大后，结构自重、刚度将大幅度增加，结构在地震中吸收的地震能量也将大幅度提高。这些地震能量主要由结构构件的弹塑性变形来耗散，将导致结构在大地震中严重损坏。自重的增加加大了建筑基础的造价，而构件截面的增大也限制的建筑师对建筑使用功能的灵活划分。本工程由于平面布置需要的关系，剪力墙布置的比较分散，导致局部框架梁需做成型钢梁，更是增加了造价。传统抗震技术只要求保护结构在设防烈度内可修、不倒，未保护非结构构件及装修，未保护内部设备、仪器。由于橡胶支座的刚度及阻尼性能较稳定，理论计算值、实际测试值与现场使用情况比较吻合，可以通过设计计算，较准确地控制地震时结构的地震反应。目前，我国建造的橡胶支座隔震房屋，其地震反应能控制在传统抗震房屋地震反应的1/4～1/12之内，可以实现大地震时结构不坏不倒，同时也保护室内的仪器设备，使用功能不中断；而且大地震时结构基本保持弹性，也可以保护非结构构件不受破坏。
作者：王佳明 单位：上海建科建筑设计院有限公司
