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作者：石晶

單位：江蘇筑森建筑設計有限公司

《建設工程抗震管理條例》自2021年9月1日實行后，各地區陸續發布政策文件要求高烈度區、地震重點監視防御區的八類建筑應按照國家有關規定應用減隔震技術。

在此背景下，江蘇筑森建筑設計有限公司積極研究減隔震技術，為后續高烈度區和地震重點監視防御區的項目提供技術儲備。經過對比，PKPM減隔震軟件具有專業性強、操作簡單、配套技術資料豐富的特點，因此我司利用PKPM減隔震軟件進行了減隔震技術的應用研究工作。本文介紹PKPM減隔震軟件在建模、計算、后處理等方面的基本操作，并圍繞隔震結構設計中“多模型”的應用談一談隔震結構設計的基本概念。

一

隔震結構的建模

1.1

在PMCAD中建立隔震結構整體模型

隔震結構整體模型一般由隔震上部結構、上下支墩層、隔震支座層組成。相比于常規結構，隔震結構整體模型一般要多建立三個標準層。三個標準層從下往上分別是下支墩層、隔震支座層、上支墩層。其中下支墩層一般是按支墩的實際尺寸建的小短柱層，隔震支座層一般也采用小短柱來建模，為了形象可采用小圓柱模擬，柱尺寸可根據隔震支座常見尺寸預估。上支墩層則是包含梁板結構的小短柱層，上支墩高度及尺寸也按照工程中的實際尺寸建模。


隔震整體模型示意圖	隔震上下支墩示意圖


上下支墩及隔震層示意圖	隔震整體結構樓層組裝結果

1.2

將隔震支座層小短柱定義為隔震支座

在PMCAD中新建3個標準層，并與隔震上部結構組裝后，就得到了一個隔震整體結構模型。但是此時隔震支座層的短柱還只是普通的混凝土柱，尚未成為隔震支座。需要先在前處理參數中定義隔震支座所在層號，再到前處理特殊柱菜單下，選擇隔震支座柱屬性，將屬性賦予給短柱。這時混凝土圓柱才能成為隔震支座，其過程類似于角柱的定義。定義完成后，此時小圓柱的力學性質不再取決于具體的截面和材料，而是由定義的隔震支座屬性來控制。PKPM提供了支座產品庫，也可以在產品庫中選擇合適的隔震支座型號。


定義隔震支座柱示意圖	隔震支座參數示意圖

1.3

隔震支座的自動布置

通過以上步驟可以將混凝土圓柱定義為隔震支座，但在剛接觸隔震結構設計時，對于隔震結構的方案布置往往沒有思路。PKPM里面提供了自動布置隔震支座的功能，其思路是根據隔震層偏心率的要求和減震系數（即隔震效果）來初步選擇隔震支座。對于隔震結構，最常使用鉛芯橡膠支座加天然橡膠支座相組合的形式來，一般在結構的外圍布置鉛芯橡膠支座，內部布置天然橡膠支座。因此在進行隔震支座自動布置時，可以先選擇兩組隔震支座。按分組布置完隔震支座后，填寫隔震層偏心率、非隔震結構基本周期，隔震結構目標減震系數等參數，程序會按填寫的參數初步篩選出合適的隔震支座。

二

隔震結構的前處理及結果查看

2.1

隔震結構前處理參數

隔震結構前處理參數中，最重要的是隔震結構設計方法的選擇。隔震結構可以按《建筑抗震設計規范》進行設計，也可以按照《建筑隔震設計標準》來設計。當在軟件中選擇“水平向減震系數法”時，程序會按照《抗規》進行隔震結構的計算和設計；當在軟件中選擇“整體分析設計法”時，程序會按照《隔標》進行隔震結構的計算和設計。

選擇完隔震結構設計方法之后，還需要選擇隔震設計的多模型來進行隔震結構的分析。選擇“水平向減震系數法”時，一般需要4個模型參與隔震結構的分析和設計，分別是小震非隔震模型、中震隔震模型、中震非隔震模型、大震隔震模型。選擇“整體分析設計法”時，一般需要3個模型參與隔震結構的分析和設計，分別是中震隔震模型、中震非隔震模型、大震隔震模型。PKPM可以根據隔震整體模型，自動生成隔震多模型，極大的簡化了隔震結構設計的工作量。對于隔震多模型的理解和應用是隔震結構計算的要點之一，后續將圍繞這個問題作更詳細的討論。

2.2

結果查看

當完成設計后，可以到后處理查看隔震結構設計的結果。首先需要查看隔震結構計算的“水平向減震系數”或“底部剪力比”，來確認隔震支座的布置是否達到了預期的隔震目標。

其次，隔震計算書中為隔震分析報告提供了大部分的素材，包括隔震設計依據、工程概況，隔震支座的布置和偏心率計算，隔震支座的抗風驗算，隔震和非隔震結構的對比等等。

此外，對于隔震支座的壓應力、拉應力等會在隔震支座驗算中給出，可以根據支座驗算的結果來判斷隔震支座布置是否合理。

三

從隔震結構“多模型”談隔震結構的設計

隔震結構因為涉及到隔震和非隔震模型的對比，各個地震水準下的性能設計，所以需要用到多個模型。按《抗規》和按《隔標》兩種方法設計隔震結構，都涉及到隔震多模型的應用，且兩種方法采用的隔震多模型是有區別的。針對兩種方法涉及到的多模型列舉如下：

_	小震	中震		大震
抗規	非隔震模型★	非隔震模型	隔震模型	隔震模型
隔標	小震	非隔震模型★	隔震模型	隔震模型

可以看到按《抗規》和按《隔標》設計，都涉及到多模型，并且多模型的應用不完全相同，接下來我們結合隔震設計的要點，談一談多模型的應用。

3.1

按《抗規》設計時多模型的應用

按《抗規》進行隔震結構的地震力計算，其基本的思路是按“小震非隔震模型”來計算地震力，同時考慮隔震支座的隔震效果來對“小震非隔震模型”的地震力進行打折。這個打折系數稱為“水平向減震系數”，“水平向減震系數”通過“中震隔震模型”和“中震非隔震模型”的對比分析來得到。

同時，水平向減震系數也是確定隔震后上部結構抗震措施等級的依據，按照《抗規》12.2.7條，可根據計算得到的水平向減震系數來決定隔震后上部結構的抗震措施。

按《抗規》設計隔震結構，實質上還是對隔震上部結構進行小震設計，小震非隔震模型是基本的設計模型。同時，按照《抗規》12.2.9第1款，隔震層支墩、支柱及相連構件，應進行罕遇地震下的設計。因此需要應用大震隔震模型，進行隔震層支墩支柱及相連構件的設計。

3.2

按《隔標》設計時多模型的應用

按《隔標》設計隔震結構，是對隔震整體模型進行計算和分析，因此稱之為整體分析法，且《隔標》要求在設防地震（中震）下進行結構及隔震層的承載力和變形驗算。所以“中震隔震模型”是按《隔標》設計時基本的設計模型。通過反應譜迭代的方法可以計算出隔震結構的周期和總阻尼比，從而計算隔震結構的地震力。此時隔震效果的體現主要在于隔震結構相比非隔震結構周期拉長，隔震結構鉛芯橡膠支座提供附加阻尼比，兩種共同作用，降低結構地震力。《隔標》6.1.3規定，隔震結構的抗震措施可按底部剪力比及相應的抗震設防烈度確定，隔震結構底部剪力比不大于0.5時，上部結構可按本地區設防烈度降低1度確定抗震措施。

因此，按《隔標》設計隔震結構，要確定抗震措施等級，首先要計算底部剪力比，而計算底部剪力比就需要中震隔震模型和中震非隔震模型的對比。

按《隔標》設計隔震結構，其基本的設計模型是中震隔震模型，且不同構件要求的性能目標不同。同時按照《隔標》4.7.2條，隔震層支墩支柱及相連構件需進行罕遇地震下的設計，因此還需要應用大震隔震模型。綜上，不論是按《抗規》還是按《隔標》設計隔震結構，都涉及到隔震多模型的應用，且兩種方法有所不同，將隔震結構多模型的應用概括如下：

_	地震力計算	抗震措施等級	性能設計
抗規	小震非隔震、中震隔震、中震非隔震	中震隔震、中震非隔震	小震非隔震、大震隔震
隔標	中震隔震	中震隔震、中震非隔震	中震隔震、大震隔震