建筑隔震技术的快速发展始于20世纪60年代。20世纪60年代中后期, 新西兰、日本、美国等多地震国家对减隔震技术开展深入、系统的理论和试验研究, 取得了较好的成果。70年代初, 新西兰率先开发出铅芯叠层橡胶支座, 大大推动了隔震技术的实用化进程。美国、日本首栋隔震建筑分别在1984年和1985年建成。到20世纪90年代, 全世界至少有30多个国家和地区开展“基础隔震”技术的研究, 并在美、日、法、新、意等20多个国家修建了数百座“基础隔震”建筑物。1994年洛杉矶地震, 采用建筑隔震技术的USC大学医院功能基本完好;1995年日本阪神地震, 采用橡胶支座隔震的建筑经受住地震的考验^[1], 隔震性能良好, 此后建筑隔震技术相继写入各国抗震规范, 应用数量大幅度增加。到目前为止, 建筑隔震技术在我国已较广泛地应用于云南、江苏、山西、北京、四川、广东、甘肃、青海等省市, 已建成隔震建筑近千栋。

　　 目前, 绝大部分建筑采用的隔震层设置方式为同层设置 (或极少数设置于不同标高) , 而对跨层设置隔震层的设计相应规范均没有涉及。本工程采用的跨层隔震设计在国内建筑中尚属首例, 探索出的设计方法可为同类工程设计提供借鉴。

　　 海口美兰国际机场位于海南省海口市美兰区, 是国内大型机场和区域枢纽机场, 同时也是海南航空公司和南方航空公司的基地机场。海口美兰国际机场二期 (T2) 扩建工程按照2025年旅客吞吐量3 500万人次、货邮吞吐量40万t的目标设计。本工程位于抗震设防烈度为8度 (0.30g) 的高烈度地震地区, 是旅客集聚的主要区域, 具有面积大、空间大、跨度大、造型复杂、内装设备系统昂贵、服务要求高等特点, 属于重点设防类别。为提高结构的抗震性能目标, 减小结构超长温度应力, 对中心区 (图1A区) 采用隔震技术。

　　 航站楼平面^[2]共设置8道结构缝, 形成9个结构单体, 其中中心区 (A区) 面积最大 (图1) , 考虑到中心区 (A区) 仅局部有1层地下室, 地上2层 (局部3层) , 适宜采用基础隔震。由于存在局部地下室, 如隔震设置于地下室顶板, 则该局部地下室存在电梯下挂、设备电气管线连接相关问题需要特殊处理, 结合各专业意见综合评估决定采用跨层设置隔震层方案 (图2, 3) 。即地下室区域隔震支座设置于地下室底板以下, 无地下室区域设置于首层底板以下。

　　 隔震层由铅芯橡胶隔震支座、普通橡胶隔震支座、弹性滑板支座组成。具体为:外面3～4圈为直径900, 1 000mm及少数1 200mm的铅芯橡胶支座, 共计482个;内部为直径900, 1 000mm及少数1 200mm的普通橡胶支座, 共计405个;内部竖向反力较大处, 采用直径1 000mm弹性滑板支座, 共计32个 (图4) 。

　　 通过对非隔震及隔震模型分别进行非线性时程分析, 得到减震系数为0.29, 满足隔震的预期目标。对主要楼层隔震前后的加速度进行对比 (图5) , 从对比结果可以看出, 隔震效果良好。罕遇地震三向地震动输入下, 各隔震支座水平位移矢量和的最大值小于支座的设计最大变形值;仅个别支座出现拉应力, 最大拉应力为0.6MPa^[3], 小于1MPa;隔震支座在三向 (X, Y, Z向) 输入下最大压应力为21.0MPa, 小于30MPa^[4], 弹性滑板支座最大压应力为39.5MPa, 小于50MPa, 满足设计要求。

　　 为评估隔震层扭转效应大小, 选取隔震层顶板 (有地下室区域为地下室底板, 无地下室区域为±0.000处) 平面东西向端点A点与B点, 南北向C点与D点作为参考点, 其中A, B两点长度为410m, C, D两点长度为194m (图6) 。提取B点相对A点沿Y向的位移时程来评估隔震层X向扭转, 提取D点相对C点沿X向位移时程来评估隔震层Y向扭转。X向端点各地震波作用下最大相对位移平均值为18.2mm, 扭转角为1/22 527, 扭转位移比为1.03。Y向端点各地震波作用下最大相对位移平均值为8.3mm, 扭转角为1/23 373, 扭转位移比为1.02。表明隔震层在罕遇地震下扭转效应水平较低, 隔震支座变形协同性良好, 能充分发挥隔震支座的变形能力。

　　 为了确保隔震效果的实现, 隔震支座的变形需统一协调, 概念设计将局部地下室设计为与首层底板变形基本一致的刚性体。为实现该设计概念, 从两个方面入手:1) 加大局部地下室的水平刚度, 结合建筑功能双向布置剪力墙 (图7) , 并控制剪力墙的间距不宜过大, 确保地下室区域具有足够的整体抗侧刚度;2) 尽量减小地下室区域的隔震支座刚度, 该区域竖向荷载大的柱位布置弹性滑板支座, 其余位置布置刚度较小的普通橡胶支座, 减小地震作用下水平力。

　　 以局部长条区域为例 (图8) , 分别设置横墙及纵墙, 并控制横墙间距 (H) 不超过纵向墙间距 (B) 的3倍, 以减小楼板弹性变形引起的支座变形差异, 通过墙体与上层楼板形成近似刚性体。

　　 为了保证跨层隔震的隔震效果实现, 对地下室竖向构件的抗侧刚度及强度提出了更高要求。在没有相关规范及类似工程案例参考的情况下, 对概念设计思想进行细化, 对跨层区域的竖向抗侧构件提出的抗震性能要求为:大震下层间位移角不大于1/1 500, 承载力满足抗剪大震弹性, 抗弯大震不屈服。并对局部区域的配筋及构造措施进行加强。该设计理念和设计成果得到了专家的一致认可, 并在即将实施的《建筑隔震设计标准》中有所体现。

　　 对整体结构进行三向地震动输入 (1∶0.85∶0.65及0.85∶1∶0.65) ^[5]进行大震时程分析, 其中隔震支座按非线性计算, 上部结构按弹性计算, 选取典型位置竖向构件进行层间位移统计, 统计该部分竖向构件在各组地震波作用下X向和Y向的最大层间位移, 并取7组地震波 (1#天然波, 2#天然波, 3#天然波, 4#天然波, 5#天然波, 1#人工波, 2#人工波) 作用下层间位移角的平均值, 所有竖向构件中平均最大层间位移角:X向为1/2 187, Y向为1/1 745, 满足设计不大于1/1 500的层间位移角限值。

　　 对地下室竖向构件进行承载力复核, 考虑到结构整体东西向基本对称, 以西侧为主要分析对象, 选取典型且受力较大位置的剪力墙 (墙体编号见图9) 及柱, 提取时程分析结果的内力, 逐个进行承载力复核。

　　 墙体抗剪承载力验算发现Q20及Q22剪压比较大, 抗剪承载力不满足大震弹性要求, 墙的厚度由原来的300mm加厚至400mm;其余墙体截面及配筋均在合理范围, 水平配筋率为0.6%～0.9%, 部分墙体验算见表1。

　　 对地下室钢筋混凝土柱Z1 (截面为1 600×1 600) , Z2 (截面为1 800×1 800) , Z3 (截面为800×800) , Z4 (截面为ϕ600) 及Z5 (截面为ϕ800) (图10) 进行抗弯承载力计算, 绘制P-M曲线 (各柱断面均为对称截面) , 提取各构件大震组合内力进行验算。以Z1为例, 主受弯的平面P-M曲线验算及双向受弯的P-M_y-M_z曲面验算见图11, 验算结果表明, 地下室柱均满足大震不屈服要求。

　　 采用基础组合隔震, 通过优化隔震层的支座布置, 充分发挥普通橡胶支座、铅芯橡胶支座、弹性滑板支座的各自特点, 使隔震层具有较优的刚度、附加阻尼及小偏心特性, 一方面能够满足既定的减震目标, 同时能够满足大震的支座变形及承载力要求。上部结构的减震效果明显, 可有效提高上部结构的抗震性能及减小材料用量。

　　 针对首次采用跨层设置隔震层的设计, 为了确保隔震效果的充分发挥, 隔震支座的变形需统一协调, 概念设计将局部地下室设计为与首层底板变形协同一致的刚性体。为实现该设计概念, 从两个方面入手:1) 加大局部地下室的水平刚度, 结合建筑功能双向布置剪力墙, 并控制剪力墙的间距确保水平力的传递可靠;2) 尽量减小地下室区域的隔震支座刚度, 该区域竖向荷载大的柱位布置弹性滑板支座, 其余位置布置刚度较小的普通橡胶支座, 减小地震作用下水平力。

　　 设计结果表明, 跨层位置的竖向构件满足既定的大震下刚度及承载力要求, 表明在罕遇地震作用下局部地下室与地下室顶板能够实现近似刚体同步移动, 确保跨层隔震的隔震效果及隔震性能满足设计预期。