从1976年唐山地震后, 我国地震工程研究者和结构工程师针对隔震理论开始了一系列的试验研究和实际工程应用^[1,2,3,4], 5·12汶川地震及4·20芦山地震发生后我国西部地区的隔震建筑发展更加迅猛, 由于采用隔震设计的芦山人民医院综合楼在芦山地震中的良好表现^[5], 使人们对隔震建筑有了全新的认识。为此, 于2014年2月发布的《住房城乡建设部关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见》^[6], 其中重点提到位于抗震设防烈度8度及以上的地震高烈度区、地震重点监视防御区或地震灾后重建区的新建建筑宜采用减隔震技术。

　　 笔者认为高烈度区的多层中小学教学楼、医务楼、住院楼和养老院等建筑应尽可能采用隔震技术, 且宜将隔震技术列为首选技术。具体设计中可以考虑把楼面绝对加速度响应值作为控制目标, 控制建筑高频晃动的强度, 就可减小中小学生、病人和老人的心理压力, 从而减轻此类次生灾害的影响。控制各楼层最大加速度响应峰值不超过150cm/s², 即能保证楼内大部分仪器设备在地震时正常运行, 如教学实验仪器不破坏、医疗监护仪器工作不中断等, 同时可减缓或避免因中小学生、病人、老人等心理素质欠佳人群在因恐慌撤离建筑的过程中发生踩踏等次生灾害。

　　 本文以某新建小学教学楼为例, 采用在基础上部增设隔震层的方案, 就隔震目标的确定、工程设计与施工质量的保障措施、工程造价等问题展开讨论, 期望对类似隔震工程的建设起到抛砖引玉的作用。

　　 隔震建筑是指在建筑中设置一个隔震层, 通常在该层中放置若干叠层橡胶支座, 其水平变形刚度与结构层间水平变形刚度相比小得多。当隔震层放置在基础上时即为基础隔震, 大多数隔震建筑均为基础隔震。由于隔震设计显著延长了整个结构体系的自振周期, 可有效降低输入到上部结构的水平地震作用, 以达到预期的防震要求。

　　 初始设计时可以根据建筑的场地特征、无隔震层时的基本周期情况设定一个减震系数, 对于多层建筑, 《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[7] (简称抗规) 要求取按弹性计算所得的隔震和非隔震各层之间剪力的最大比值。在多层框架结构隔震设计中, 可预先将隔震目标设定为隔震后上部结构的地震作用降低一度或一度半, 直接按照降度标准选择隔震层上部结构构件的截面尺寸。然后建立两个模型, 一个是可以精确描述支座力学参数包括基础、隔震层、上部结构的隔震模型, 另一个就是去除隔震层及以下部分, 把框架柱支座设为铰支座的非隔震模型。

　　 隔震支座布置原则是:支座水平刚度取橡胶层100%剪应变时的等效刚度;铅芯隔震支座应尽量布置于建筑四周的角柱和边柱位置, 且应使隔震模型上部结构的前两阶基本振型为平动;各支座在重力荷载代表值下的竖向压应力不应超过12MPa (乙类建筑隔震橡胶支座的压应力限值) 。

　　 抗规第5.1.2条第3款规定:采用7条时程输入时, 取所有时程响应的平均值。层间位移角计算值可取1/450~1/250, 当希望上部结构具有较好的性能指标, 如期望在基本地震烈度下上部结构基本完好, 则可取较小的层间位移角计算值。对于中小学教学楼、医务楼、病房、养老院等建筑宜检查楼层上最大绝对加速度峰值是否小于150cm/s^[11,12]。当不满足要求时可调整隔震层力学参数或增大上部结构的层间侧向变形刚度, 总之隔震效果宜从水平减震系数和隔震层上部结构的层间位移角两个方面综合考虑。当初步分析结果满足抗规规定的各项指标后, 常规结构设计部分和隔震层的专项设计部分可进行各自的深化工作, 并注意隔震层相关部位相关专业间的对接和协调工作 (如隔震沟的处理、设备管线问题、电梯井和踏步楼梯过渡等相关问题) 。设计宏观思路流程见图1。

　　 四川某小学综合楼工程 (4·20芦山地震灾后重建项目) , 总建筑面积约为3 367m², 建筑总高度约为15.1m, 地上3层, 结构体系为多层钢筋混凝土框架结构, 设计使用年限为50年, 其设防烈度为8度, 设计基本地震加速度为0.2g, 场地类别为Ⅱ类, 设计地震分组为第二组, 反应谱特征周期为0.4s, 建筑抗震设防类别为重点设防类 (乙类) , 1层结构平面布置图如图2所示。

　　 若采用传统结构体系, 则抗震构造措施需提高一度按9度考虑, 这将导致抗侧力构件的截面尺寸比较大, 同时也不能确定大震作用下综合楼作为学生避难场所的建筑功能是否能够实现。故采用基础隔震技术降低结构地震作用, 同时也可降低上部结构的构造要求, 尤其是大震作用下建筑抗震性能可获得较大的提高, 使得该综合楼能成为学生的有效避难场所。

　　 该建筑为高宽比较小的多层框架结构, 水平减震系数β受层间剪力控制, 根据抗规第12.2.5条相关规定及条文说明, 在8度 (0.2g) 地区, 按照降低一度考虑上部结构的水平地震作用, 即在隔震支座的设计配置计算中, 水平减震系数β值小于0.4即可满足上部结构水平地震作用降低一度的要求。

　　 采用ETABS软件对隔震与非隔震结构进行了有限元非线性时程分析, 结构模型如图3所示, 隔震支座采用Wen模型^[8]中非线性单元Isolator 1模拟。

　　 按照抗规要求, 本工程选取2条人工模拟加速度时程曲线 (ART1, ART2) 和5条实际强震记录曲线 (TF, EL, LWD, PEL, NOR) 。归一后的时程曲线与规范反应谱如图4所示, 非隔震结构在7条地震时程作用下的基底剪力与反应谱法计算结果对比如表1所示。由表可知本工程所选取的7条地震波满足规范要求, 即时程曲线剪力与反应谱剪力之比均在65%~135%范围内, 详见图4。

　　 根据抗规第12.2.3条对橡胶支座的要求, 结合支座处框架柱在重力荷载代表值和罕遇地震作用下隔震层的最大位移, 选择满足需求的橡胶支座, 并复核实配支座后隔震结构的水平减震系数β值, 如不满足小于0.4的要求, 则进行反复迭代试算。本工程最终采用的橡胶支座力学性能参数如表2所示。结构中共布置了51个隔震支座, 其中LRB500支座15个、LRB600支座6个、LNR500支座28个、LNR600支座2个。隔震支座布置如图5所示。

　　 根据抗规第12.2.5条规定计算得出最终的水平减震系数β, 即多层建筑按弹性计算所得的隔震与非隔震结构各层层间剪力的最大比值, 见表3。由表3可知, 水平减震系数远小于0.40, 为保守起见, 上部主体结构仅按降低一度进行设计。由抗规公式 (12.2.5) 计算得到α_max1=0.056, 实际的隔震效果已降至6度半以下, 故按7度设计的上部结构是安全的。

　　 将结构7度非隔震和8度隔震的地震响应进行比较。下面仅列出7度非隔震和8度隔震结构在7条地震波作用下的X向平均层间剪力和平均层间位移角, 平均层间剪力对比见图6, 平均层间位移角对比见图7。其中ST0为7度非隔震结构计算结果, ST1为8度隔震结构计算结果。

　　 由图可知, 8度隔震结构在小震、中震、大震作用下的平均层间剪力和平均层间位移角均小于7度非隔震结构的对应值, 再次证明上部结构按降低一度进行设计是安全的, 同时也表明隔震设计能有效地减小地震输入到上部结构的能量, 从而保证结构主体安全。通过对隔震层下部结构与上部各楼层在罕遇地震作用下的绝对加速度值对比 (表4) , 得出隔震后上部结构的加速度响应显著降低, 可减小建筑中的中小学师生对地震的心理压力和恐惧感, 有效控制人员在疏散中拥挤踩踏等次生灾害的发生。

　　 对比隔震结构与非隔震结构的前三阶振型周期 (表5) , 发现隔震设计可显著延长主体结构的周期, 使其远离建筑场地的卓越周期, 从而降低结构受到的地震作用。

　　 在7条时程波8度罕遇地震作用下, 隔震层中各隔震支座的最大平均水平位移值为241mm, 小于275mm (直径500mm橡胶支座的允许变形值) 。所选支座规格均满足结构在罕遇地震作用下的水平变形要求, 符合抗规要求。且各支座均未产生拉应力, 各隔震支座在罕遇地震作用下是安全的。

　　 隔震技术的应用不仅能够提高建筑结构的抗震性能, 而且能够实现较好的经济效益和社会效益。

　　 经隔震设计后, 上部结构所受地震作用大大降低, 结构受力、变形都将大大减小, 与传统抗震结构相比, 上部结构构件截面及配筋可相应减小, 从而实现隔震设计的技术经济效益。特别是在高烈度区, 据初步统计, 在9度区常规建筑的工程造价可节约8%以上, 8度区常规建筑的造价增幅则基本控制在约±3%, 7度区常规建筑的造价将增加5%以上^[3,9]。

　　 本工程上部结构按照水平地震作用降低一度进行设计, 采用传统抗震设计的8度非隔震结构与采用隔震设计的7度隔震结构的主要材料用量见表6。

　　 由表6隔震结构和非隔震结构主要材料用量的变化量, 并结合工程建设时期市场综合造价信息 (含人工费) :混凝土工程500元/m³, 钢筋工程5 800元/t, 各隔震支座均价11 000元/套, 可以计算出工程造价增加大约15万元, 按面积计算增加造价大约45元/m²。表明该建筑采用隔震设计后工程造价将会增加, 其原因主要有以下几点:1) 该建筑主体体量小, 楼层低, 建筑面积小, 隔震设计的技术经济效益不明显;2) 根据水平减震系数以及上部结构的地震响应数据来看, 结构安全富余较大, 接近抗震性能指标1, 若以抗震性能指标3进行优化设计, 其经济性将有所改善。

　　 隔震设计可大幅提高建筑结构对高烈度地震的抵御能力, 与传统抗震设计相比, 其远期经济效益与社会效益更加显著, 分析见表7。

　　 传统建筑设计在图纸会审和设计交底后, 设计方仅参与一些设计变更和常规验收的基本程序, 参与度很小;但减隔震项目不同, 从过往的一些实际工程实施情况来看, 在此类技术普及和推广的发展阶段, 多数工程参与单位对该技术核心内容缺乏全面认识和了解, 造成一些不必要的工期、质量或经济损失, 建议应加强设计方在减隔震专项施工中质量保证方面的作用:1) 施工开工前, 认真做好减隔震专项技术图纸会审, 设计方应强调产品质量和安装质量对采用减隔震技术建筑抗震安全的重要性, 并特别指出隔震支座的质量是影响隔震建筑结构安全的关键因素;2) 设计方应参与减隔震产品的第三方检测监管, 鉴于目前国内检测市场不够严谨负责, 已多次出现“有问题的检测报告”而导致的重大工程质量事故并造成较恶劣的社会影响, 设计方对产品的力学性能误差应该有了解, 应承担隔震效果和产品可靠性、耐久性的监管责任;3) 隔震产品安装前须按照设计要求提交相关资料, 安装后须进行有设计方参加的专项验收, 设计方应对施工质量和减震可靠性做出评判, 隔震层质量满足相应设计要求后方可进行后续施工。

　　 本文从宏观上讲述了隔震技术在教育建筑设计上的基本设计思路, 并以实际工程背景为案例对隔震建筑的专项设计和经济性等进行了分析, 结论如下:

　　 (1) 采用基础隔震设计能显著延长主体结构的周期, 显著减小上部结构所受的地震作用, 上部结构可根据水平减震系数值按抗规进行降度抗震设计。

　　 (2) 隔震建筑可显著减小罕遇地震作用下上部结构的加速度响应, 降低地震时中小学师生的心理压力、避免次生灾害的发生, 从而进一步提升中小学等建筑在震害中发挥避难场所的作用。

　　 (3) 隔震建筑的经济性与建筑的设防标准、场地特征以及规模体量有关, 其远期经济效益与社会效益则更加显著。

　　 (4) 为保障减隔震技术的可靠应用, 设计文件中应严格细化各类减隔震产品关键力学参数的性能要求, 以及具体抽样检测要求和方法, 并同时加强设计方在专项施工中的监控作用。