12.3.1 本规范对消能减震的基本要求是:通过消能器的设置来控制预期的结构变形,从而使主体结构构件在罕遇地震下不发生严重破坏。消能减震设计需解决的主要问题是:消能器和消能部件的选型,消能部件在结构中的分布和数量,消能器附加给结构的阻尼比估算,消能减震体系在罕遇地震下的位移计算,以及消能部件与主体结构的连接构造和其附加的作用等等。
    罕遇地震下预期结构位移的控制值,取决于使用要求,本规范第5.5节的限值是针对非消能减震结构“大震不倒”的规定。采用消能减震技术后,结构位移的控制可明显小于第5.5节的规定。
    消能器的类型甚多,按ATC-33.03的划分,主要分为位移相关型、速度相关型和其他类型。金属屈服型和摩擦型属于位移相关型,当位移达到预定的启动限才能发挥消能作用,有些摩擦型消能器的性能有时不够稳定。黏滞型和黏弹性型属于速度相关型。消能器的性能主要用恢复力模型表示,应通过试验确定,并需根据结构预期位移控制等因素合理选用。位移要求愈严,附加阻尼愈大,消能部件的要求愈高。

12.3.2 消能部件的布置需经分析确定。设置在结构的两个主轴方向,可使两方向均有附加阻尼和刚度;设置于结构变形较大的部位,可更好发挥消耗地震能量的作用。
    本次修订,将2001规范规定框架结构的层间弹塑性位移角不应大于1/80改为符合预期的变形控制要求,宜比不设置消能器的结构适当减小,设计上较为合理,仍体现消能减震提高结构抗震能力的优势。

12.3.3 消能减震设计计算的基本内容是:预估结构的位移,并与未采用消能减震结构的位移相比,求出所需的附加阻尼,选择消能部件的数量、布置和所能提供的阻尼大小,设计相应的消能部件,然后对消能减震体系进行整体分析,确认其是否满足位移控制要求。
    消能减震结构的计算方法,与消能部件的类型、数量、布置及所提供的阻尼大小有关。理论上,大阻尼比的阻尼矩阵不满足振型分解的正交性条件,需直接采用恢复力模型进行非线性静力分析或非线性时程分析计算。从实用的角度,ATC-33建议适当简化;特别是主体结构基本控制在弹性工作范围内时,可采用线性计算方法估计。

12.3.4 采用底部剪力法或振型分解反应谱法计算消能减震结构时,需要通过强行解耦,然后计算消能减震结构的自振周期、振型和阻尼比。此时,消能部件附加给结构的阻尼,参照ATC-33,用消能部件本身在地震下变形所吸收的能量与设置消能器后结构总地震变形能的比值来表征。
    消能减震结构的总刚度取为结构刚度和消能部件刚度之和,消能减震结构的阻尼比按下列公式近似估算:

    国内外的一些研究表明,当消能部件较均匀分布且阻尼比不大于0.20时,强行解耦与精确解的误差,大多数可控制在5%以内。

12.3.5 本次修订,增加了对黏弹性材料总厚度以及极限位移、极限速度的规定。

12.3.6 本次修订,根据实际工程经验,细化了2001版的检测要求,试验的循环次数,由60圈改为30圈。性能的衰减程度,由10%降低为15%。

12.3.7 本次修订,进一步明确消能器与主结构连接部件应在弹性范围内工作。

12.3.8 本条是新增的。当消能减震的地震影响系数不到非消能减震的50%时,可降低一度。

12.2.1 本规范对隔震的基本要求是:通过隔震层的大变形来减少其上部结构的地震作用,从而减少地震破坏。隔震设计需解决的主要问题是:隔震层位置的确定,隔震垫的数量、规格和布置,隔震层在罕遇地震下的承载力和变形控制,隔震层不隔离竖向地震作用的影响,上部结构的水平向减震系数及其与隔震层的连接构造等。
    隔震层的位置通常位于第一层以下。当位于第一层及以上时,隔震体系的特点与普通隔震结构可有较大差异,隔震层以下的结构设计计算也更复杂。
    为便于我国设计人员掌握隔震设计方法,本规范提出了“水平向减震系数”的概念。按减震系数进行设计,隔震层以上结构的水平地震作用和抗震验算,构件承载力留有一定的安全储备。对于丙类建筑,相应的构造要求也可有所降低。但必须注意,结构所受的地震作用,既有水平向也有竖向,目前的橡胶隔震支座只具有隔离水平地震的功能,对竖向地震没有隔震效果,隔震后结构的竖向地震力可能大于水平地震力,应予以重视并做相应的验算,采取适当的措施。

12.2.2 本条规定了隔震体系的计算模型,且一般要求采用时程分析法进行设计计算。在附录L中提供了简化计算方法。
    图12.2.2是对应于底部剪力法的等效剪切型结构的示意图;其他情况,质点j可有多个自由度,隔震装置也有相应的多个自由度。
    本次修订,当隔震结构位于发震断裂主断裂带10km以内时,要求各个设防类别的房屋均应计及地震近场效应。

12.2.3、12.2.4 规定了隔震层设计的基本要求。
    1 关于橡胶隔震支座的压应力和最大拉应力限值。
        1)根据Haringx弹性理论,按稳定要求,以压缩荷载下叠层橡胶水平刚度为零的压应力作为屈曲应力σcr,该屈曲应力取决于橡胶的硬度、钢板厚度与橡胶厚度的比值、第一形状参数s1(有效直径与中央孔洞直径之差D-D0与橡胶层4倍厚度4tr之比)和第二形状参数s2(有效直径D与橡胶层总厚度ntr之比)等。
        通常,隔震支座中间钢板厚度是单层橡胶厚度的一半,取比值为0.5。对硬度为30~60共七种橡胶,以及s1=11、13、15、17、19、20和s2=3、4、5、6、7,累计210种组合进行了计算。结果表明:满足s1≥15和s2≥5且橡胶硬度不小于40时,最小的屈曲应力值为34.0MPa。
        将橡胶支座在地震下发生剪切变形后上下钢板投影的重叠部分作为有效受压面积,以该有效受压面积得到的平均应力达到最小屈曲应力作为控制橡胶支座稳定的条件,取容许剪切变形为0.55D(D为支座有效直径),则可得本条规定的丙类建筑的压应力限值

        2)规定隔震支座控制拉应力,主要考虑下列三个因素:
            ①橡胶受拉后内部有损伤,降低了支座的弹性性能;
            ②隔震支座出现拉应力,意味着上部结构存在倾覆危险;
            ③规定隔震支座拉应力σt<1MPa理由是:1)广州大学工程抗震研究中心所做的橡胶垫的抗拉试验中,其极限抗拉强度为(2.0~2.5)MPa;2)美国UBC规范采用的容许抗拉强度为1.5MPa。
    2 关于隔震层水平刚度和等效黏滞阻尼比的计算方法,系根据振动方程的复阻尼理论得到的。其实部为水平刚度,虚部为等效黏滞阻尼比。
    本次修订,考虑到随着橡胶隔震支座的制作工艺越来越成熟,隔震支座的直径越来越大,建议在隔震支座选型时尽量选用大直径的支座,对300mm直径的支座,由于其直径小,稳定性差,故将其设计承载力由12MPa降低到10MPa。
    橡胶支座随着水平剪切变形的增大,其容许竖向承载能力将逐渐减小,为防止隔震支座在大变形的情况下失去承载能力,故要求支座的剪切变形应满足σ≤σcr(1-γ/s2),式中,γ为水平剪切变形,s2为支座第二形状系数,σ为支座竖向面压,σcr为支座极限抗压强度。同时支座的竖向压应力不大于30MPa,水平变形不大于0.55D和300%的较小值。
    隔震支座直径较大时,如直径不小于600mm,考虑实际工程隔震后的位移和现有试验设备的条件,对于罕遇地震位移验算时的支座设计参数,可取水平剪切变形100%的刚度和阻尼。
    还需注意,橡胶材料是非线性弹性体,橡胶隔震支座的有效刚度与振动周期有关,动静刚度的差别甚大。因此,为了保证隔震的有效性,最好取相应于隔震体系基本周期的刚度进行计算。本次修订,将2001规范隐含加载频率影响的“动刚度”改为“等效刚度”,用语更明确,方便同国家标准《橡胶支座》接轨;之所以去掉有关频率对刚度影响的语句,因相关的产品标准已有明确的规定。

12.2.5 隔震后,隔震层以上结构的水平地震作用可根据水平向减震系数确定。对于多层结构,层间地震剪力代表了水平地震作用取值及其分布,可用来识别结构的水平向减震系数。
    考虑到隔震层不能隔离结构的竖向地震作用,隔震结构的竖向地震力可能大于其水平地震力,竖向地震的影响不可忽略,故至少要求9度时和8度水平向减震系数为0.30时应进行竖向地震作用验算。
    本次修订,拟对水平向减震系数的概念作某些调整:直接将“隔震结构与非隔震结构最大水平剪力的比值”改称为“水平向减震系数”,采用该概念力图使其意义更明确,以方便设计人员理解和操作(美国、日本等国也同样采用此方法)。
    隔震后上部结构按本规范相关结构的规定进行设计时,地震作用可以降低,降低后的地震影响系数曲线形式参见本规范5.1.5条,仅地震影响系数最大值αmaxl减小。
    2001规范确定隔震后水平地震作用时所考虑的安全系数1.4,对于当时隔震支座的性能是合适的。当前,在国家产品标准《橡胶支座 第3部分:建筑隔震橡胶支座》GB 20688.3-2006中,橡胶支座按剪切性能允许偏差分为S-A和S-B两类,其中S-A类的允许偏差为±15%,S-B类的允许偏差为±25%。因此,随着隔震支座产品性能的提高,该系数可适当减少。本次修订,按照《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068的要求,确定设计用的水平地震作用的降低程度,需根据概率可靠度分析提供一定的概率保证,一般考虑1.645倍变异系数。于是,依据支座剪变刚度与隔震后体系周期及对应地震总剪力的关系,由支座刚度的变异导出地震总剪力的变异,再乘以1.645,则大致得到不同支座的ψ值,S-A类为0.85,S-B类为0.80。当设置阻尼器时还需要附加与阻尼器有关的变异系数,ψ值相应减少,对于S-A类,取0.80,对于S-B类,取0.75。
    隔震后的上部结构用软件计算时,直接取αmaxl进行结构计算分析。从宏观的角度,可以将隔震后结构的水平地震作用大致归纳为比非隔震时降低半度、一度和一度半三个档次,如表7所示(对于一般橡胶支座);而上部结构的抗震构造,只能按降低一度分挡,即以β=0.40分挡。

    本次修订对2001规范的规定,还有下列变化:
        1 计算水平减震系数的隔震支座参数,橡胶支座的水平剪切应变由50%改为100%,大致接近设防地震的变形状态,支座的等效刚度比2001规范减少,计算的隔震的效果更明显。
        2 多层隔震结构的水平地震作用沿高度矩形分布改为按重力荷载代表值分布。还补充了高层隔震建筑确定水平向减震系数的方法。
        3 对8度设防考虑竖向地震的要求有所加严,由“宜”改为“应”。

12.2.7 隔震后上部结构的抗震措施可以适当降低,一般的橡胶支座以水平向减震系数0.40为界划分,并明确降低的要求不得超过一度,对于不同的设防烈度如表8所示:

    需注意,本规范的抗震措施,一般没有8度(0.30g)和7度(0.15g)的具体规定。因此,当β≥0.40时抗震措施不降低,对于7度(0.15g)设防时,即使β<0.40,隔震后的抗震措施基本上不降低。
    砌体结构隔震后的抗震措施,在附录L中有较为具体的规定。对混凝土结构的具体要求,可直接按降低后的烈度确定,本次修订不再给出具体要求。
    考虑到隔震层对竖向地震作用没有隔振效果,隔震层以上结构的抗震构造措施应保留与竖向抗力有关的要求。本次修订,与抵抗竖向地震有关的措施用条注的方式予以明确。

12.2.8 本次修订,删去2001规范关于墙体下隔震支座的间距不宜大于2m的规定,使大直径的隔震支座布置更为合理。
    为了保证隔震层能够整体协调工作,隔震层顶部应设置平面内刚度足够大的梁板体系。当采用装配整体式钢筋混凝土楼盖时,为使纵横梁体系能传递竖向荷载并协调横向剪力在每个隔震支座的分配,支座上方的纵横梁体系应为现浇。为增大隔震层顶部梁板的平面内刚度,需加大梁的截面尺寸和配筋。
    隔震支座附近的梁、柱受力状态复杂,地震时还会受到冲切,应加密箍筋,必要时配置网状钢筋。
    上部结构的底部剪力通过隔震支座传给基础结构。因此,上部结构与隔震支座的连接件、隔震支座与基础的连接件应具有传递上部结构最大底部剪力的能力。

12.2.9 对隔震层以下的结构部分,主要设计要求是:保证隔震设计能在罕遇地震下发挥隔震效果。因此,需进行与设防地震、罕遇地震有关的验算,并适当提高抗液化措施。
    本次修订,增加了隔震层位于下部或大底盘顶部时对隔震层以下结构的规定,进一步明确了按隔震后而不是隔震前的受力和变形状态进行抗震承载力和变形验算的要求。

12.1.1 隔震和消能减震是建筑结构减轻地震灾害的有效技术。
    隔震体系通过延长结构的自振周期能够减少结构的水平地震作用,已被国外强震记录所证实。国内外的大量试验和工程经验表明:隔震一般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右,从而消除或有效地减轻结构和非结构的地震损坏,提高建筑物及其内部设施和人员的地震安全性,增加了震后建筑物继续使用的功能。
    采用消能减震的方案,通过消能器增加结构阻尼来减少结构在风作用下的位移是公认的事实,对减少结构水平和竖向的地震反应也是有效的。
    适应我国经济发展的需要,有条件地利用隔震和消能减震来减轻建筑结构的地震灾害,是完全可能的。本章主要吸收国内外研究成果中较成熟的内容,目前仅列入橡胶隔震支座的隔震技术和关于消能减震设计的基本要求。
    2001规范隔震层位置仅限于基础与上部结构之间,本次修订,隔震设计的适用范围有所扩大,考虑国内外已有隔震建筑的隔震层不仅是设置在基础上,而且设置在一层柱顶等下部结构或多塔楼的底盘上。

12.1.2 隔震技术和消能减震技术的主要使用范围,是可增加投资来提高抗震安全的建筑。进行方案比较时,需对建筑的抗震设防分类、抗震设防烈度、场地条件、使用功能及建筑、结构的方案,从安全和经济两方面进行综合分析对比。
    考虑到随着技术的发展,隔震和消能减震设计的方案分析不需要特别的论证,本次修订不作为强制性条文,只保留其与本规范第3.5.1条关于抗震设计的规定不同的特点——与抗震设计方案进行对比,这是确定隔震设计的水平向减震系数和减震设计的阻尼比所需要的,也能显示出隔震和减震设计比抗震设计在提高结构抗震能力上的优势。

12.1.3 本次修订,对隔震设计的结构类型不作限制,修改2001版规定的基本周期小于1s和采用底部剪力法进行非隔震设计的结构。在隔震设计的方案比较和选择时仍应注意:
    1 隔震技术对低层和多层建筑比较合适,日本和美国的经验表明,不隔震时基本周期小于1.0s的建筑结构效果最佳;建筑结构基本周期的估计,普通的砌体房屋可取0.4s,钢筋混凝土框架取T1=0.075H3/4,钢筋混凝土抗震墙结构取T1=0.05H3/4。但是,不应仅限于基本自振周期在1s内的结构,因为超过1s的结构采用隔震技术有可能同样有效,国外大量隔震建筑也验证了此点,故取消了2001规范要求结构周期小于1s的限制。
    2 根据橡胶隔震支座抗拉屈服强度低的特点,需限制非地震作用的水平荷载,结构的变形特点需符合剪切变形为主且房屋高宽比小于4或有关规范、规程对非隔震结构的高宽比限制要求。现行规范、规程有关非隔震结构高宽比的规定如下:
    高宽比大于4的结构小震下基础不应出现拉应力;砌体结构,6、7度不大于2.5,8度不大于2.0,9度不大于1.5;混凝土框架结构,6、7度不大于4,8度不大于3,9度不大于2;混凝土抗震墙结构,6、7度不大于6,8度不大于5,9度不大于4。
    对高宽比大的结构,需进行整体倾覆验算,防止支座压屈或出现拉应力超过1MPa。
    3 国外对隔震工程的许多考察发现:硬土场地较适合于隔震房屋;软弱场地滤掉了地震波的中高频分量,延长结构的周期将增大而不是减小其地震反应,墨西哥地震就是一个典型的例子。2001规范的要求仍然保留,当在Ⅳ类场地建造隔震房屋时,应进行专门研究和专项审查。
    4 隔震层防火措施和穿越隔震层的配管、配线,有与隔震要求相关的专门要求。2008年汶川地震中,位于7、8度区的隔震建筑,上部结构完好,但隔震层的管线受损,故需要特别注意改进。

12.1.4 消能减震房屋最基本的特点是:
    1 消能装置可同时减少结构的水平和竖向的地震作用,适用范围较广,结构类型和高度均不受限制;
    2 消能装置使结构具有足够的附加阻尼,可满足罕遇地震下预期的结构位移要求;
    3 由于消能装置不改变结构的基本形式,除消能部件和相关部件外的结构设计仍可按本规范各章对相应结构类型的要求执行。这样,消能减震房屋的抗震构造,与普通房屋相比不降低,其抗震安全性可有明显的提高。

12.1.5 隔震支座、阻尼器和消能减震部件在长期使用过程中需要检查和维护。因此,其安装位置应便于维护人员接近和操作。
    为了确保隔震和消能减震的效果,隔震支座、阻尼器和消能减震部件的性能参数应严格检验。
    按照国家产品标准《橡胶支座 第3部分:建筑隔震橡胶支座》GB 20688.3-2006的规定,橡胶支座产品在安装前应对工程中所用的各种类型和规格的原型部件进行抽样检验,其要求是:
    采用随机抽样方式确定检测试件。若有一件抽样的一项性能不合格,则该次抽样检验不合格。
    对一般建筑,每种规格的产品抽样数量应不少于总数的20%;若有不合格,应重新抽取总数的50%,若仍有不合格,则应100%检测。
    一般情况下,每项工程抽样总数不少于20件,每种规格的产品抽样数量不少于4件。
    尚没有国家标准和行业标准的消能部件中的消能器,应采用本章第12.3节规定的方法进行检验。对黏滞流体消能器等可重复利用的消能器,抽检数量适当增多,抽检的消能器可用于主体结构;对金属屈服位移相关型消能器等不可重复利用的消能器,在同一类型中抽检数量不少于2个,抽检合格率为100%,抽检后不能用于主体结构。
    型式检验和出厂检验应由第三方完成。

12.1.6 本条明确提出,可采用隔震、减震技术进行结构的抗震性能化设计。此时,本章的规定应依据性能化目标加以调整。