《隔标》与《抗规》对隔震结构设计要求的对比

引言

隔震和消能减震是建筑结构减轻地震灾害的有效技术。隔震体系通过延长结构的自振周期能够减少结构的水平地震作用，已被国外强震记录所证实。国内外的大量试验和工程经验表明:隔震一般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右，从而消除或有效地减轻结构和非结构的地震损坏，提高建筑物及其内部设施和人员的地震安全性，增加了震后建筑物继续使用的功能。

隔震结构的设计当前都按照抗震规范第12章隔震和消能减震设计的相关要求进行。为便于设计人员掌握隔震设计方法，抗震规范提出了"水平向减震系数"的概念，通过减震系数将隔震设计融入传统抗震设计，便于理解实施。隔震结构的设计通常采用分步式设计，分为隔震层上部结构设计、隔震层设计、隔震层下部结构设计及地基基础设计四个部分。

住房和城乡建设部发布的《建筑隔震设计标准》GBT51408-2021（以下简称“隔标”）已于2021年9月1日执行，采用隔震结构直接设计法：上下部结构、隔震层一体化分析设计，并顺接基础的设计分析。新隔标直接设计方法和传统采用抗震规范的分步式隔震设计方法有一定的区别，本文对两本规范的异同点进行对比分析，让设计师了解新隔标的相关技术要点，并让设计师掌握如何用PKPM软件实现新隔标对隔震结构的直接设计方法。

图1住房和城乡建设部《建筑隔震设计标准公告》

抗震规范对隔震结构设计的要求

抗震规范第12章对隔震结构的设计提出了较为详细的要求，包括隔震结构设计的相关规定及隔震设计要点。规范对建筑结构采用隔震设计应该符合的相关规定提出了要求，同时对隔震装置、隔震层的布置、隔震层橡胶隔震支座、隔震层与上部结构的连接、隔震层以下地面以上结构罕遇地震作用下层间弹塑性位移角限值等隔震设计要点均做出了规定。抗规对隔震结构的设计要求采用“水平向减震系数法”，按分步式设计，分为隔震层上部结构设计、隔震层设计、隔震层下部结构设计及地基基础设计四个部分。

图2现行抗规的分步设计法流程

抗规规范中对隔震结构的抗震性能要求也有所提高。采用隔震或消能减震设计的建筑，当遭遇到本地区多遇地震影响、设防地震影响和罕遇地震影响时，可按高于抗震规范第1.0.1条（小震不坏、中震可修、大震不倒）的基本设防目标进行设计。

图3抗规1.0.1基本的抗震设防目标

按照抗规的分步设计法设计的关键是通过时程分析确定减震系数，抗震规范分步设计法在实际设计中存在以下方面的缺点：

（1）隔震层、上下部结构与基础要分别建模计算及设计、验算；

（2）要多次建模，比较繁琐；

（3）减震系数的确定对地震波的选取依赖性较大；

（4）上部结构地震作用与隔震结构的实际响应存在差异。

图4水平向减震系数与隔震后结构水平地震作用对应烈度

隔标对隔震结构设计的要求

隔标对隔震结构的设计要求，不同于现行抗规的分步设计法，隔标采用直接设计法，一次设计，取消减震系数倒换为烈度设计，直接分为上下部结构和隔震层一体化分析设计，并顺接基础的设计分析方法。

隔标提高了隔震结构的抗震性能目标，设防三目标为，设防地震：结构完好，非结构构件和设备完好。罕遇地震：结构和非结构构件可能损坏，可修复；设备基本功能不受严重影响。极罕遇地震：结构和非结构构件不严重破坏倒塌，设备经修理可继续使用。可概括为：“中震基本不坏，大震可修，巨震不倒”。隔标对隔震结构的抗震性能目标的要求，将使我国建筑地震安全性大幅提高，使我国地震安全面貌大改观。

图6隔标1.0.3条

隔标提出了“三水准、三阶段设计”，并且从常规结构的小震设计直接过渡到“中震设计”。隔震结构在设防地震作用下，应进行结构以及隔震层的承载力设计和变形验算；在罕遇地震作用下，应进行结构以及隔震层的变形验算，并应对隔震层的承载力进行验算；在极罕遇地震作用下，对特殊设防类建筑尚应进行结构及隔震层变形验算。

图7隔标3.1.3条

隔标对地震作用的分析提出了三种分析方法，等效侧力法，振型分解反应谱法及时程分析法。对高度≤24m、以剪切变形为主，且质量刚度分布均匀、支座类型单一的结构，可以采用等效侧力法计算地震作用。除等效侧力法之外的隔震结构可以采用振型分解反应谱法。对高度＞60m、体型不规则及隔震层构成复杂的结构，建议选择时程分析法。

隔标在直接分析法中面临的几个问题，如：隔震层在设防烈度地震作用下即进入非线性状态、隔震结构是非经典（比例）阻尼体系等，在隔标中都提供了对应的解决方案。

振型分解反应谱分析应进行合理的等效线性化，时程分析则应充分考虑隔震层局部非线性特征。隔震结构是非经典（比例）阻尼体系应采用基于复振型理论的振型分解反应谱方法，尤其当隔震层阻尼比比较大、或同时采用了阻尼器装置时。罕遇、极罕遇地震作用验算时应考虑上部结构非线性。

●隔标对隔震结构设计提出的应对方案有：

（1）设计阶段分析以CCQC复振型分解反应谱法为主；

（2）通过刚度、阻尼比迭代实施局部非线性的等效线性化；

（3）以局部非线性时程分析为中震设计阶段提供包络补充；

（4）罕遇、极罕遇地震整体弹塑性动力时程评估验算分析。

隔标还提出了对隔震结构的地震作用计算及对隔震结构验算的相关细节、隔震支座及隔震构造细节；对多层与高层结构、大跨结构、砌体结构及底框抗震墙结构的隔震设计要点做了详细要求等。

隔标与抗震规范的不同点

隔标与抗规两本规范对隔震结构设计的要求，有以下不同点：

（1）抗震性能目标要求不同。抗规对隔震结构的抗震性能目标要求高于基本设防目标（小震不坏、中震可修、大震不倒），隔标对隔震结构的抗震性能目标为“中震基本不坏，大震可修，巨震不倒”。

（2）设计方法不同。抗规采用分步设计法，隔标采用直接设计法。

（3）隔震层上部结构地震作用大小不同。抗震规范将减震系数倒换为烈度设计，按照小震设计，隔标对上部结构直接按照中震设计，中震设计，概念明确，与构造要求一致，与国际接轨。

（4）隔标对隔震结构采用性能化设计。区分关键构件，普通竖向构件、重要水平构件及普通水平构件，按不同的安全标准，有利于贯彻强柱弱梁、强剪弱弯、裂而不倒等目标。

（5）地震作用计算时的地震影响系数曲线不同。抗震规范采用四段反应谱，隔标采用三段反应谱。抗震规范的反应谱第四段与隔震结构的地震反应规律不符合。

（6）隔标要求，在极罕遇地震作用下，对特殊设防类建筑尚应进行结构及隔震层变形验算。

（7）隔标提出了对隔震结构设计阶段分析以CCQC复振型分解反应谱法为主，以局部非线性时程分析为中震设计阶段提供包络补充。当阻尼大于等于15%时，若不考虑复振型，已不合理，也不安全。

（8）隔标取消了对于结构高宽比的限值，直接按照隔震支座拉力小于1Mpa控制。只要支座拉应力小于1Mpa，结构是安全的。

（9）对隔震层上部结构的抗震等级的确定方法是不同的。抗震规范按照结构体系、高度、烈度等确定结构的抗震等级，隔标是直接按照结构体系及烈度确定抗震等级。

（10）隔标在抗震规范支座的基础上，新增弹性滑板隔震支座及摩擦摆隔震支座两种支座类型，并对验算的相关限值做了不同的规定。

（11）隔标新增了大跨结构、砌体结构及底框抗震墙结构、核电厂建筑隔等的震设计；同时增加了既有建筑与历史建筑隔震加固设计、村镇低矮房屋简易隔震设计等。

隔标与抗震规范的相同点

隔标与抗规两本规范对隔震结构设计的要求，有以下相同点：

（1）对隔震建筑的相关基本要求、隔震支座、隔震支座与上部结构的连接及构造等要求基本一致。

（2）对隔震层上部不论是小震设计还是按照中震设计，都要按照正常的抗震规范的相关要求进行对应的调整，比如强柱弱梁、强剪弱弯等调整。

（3）对隔震层的验算要求基本是一致的。均要求进行隔震层抗风验算、偏心率验算、重力荷载代表值作用下的长期面压验算、罕遇地震作用下支座的拉应力及压应力验算、罕遇地震作用下支座水平位移验算等。

（4）对隔震支座性能试验内容要求（竖向抗压承载力、竖向抗拉能力、压剪刚度、拉剪刚度、阻尼比、水平变位能力、相关性能试验、耐久性试验）等基本一致。

（5）对于隔震层下部结构的设计要求相同。抗震规范和隔标对隔震层下部结构要求进行罕遇地震作用下构件承载力的验算。

PKPM软件对隔震结构设计的支持

PKPM-GZ软件与隔标主编单位广州大学工程抗震研究中心合作研发，是目前配套隔标，最完整全面反映标准的设计计算软件，为解决隔震结构设计流程的复杂性的行业痛点，致力于降低技术门槛，推广隔震技术应用。软件全面深入实现最新《建筑隔震设计标准》，同时支持按现行抗震规范方法设计。可以实现按照抗规“水平向减震系数法”的设计方法进行隔震结构的设计，也可以按照隔标要求的“整体分析设计法”进行设计。