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《建筑隔震設計標準》GBT51408-2021（以下簡稱“隔標”）對隔震結構設計提出了一套不同于《建筑抗震設計規范》GB50011-2010（2016版）（以下簡稱“抗規”）對隔震結構設計的方法。隔震結構的設計由原來的分部設計方法變成了由包含隔震層的一體化直接設計方法。按照隔標要求，隔震結構設計流程更趨向于類似傳統抗震結構的設計方法，使得隔震結構的設計流程更加簡潔，地震作用分布更趨合理。
一、采用隔標設計的完整流程
相比抗規對隔震結構設計的要求，隔標對隔震結構的設計采用上下部結構、 隔震層一體化分析設計，并順接基礎的設計分析方法，其完整設計流程如下：
1.確定隔震目標。
2.建立有限元模型，根據豎向荷載選取支座，并確定隔震支座布置方案。
3.建立隔震有限元模型，利用迭代方法對隔震結構進行等效線性化，求取支座等效參數，計算結構等效剛度及等效阻尼比。
4.進行一體化設計分析，判斷隔震結構有沒有達到中震彈性層間位移角要求，指定構件的性能目標，并進行構件性能化配筋計算。
5.對隔震結構直接選波，驗算支座在大震和巨震下是否符合規范要求。
6.直接接入中震下隔震結構計算的地震作用，進行隔震結構基礎的設計。
7.整理隔震設計報告。
圖1 隔震結構按照隔標設計的流程
二、PKPM-GZ軟件對隔標的實現
PKPM-GZ軟件全面深入實現隔標要求，同時支持按現行抗規方法設計，助力設計師專業、準確、高效地完成隔震結構的設計。針對隔震結構的特點，軟件提供了以下專業、豐富的分析及設計功能，希望設計師能夠能像設計傳統抗震結構一樣設計隔震結構。
圖2 隔震結構設計方法可選擇按抗規或隔標設計
三、采用PKPM-GZ軟件實現隔震結構設計的完整流程
采用PKPM-GZ軟件進行隔震結構的設計，其詳細完整設計流程如下。
01
按照減震目標，初步確定結構方案
圖3 初步確定結構方案
02
根據豎向荷載及長期面壓要求，初選支座布置方案，建立有限元模型
圖4新建隔震支座層及下支墩層
上部結構、隔震支座層及下支墩層，組裝以后形成隔震結構整體三維模型。
圖5 包含隔震層及下支墩的整體隔震模型
然后把隔震支座層的柱子指定為隔震支座柱，并按照隔標對支座長期面壓的要求，初步選擇隔震支座，也可以直接采用軟件智能優選的方式自動選擇隔震支座。
圖6 在隔震層下進行隔震支座柱的指定，定義隔震支座
03
進行隔震結構分析，選擇相應的計算參數。
建立隔震有限元模型，選擇相應的設計參數，需要通過迭代的方法對隔震結構進行等效線性化，求取支座等效參數，同時對于結構地震作用計算采用“復振型分解法（CCQC組合）”。同時一次性形成“中震隔震模型”、“中震非隔震模型”及“大震隔震模型”。
注意：由于設計中讓軟件自動形成中震模型，因此，在進行整體模型計算時，地震影響系數最大值還是要填寫本地區的小震對應的結果。
圖7 隔震結構設計選擇相應參數
04
對隔震構件的性能指定及隔震構件類型等特殊屬性指定
根據隔標的要求，隔震設計時需要進行結構性能化設計，PKPM-GZ軟件給出默認的性能設計屬性，通常需要設計人員確認修改，程序提供交互修改界面。
軟件默認所有的梁構件屬于普通水平、柱構件屬于普通豎向構件，設計中需要指定隔震層的上下支墩為關鍵構件，同時與上支墩相連的隔震層的主梁構件也要指定為關鍵構件。對于層間隔震結構及剪力墻隔震結構，需要按照規范的相關要求，進行關鍵構件、普通豎向構件及普通水平構件的屬性指定。
圖8 隔震結構性能設計時構件性能屬性指定
指定隔震結構的性能屬性后，程序會按照隔標的要求，自動對指定的構件采取相應的性能目標進行構件配筋設計，最終結果中展示性能設計的結果。
同時隔標要求，在進行上下支墩設計時，需要考慮由橡膠支座水平變形引起的附加彎矩，因此，需要進行隔震構件的定義，分別定義上、下支墩屬于“支墩、支柱及相連構件”。對與上支墩層的梁構件也要定義為梁構件屬性為“支墩、支柱及相連構件”。
05
結構構件抗震等級的指定
對于非層間隔震結構，隔震層上部的結構構件抗震等級的確定與傳統抗震結構的確定方式一致，可按照抗規的要求，根據結構所在地的烈度、結構高度、結構抗震設防類別及結構體系等因素綜合確定，同時需要考慮隔標的特殊要求。
圖9 構件抗震等級的單獨指定
06
隔震支座的驗算結果查看
隔震結構設計的一項關鍵工作是確定隔震支座的布置能否滿足規范的各項要求。隔標要求隔震支座的布置至少需要滿足對支座長期面壓的要求、短期面壓的要求、隔震支座拉應力的要求、隔震支座變形的要求及上部結構質量中心和隔震層剛度中心偏心率的要求等，同時還需要滿足減震目標的要求。
隔標4.6.2條要求，隔震層的剛度中心與質量中心宜重合，設防地震作用下的偏心率不大于3%。
在PKPM-GZ軟件中，選擇自動生成“中震隔震模型”、“中震非隔震模型”及“大震隔震模型”，計算完畢之后，直接查看“中震隔震模型”下的隔震層的剛度中心與質量中心的偏心率，查看偏心率是否超過規范要求的偏心率不大于3%的限值。同時直接查看“大震隔震模型”的隔震支座信息，軟件已經自動按照隔標的要求，對隔震支座進行了各項指標的驗算，并根據結構的建筑設防類別自動確定相應的限值。注意，這里的大震模型下的計算是假定上部結構始終保持彈性狀態的，考慮隔震支座的局部非線性。
圖10 隔震支座的各項驗算結果及限值輸出
也可以通過文本查看，進一步查看該支座的詳細計算結果。其中T1為隔震支座在重力荷載代表值作用下的壓應力；T2為隔震支座在罕遇地震下的最大壓應力；T3為隔震支座在罕遇地震下的最大拉應力；T4為隔震支座在罕遇地震下的最大水平位移。每一個輸出的驗算結果后面對應的是各項驗算結果的限值。如果輸出的四項限值有超限，則程序會顯紅提示超限，此時就需要返回模型調整支座，直到各項結果滿足要求。
圖11 隔震支座的各項驗算結果的文本信息詳細輸出
按照隔標要求，隔震層還需要進行抗風驗算，軟件在生成的隔震計算書中已經進行了自動驗算，并輸出了驗算結果。
圖12 隔震層X方向順風向風荷載驗算
07
隔震結構整體指標的查看
對于隔震結構，隔震層上部結構的設計需要滿足中震下的各項整體指標的要求，比如中震下結構的層間位移角、中震下結構的剛重比、樓層剪重比、除隔震層及下支墩層以外的樓層位移比、剛度比等樓層指標。各項指標均應滿足規范的要求。
注意：隔標對于隔震結構剪重比控制按小震下對應的限值控制，在查看中震隔震模型時，剪重比的限值軟件已經自動按照小震對應地震影響系數最大值進行了限值輸出，并對不滿足要求的樓層做自動的調整。
圖13中震隔震模型下X、Y方向地震下的層間位移角
08
構件性能化設計配筋及結果查看
對于隔震結構，隔標對全樓各個部位的構件提出了各自不同的性能要求，根據定義的構件性能屬性，最終主模型顯示的配筋結果已經按照隔標性能化設計的要求自動進行了正截面及斜截面的設計。其中上支墩、下支墩屬于關鍵構件；其他的柱都屬于普通豎向構件；與上支墩相連的梁構件屬于重要水平構件；其他的梁構件屬于普通水平構件。
圖14 主模型下的配筋結果
按照隔標對上下支墩的設計要求，還需要考慮由隔震支座的水平變形產生的附加內力，查看上下支墩的詳細計算結果，可以看到軟件中新增了四種工況考慮隔震支座水平變形產生的附加內力，該附加內力僅僅考慮與地震作用一起組合，組合系數及分項系數均為1.0。
圖15 隔震支座水平變形產生的四個工況對上下支墩的附加內力
09
隔震效果的評價
對于隔震結構，按隔標的要求，已經無減震效果的概念，僅僅借助非隔震模型計算的樓層剪力與中震隔震模型的底部樓層剪力比，判斷隔震結構能否按照降低一度確定抗震措施。當然也可以適當參考抗震規范，通過減震系數法方式求的地震作用影響系數最大值，進而來評價隔震的效果。
圖16 隔震結構樓層剪力比的輸出
隔標要求隔震結構按照中震進行設計，因此不僅僅關注中震中震下的承載力及變形，同時還要查看結構在中震下的等效阻尼比及等效剛度。在PKPM-GZ軟件計算完畢，查看“中震隔震模型”下“結構周期及振型方向”輸出的隔震結構在中震下的周期及等效阻尼比。
圖17 隔震結構中震下的周期及阻尼比輸出
10
隔震結構中震時程分析
隔標要求，對于隔震結構的等效剛度及等效阻尼比的計算可以采用反應譜迭代計算，也可以采用時程分析方法確定。對于一般的多高層隔震結構（高度不高于60m），時程分析不是必須要做的。對于高層隔震結構及復雜的隔震結構，必須按照時程分析進行補充分析。
中震下時程分析完畢后，選擇出滿足規范要求的地震波，然后選擇“隔震信息”菜單中的相關參數。隔震支座的等效剛度和等效阻尼比要“采用輸入的等效線性屬性”，同時為了實現時程分析計算的樓層剪力與反應譜方法計算的樓層剪力進行包絡設計，需選擇參數“時程分析結果校準樓層地震剪力”，軟件自動計算出各樓層地震內力放大系數，構件內力按照該放大系數進行放大，并按照放大后的內力進行構件配筋設計。
時程分析的相關參數選擇后，可直接實現對“中震隔震模型”、“中震非隔震模型”的時程分析。
圖18 多模型直接時程分析的參數選擇
圖19 隔震結構兩個方向的樓層位移及位移角
圖20 隔震結構與非隔震結構中震下時程分析的剪力比
圖21 中震下每條地震波的能量圖
每個支座的滯回曲線可以在彈性時程菜單中查看。切換到中震隔震模型目錄下，選擇滯回曲線選項，先在左側對話框中選擇橫縱坐標的變量，再在右側空間模型圖中選擇要顯示滯回曲線的支座。
圖22 隔震結構中隔震支座的滯回曲線
11
隔震結構大震彈性時程分析
由于規范要求進行大震分析時，特征周期要增加0.05，因此，對大震彈性時程分析時應該重新按照特征周期增加0.05重新選波計算，然后按照上述的同樣的流程，生成“中震隔震模型”、“中震非隔震模型”及“大震隔震模型”，然后查看隔震計算書，查看大震隔震模型下時程分析驗算的支座的短期面壓、支座的拉應力及支座的變形等。
圖23 罕遇地震下隔震支座的短期面壓及拉應力驗算結果
12
隔震結構大震彈塑性時程分析
如果需要考慮上部結構在大震下有可能進入彈塑性，就需要對結構就行大震彈塑性分析，進一步驗證在罕遇地震下結構的性能，可進入EPDA進行彈塑性動力時程分析。
經過SATWE反應譜分析后需要點擊“接力數據”按鈕完成SATWE數據向EPDA數據的轉化，其中包括結構的幾何信息、構件信息、設計結果、配筋信息、荷載數據等。接力數據的時候可選擇是否保留以前在EPDA中定義過的鋼筋、塑性鉸、隔震支座、阻尼器信息等。
圖24 動力彈塑性分析前處理菜單
注意：當選擇地震波較多時，由于每條波的持續時間并不相同，地震波終止計算時刻需要按照持續時間最長的地震波來填寫，才能保證每條波數據的完整性。
模型數據和參數都定義好之后即可進行動力彈塑性時程分析，計算完畢，在在后處理菜單中即可查看各項計算結果。可以進行圖形展示結果，還生成了詳細的計算書。
圖25 動力彈塑性分析模型
計算書中輸出了結構兩個方向各層層間位移角圖，可根據規范的要求進行對比查看，判斷計算結果是否滿足規范要求。
圖26 主方向0度時主方向各層層間位移角圖
圖27 主方向0度時次方向各層層間位移角圖
對于隔震支座的各項結果，均可在“隔震支座”的菜單下查看，可以選擇指定位置的隔震柱查看單個結果，也可以一次查看所有隔震支座的統計結果。點擊單個支座的文本結果，軟件輸出單根支座的驗算結果。
圖28 彈塑性分析隔震支座文本結果
在“關鍵構件內力歷程”菜單中選擇支座后可以查看每個支座的滯回曲線，如果想查看滯回曲線的具體數值可通過“提取歷程文本”按鈕查看。
圖29 隔震支座力-位移滯回曲線
13
隔震結構抗傾覆驗算
隔標4.6.9條對隔震建筑的抗傾覆驗算提出了相關的要求，要求整個結構在重力代表值下的抗傾覆力力矩大于結構在罕遇地震作用下傾覆力矩的1.1倍。軟件在“大震隔震模型”下輸出了對應的結構整體抗傾覆驗算的結果，設計師可直接根據輸出的傾覆力矩比值判斷能否滿足規范要求。
圖30 軟件輸出的大震下結構的抗傾覆驗算
軟件輸出結構在大震下的抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值Mr/Mov，兩個方向的值均大于1.1，該隔震結構的抗傾覆驗算滿足隔標的要求。
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下支墩的設計
隔標對隔震支墩的設計不僅僅要按照關鍵構件進行中震彈性正截面及斜截面的承載力設計，同時隔標4.7.2條還要求，隔震層下部結構要進行罕遇地震下隔震支座底部的豎向力、水平力和力矩進行承載力驗算，并且要滿足大震不屈服，斜截面大震彈性驗算。
PKPM-GZ軟件中，采用增加一組概念荷載工況的方式來考慮部分的影響，即作用在支座頂底結點上的一組彎矩。
對這一工況進行整體分析后，將這組荷載下的結構構件內力與重力荷載和地震作用下的內力進行組合，再進行配筋設計，即使上下部結構和支墩的承載力均考慮了附加彎矩的影響。參數設置如下，選擇計算大震模型，并勾選考慮附加彎矩影響。
主模型下查看所有支墩的配筋結果。主模型下顯示的是程序按照中震彈性性能設計和大震模型進行自動包絡的結果。
圖31 主模型下顯示隔震結構下支墩中震與大震包絡的配筋結果
15
隔震專項報告書的撰寫
對于隔震結構，計算書的整理工作量也比較大，尤其對結構進行了時程分析，需要整理的數據量非常大，PKPM-GZ軟件在建模輸入整體模型后，軟件可以根據小震模型，自動生成“中震隔震模型”、“中震非隔震模型”及“大震隔震模型”，然后根據各個模型的計算結果，在“主模型”下可以一鍵自動生成“隔震計算書”，大大減少了設計師整理隔震計算書的工作，大幅度提升了設計效率。
圖32 主模型下一鍵生成隔震結構的計算書
圖33 自動生成的隔震結構計算書的目錄
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