项目地点：广东省汕头市金平区
项目设计单位：广东建联建筑设计有限公司
项目概况：本项目由1幢4层幼儿园和1幢单层警卫室兼消防控制室和一个地下消防水泵房、水池组成。其中幼儿园采用隔震技术应用，为本案例分享的结构单体；项目结构设计使用年限50年，结构安全等级二级，结构总高度15.6m；隔震层设置在首层楼板下，隔震层地上建筑面积3170.32m2，地下隔震层建筑面积522.08m2（计一半面积），上部结构采用混凝土框架结构体系，基础采用高强度混凝土管桩基础。
抗震设防信息：抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度峰值为0.2g，Ⅱ类场地，设计地震分组第二组，场地特征周期0.4s；根据《建筑工程抗震设防分类标准》，幼儿园按不低于重点设防类设计。
减隔震技术应用要求：根据《建设工程抗震管理条例》（国令第744号）要求，本项目为高烈度区的新建幼儿园建筑，选择采用隔震技术方案；设计按《建筑隔震设计标准》GB/T 51408-2021（以下简称“隔标”）中设防地震水准设计，保证设防地震时满足正常使用要求。
减隔震设计软件应用：项目采用PKPM-GZ V1.3版本软件。
图1 项目效果图
图2 PKPM隔震一体化模型
初中教学楼单体信息
本工程设计所依据的国家规范、规程、标准及图书如下：
1）《建设工程抗震管理条例》（国令第744号）；
2）《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB50068-2018）；
3）《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223-2008）；
4）《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）；
5）《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）2015年版；
6）《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）；
7）《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）2016年版；
8）《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）；
9）《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）；
10）《建筑隔震设计标准》（GB/T51408-2021）；
11）《叠层橡胶支座隔震技术规程》（CECS126-2001）；
12）《建筑结构隔震构造详图》(03SG610-1)
13）《工程结构通用规范》（GB55001-2021）；
14）《混凝土结构通用规范》（GB55008-2021）；
15）《钢结构通用规范》（GB55006-2021）；
16）《建筑与市政工程抗震通用规范》（GB55002-2021）；
17）《建筑与市政地基基础通用规范》（GB55003-2021）；
18）《建筑工程设计文件编制深度规定》（2016年版）；
19）PKPM软件说明书《多层及高层建筑结构分析与设计软件-SATWE》；
20）PKPM软件说明书《隔震结构非线性设计分析软件-PKPM-GZ》；
21）PKPM软件说明书《隔震结构计算案例教程》。
隔震一体化设计流程
本工程隔震设计采用基于《建筑隔震设计标准》的整体一体化分析设计，满足《建设工程抗震管理条例》要求的设防地震作用下正常使用；软件采用PKPM-GZ V1.3系列软件，软件支持复振型分解反应谱法CCQC、考虑支座局部非线性的FNA快速时程分析、迭代确定支座等效刚度和等效阻尼、按《隔标》反应谱及性能目标完成中震、大震自动包络设计等；隔震支座参数根据生产厂家实验数据确定。
本工程执行《建筑隔震设计标准》（GB/T51408-2021）“一体化”设计的思路和方法，主要设计流程如下：
1）确定隔震设计目标：为满足《隔标》6.1.3,实现上部结构分析设计按本地区设防烈度降低1度确定抗震措施的目标，底部剪力比至少不大于0.5，初定为0.35。
2）建立隔震层上部结构模型：根据《抗规》分部式设计经验，按降低一度后7度做上部结构梁柱尺寸初步选型设计，建立上部结构PKPM模型。
3）确定隔震层支座方案：根据上部结构初步方案计算下的荷载，反向估算隔震支座尺寸，确定隔震支座布置方案。
4）设防地震水准指标验算：将隔震支座补充上下支墩标准层，组装建立PKPM整体模型，利用迭代方法对隔震结构进行等效线性化，判断支座等效线性化结果的合理性，得到底部剪力比、上部结构层间位移角和隔震层支座验算等结果，判断并调整满足初步设计预估的隔震效果。
5）罕遇地震水准补充验算：根据《隔标》4.3.4选波，按SATWE弹性模型补充验算罕遇地震上部结构及隔震层指标，或采用SAUSG-PI弹塑性模型补充验算罕遇地震上部结构及隔震层指标。
6）设防地震配筋设计：补充验算满足后，进入PKPM隔震设计软件中做构件性能化配筋设计及基础设计等。
7）整理隔震设计报告及计算书等。
软件应用流程图如下所示：
图3 隔震设计应用流程
上部结构初步设计
4.1
结构选型与结构布置
根据建筑设计方案，结构采用框架体系，平面布置（首层）如下图所示：
图4 首层结构平面布置图
结构平面尺寸、高宽比及构件尺寸如下表所示：
表1 结构尺寸及构件主要尺寸表
4.2
结构楼面活荷载
本工程荷载按《建筑结构荷载规范》和《工程结构通用规范》综合取值，基本风压为0.8KN/m2，地面粗糙度类别为C类，楼面主要活荷载如下表（平面图中另有说明者除外）：
表2 结构楼面主要活荷载表
4.3
结构抗震等级
本单体为重点设防类建筑，地震作用应符合本地区设防烈度的要求。根据《建筑隔震设计标准》（GB/T 51408-2021）第6.1.3条2款规定，隔震结构底部剪力比不大于0.5时，上部结构可按本地区设防烈度降低1度确定抗震措施；根据《建筑隔震设计标准》（GB/T 51408-2021）第6.1.3条3款规定，与竖向地震作用有关的抗震措施，应符合按本地区设防烈度的规定，不得降低。本工程结构抗震等级如下表所示：
表3 结构尺寸及构件主要尺寸表
4.4
结构主要计算参数
本工程上部结构使用PKPM结构设计软件2021版V1.3版本系列分析软件。（注：重要性系数取1.1）
表4 主要计算参数表
隔震设计方案
5.1
隔震支座选型与布置方案
本工程采用的铅芯橡胶隔震支座和天然橡胶隔震支座，在选择其直径、个数和平面布置时，考虑如下基本原则：
①根据《建筑隔震设计标准》GB/T 51408-2021第4.6.3条第5款规定，同一隔震层内，各个橡胶隔震支座的竖向压应力宜均匀，且竖向压应力不应超过甲、乙、丙类建筑的限值10、12、15MPa。
②根据《建筑隔震设计标准》GB/T 51408-2021第6.2.1条第3款表6.2.1-1及6.2.1-4规定：在罕遇地震作用下，乙类建筑隔震支座不宜出现拉应力，当少数隔震支座出现拉应力时，其拉应力不应大于1MPa；压应力不超:25MPa。
③根据《建筑隔震设计标准》GB/T 51408-2021第4.6.6条第1款规定：隔震支座的罕遇地震作用下的水平变位不应大于其有效直径的0.55倍和各橡胶层总厚度3倍二者的较小值。
④满足偏心率和水平恢复力等要求。
⑤铅芯隔震支座尽可能布置在周边。
本工程共使用了39个支座，各支座类型、数量及力学性能详见下表。隔震支座平面布置见下图。
表5 铅芯/天然橡胶隔震支座力学性能参数
图5 隔震支座平面布置图
5.2
结构构件性能目标
根据《隔标》4.4.5条针对不同结构构件抗震性能要求，本项目将结构不同位置构件定义不同的性能目标如下表所示，构件类别划分如下表所示：
表6 结构构件性能目标分类
PKPM-GZ应用成果
6.1
设防地震隔震结构指标验算
6.1.1 偏心率
隔震结构的偏心率是隔震层支座布置合理性及整体化设计方法中控制支座拉应力的一个重要指标，《隔标》4.6.2明确：隔震层刚度中心与质量中心宜重合，设防烈度作用下的偏心率不宜大于3%。
本项目在进行隔震层设计时，也对隔震系统的偏心率进行了计算，计算结果为：X方向2.18%，Y方向2.02%，满足规范要求，详见下表：
表7 偏心率
6.1.2 隔震支座重力荷载代表值作用下压应力
《隔标》4.6.3规定，对于不同的隔震支座类型按抗震设防类别给出了支座在重力荷载代表值作用下的压应力限值验算要求。本项目不同支座的具体压应力如下表所示，由表可知，支座压应力最大值为9.79Mpa，乙类建筑压应力限值为12 Mpa，支座有足够的安全储备。
表8 重力荷载代表值作用下压应力
6.1.3 上部结构变形
《隔标》4.5.1规定，上部结构在设防地震作用下的结构楼层最大弹性层间位移角按钢筋混凝土框架结构体系应满足1/400的要求。软件后处理文本结果中可以默认显示不同工况下的结构楼层位移指标统计结果，需要注意根据不同位置规范上层间位移角的要求，可以人为调整“位移比和位移角规范限值”。本项目提取变形结果如下表所示，可以看出上部结构层间位移角远小于1/400。
表9 弹性层间位移角
6.1.4 隔震层抗风承载力
《隔标》4.6.8规定：隔震层抗风承载力设计值（包括抗风装置和隔震支座的屈服力构成）应不小于风荷载作用下隔震层水平剪力标准值的1.4倍，隔震层必须具备足够的屈服前刚度和屈服承载力，以满足风荷载和微振动的要求。按《工程结构通用规范》GB 55001-2021中3.1.13-4：除第3款之外的可变作用，当对结构不利时不应小于1.5；当对结构有利时，应取为0。因此综合考虑上述两本规范的要求，本项目风荷载分项系数取1.5，具体隔震层抗风承载力验算如下所示，从结果中可以看出，满足规范验算要求。
X向顺风向：1.5*738.3=1107.5kN＜22*67.7+4*96.8=1876.6kN
Y向顺风向：1.5*1208.4=1812.6kN＜22*67.7+4*96.8=1876.6kN
《抗规》规定：采用隔震的结构风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%。本结构总重力荷载代表值为58100.6 KN，其10%大于风荷载X向产生的水平力738.3 KN和Y向产生的水平力1208.4KN，满足规范要求。
6.2
隔震模型与非隔震模型结果对比
6.2.1 周期对比
《隔标》4.2.2条及4.3.2条规定，采用基于复振型模态的振型分解反应谱法，将下部结构、隔震层及上部结构进行整体分析，其中隔震层的非线性可按等效线性化的迭代方式考虑。
目前PKPM软件支持复振型分解反应谱法和迭代的要求，同时通过多模型计算的功能，分别输出中震隔震模型及中震非隔震子模型结果。本项目提取两个子模型的前三阶周期整理如下表所示，从振型结果可以看出有较好的减震效果，同时X向和Y向的振型基本保持一致。
表10 隔震模型与非隔震模型周期对比
6.2.2 结构基底剪力对比
同传统隔震结构分部式设计方法不同，虽然不需要提取出隔震模型与非隔震模型的楼层剪力结果得到水平向减震系数，但是在《隔标》6.1.3条规定：隔震结构的抗震措施可按底部剪力比及相应的抗震设防烈度确定。因此有必要对比两个模型的楼层剪力对比，PKPM软件文本结果可支持输出子模型楼层剪力对比，整理如下表所示：
表11 隔震模型与非隔震模型基底剪力对比
通过上述结果可以看到，最大楼层剪力比0.32，可满足《隔标》规定的上部结构抗震措施降度的要求，同时也能达到初步设计预定的减震效果目标。
6.3
罕遇地震隔震指标验算
PKPM-GZ多模型计算支持一键完成中震隔震/非隔震模型及大震隔震模型的计算，基于SATWE为分析内核的模型结构本构关系仍为线弹性模型；根据《隔标》4.3.3-2条规定，在罕遇地震或极罕遇地震作用下，隔震建筑上部结构和下部结构宜采用弹塑性分析模型，因此本项目在PKPM-GZ大震模型的基础上，也可再引入弹塑性软件做罕遇地震下的弹塑性时程补充验算（略）。
6.3.1 地震动选取
根据《隔标》4.1.3-3条规定，每条地震加速度时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱计算结果的65%，多条时程计算的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。同时为了确保地震波选择的严谨性，参照《建筑抗震设计规范（GB50011-2016）》第5.1.2条正文及条文说明要求。本工程选取了实际5条强震记录和2条人工模拟加速度时程，7条时程曲线信息如下表11所示，7条时程反应谱和规范反应谱曲线如下图6所示，隔震前结构的基底剪力对比结果分别如下表12所示。
表12 地震动时程基本信息
图6 反应谱及时程曲线
表13 隔震结构基底剪力
6.3.2 上部结构弹塑性层间位移角
根据《隔标》4.5.2条规定，罕遇地震下的上部结构弹塑性层间位移角在钢筋混凝土框架结构体系下须满足1/100的要求。具体验算结果如下表所示，可以看出，满足《隔标》限值要求。
表14 罕遇地震层间位移角
6.3.3 隔震支座位移
根据《隔标》4.6.6条规定，隔震支座在罕遇地震作用下隔震橡胶支座的水平位移限值不应大于支座直径的0.55倍和各层橡胶厚度之和3.0倍二者的较小值。罕遇地震下各支座的最大水平位移及罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角如下表所示。
表15 罕遇地震下隔震支座最大位移
6.3.4 隔震支座拉压应力
根据《隔标》6.2.1条规定，对于重点设防类建筑，隔震橡胶支座在罕遇地震作用下竖向压应力不应超过25MPa，竖向拉应力不应超过1MPa，条文说明中对最大压应力和最小压应力的计算公式给出了建议：隔震支座拉应力验算取1.0×恒荷载-1.0×水平地震－0.5×竖向地震；压应力验算取1.0×恒荷载+0.5×活荷载+1.0×水平地震+0.4×竖向地震。
通过计算分析得到时程下的各个支座拉压应力如下表所示，通过比较均满足规范要求。
表16 罕遇地震下隔震支座拉、压应力
6.4
隔震计算书
6.4.1 结构构件设计计算书
根据前述隔震结构构件性能目标设置要求，PKPM-GZ能直接根据《隔标》4.4节及国内其它规范要求，自动完成不同工况内力分析及内力组合、内力调整，基于设防地震水准按关键构件、普通竖向构件及重要水平构件、普通水平构件抗弯、抗剪要求，完成构件截面配筋验算。同时对于隔震层下部结构设置区域性能目标后，在考虑隔震层水平位移引起的附加弯矩基础上，也能自动完成中震隔震与大震隔震的包络设计，一键查看计算书并批量导出DWG计算书，方便快捷。
图7 隔震结构施工图计算书
6.4.2 审查专项报告
软件支持一键导出隔震专项审查报告，报告内容包含审查应用主要内容，如工程概况，设计依据的主要规范、隔震支座布置、偏心率验算、隔震与非隔震基底剪力对比等。
小结
在当前《条例》的要求下，“两区”中的“八类建筑”应当按照国家有关规定采用隔震减震等技术，该政策文件将对我国减隔震技术的发展带来非常大的促进作用，我国也将迎来减隔震技术项目应用的高潮。
作为我国应用隔震减震技术最早的城市之一，1993年，在广东汕头市建成我国第一栋橡胶支座的8层隔震住宅，这也是当年世界最高的隔震住宅楼。在次年台湾海峡6.4级地震影响中，隔震楼在橡胶隔震层上缓慢摇摆，房屋结构在地震中保持弹性，没有任何损坏，只是轻微摆动；同时，为实现隔震减震产品国产化，汕头市先后筹办了多家隔震减震产品企业，在国内外应用了汕头隔震减震技术，建设了上百座隔震减震建筑。
广东建联建筑设计有限公司位于高烈度区汕头市龙湖区，公司较早在减隔震项目设计中有着实际应用。本文主要基于当地某幼儿园建设项目中的隔震单体设计应用，分享了项目在隔震设计中的设计依据、上部结构初步设计、隔震支座方案选型及隔震层在设防地震及罕遇地震水准下的专项设计等内容，希望在以后的隔震设计项目中给大家起到参考作用，为行业减隔震技术的发展起到促进作用。