隔震工程下支墩混凝土及預(yù)埋板施工技術(shù)分析

張東鵬，吳應(yīng)雄，林順建，許燕芳，王 銘

(1．福建省方鑫建設(shè)工程有限公司， 福建 福州 350015； 2．福州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350108；3．福建省建筑工程技術(shù)中心， 福建 福州 350008； 4．福建省鑫東鵬建設(shè)發(fā)展有限公司， 福建 福州 350400；5．中交鷺建有限公司， 福建 福州 350001)

隔震是建筑結(jié)構(gòu)減輕地震災(zāi)害的有效技術(shù)。建筑隔震工程是通過在建筑物的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置水平方向完全斷開的隔震層，將建筑物分為上部結(jié)構(gòu)、隔震層和下部結(jié)構(gòu)三部分[1]。截至2018年底，我國已建成了超過8 000棟的隔震建筑。這些隔震建筑主要以基礎(chǔ)隔震形式為主，少部分采用層間隔震。隔震層通常由隔震橡膠支座(簡稱隔震支座)及其他相關(guān)構(gòu)件(阻尼器和抗風(fēng)支座)組成[1-2]。上、下部結(jié)構(gòu)大多是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(少量鋼結(jié)構(gòu))，基礎(chǔ)隔震的下部結(jié)構(gòu)可能是地下室結(jié)構(gòu)或者基礎(chǔ)短柱；層間隔震的下部結(jié)構(gòu)可能是單層或者多層結(jié)構(gòu)。直接支撐隔震支座的下部豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件統(tǒng)稱為下支墩(柱)[1-3]。

我國《建筑隔震工程施工及驗收規(guī)范》[3](JGJ 360—2015)已實施超過三年，部分省份編寫了工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)[4]。國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者和工程技術(shù)人員對隔震工程施工技術(shù)進(jìn)行了研究[3-15]，但在實際項目實施過程中出現(xiàn)了一系列問題：比如下支墩混凝土澆筑不密實、錨筋與支墩或拉梁鋼筋有沖突、下預(yù)埋板的安裝定位精度和平整度差、隔震支座安裝偏位等。特別是下支墩混凝土澆筑不密實和下預(yù)埋板的安裝定位精度以及平整度差這兩個問題尤為突出，這將影響結(jié)構(gòu)安全和隔震結(jié)構(gòu)的減震性能[1-3]。為了研究下預(yù)埋板與板底的混凝土是否密貼，中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計院有限公司郁銀泉和文獻(xiàn)[6]對幾種下支墩混凝土澆筑方式進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明：采用細(xì)石混凝土二次澆筑，密實度較兩段澆筑高；高強(qiáng)灌漿料后灌漿密實度較細(xì)石混凝土二次澆筑高，因此推薦采用高強(qiáng)灌漿料后灌漿的施工方法。

由以上工程應(yīng)用和施工分析及研究可得，對下支墩混凝土澆筑方式和下預(yù)埋板及其埋件的制作和施工安裝，雖然有施工規(guī)范及規(guī)程的初步指導(dǎo)，但是實際施工過程中方法各異，施工質(zhì)量普遍較差。為此，本文對下支墩(柱)混凝土通常采取的3種澆筑方式進(jìn)行分析，并對隔震支座下預(yù)埋鋼板及其埋件制作所涉及的開孔、套筒、螺栓、錨筋等數(shù)量及連接方式等等進(jìn)行探討。分析結(jié)果為建筑隔震工程的施工提供參考。

1 建筑隔震工程和隔震支座施工工藝

1.1 建筑隔震工程和隔震支座安裝示意

建筑隔震工程由上部結(jié)構(gòu)、隔震層和下部結(jié)構(gòu)三部分組成。建筑隔震工程各部分示意圖見圖1，某實際基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)如圖2所示。

隔震支座常用直徑為500 mm～1 200 mm，高度通常為170 mm～450 mm，其最重要的力學(xué)性能參數(shù)是水平變形性能[1-15]。隔震支座由支座本體和上、下連接板組成，支座現(xiàn)場節(jié)點大樣示意見圖3。支座通過上、下預(yù)埋鋼板及其埋件與上、下支墩連接而成為整體[1-3]，隔震支座安裝示意見圖4。

圖1 隔震工程各部分示意圖

圖2 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)

圖3 支座現(xiàn)場節(jié)點照片

圖4隔震支座安裝示意

1.2 隔震支座施工工藝

按照規(guī)范[3]，建筑隔震作為子分部歸入主體結(jié)構(gòu)分部。建筑隔震子分部及其上、下結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工流程主要包括：下部結(jié)構(gòu)或下支墩(柱)混凝土工程施工、隔震支座安裝、隔震層梁板及上部結(jié)構(gòu)混凝土工程施工。其中隔震支座施工工藝流程主要是：隔震支座安裝準(zhǔn)備、下預(yù)埋板位置放樣、下預(yù)埋板安裝、下預(yù)埋板下部混凝土二次澆筑或灌漿、隔震支座安裝、上預(yù)埋板安裝。其中關(guān)鍵施工工藝是下預(yù)埋板安裝、下預(yù)埋板下部混凝土二次澆筑或灌漿。

2 下支墩(柱)混凝土工程施工

下部結(jié)構(gòu)或下支墩(柱)混凝土工程施工基本同常規(guī)的鋼筋混凝土工程進(jìn)行施工[7]，文中不再闡述。下部結(jié)構(gòu)或下支墩(柱)混凝土工程施工涉及到隔震支座下預(yù)埋鋼板定位，為便于固定下預(yù)埋板，確保其安裝精度，下支墩(柱)混凝土施工通常采取3種澆筑方式：(1) 兩段澆筑[4,7]，第一段澆筑至距離下預(yù)埋板底標(biāo)高600 mm～1 000 mm，然后安裝定位好下預(yù)埋板再澆筑第二段，兩段澆筑示意圖見圖5； (2) 下預(yù)埋板下留60 mm～100 mm采用細(xì)石混凝土二次澆筑，細(xì)石混凝土強(qiáng)度等級比原設(shè)計的普通混凝土提高一級； (3) 下預(yù)埋板下留30 mm～40 mm采用高強(qiáng)灌漿料后灌漿[6]。已有研究表明采用細(xì)石混凝土二次澆筑，密實度較兩段澆筑高；高強(qiáng)灌漿料后灌漿密實度較細(xì)石混凝土二次澆筑高[5-6]。

下預(yù)埋板板底的混凝土不容易與鋼板密貼，混凝土密實度不足。

(1) 如果下支墩(柱)混凝土分兩段澆筑，澆筑第二段中由于泵送混凝土的坍落度較大，下支墩柱頭有浮漿，應(yīng)當(dāng)刮除浮漿或者采用加干碎石再振搗的方法，或在混凝土初凝前進(jìn)行二次振搗，同時從下支墩側(cè)面用木槌敲擊模板表面，使得混凝土更加密實，尤其是當(dāng)支墩柱截面較小時，更應(yīng)該重視混凝土的澆搗質(zhì)量。柱頭刮除浮漿及加入碎石振搗現(xiàn)場見圖6。

(2) 如果采用細(xì)石混凝土二次澆筑，細(xì)石混凝土的粗骨料直徑為10 mm～20 mm，因此下預(yù)埋板下預(yù)留的高度不應(yīng)大于100 mm。

(3) 如果采用高強(qiáng)灌漿料后灌漿，應(yīng)該嚴(yán)格控制下預(yù)埋板下預(yù)留高度，以免灌漿料產(chǎn)生豎向壓縮變形。

圖5 下支墩(柱)混凝土兩段澆筑

圖6柱頭刮除浮漿、加干碎石振搗

3 支座下預(yù)埋板制作

3.1 下預(yù)埋板制作

下預(yù)埋板邊長配合隔震支座連接板邊長尺寸，預(yù)埋板邊長略大于連接板。設(shè)置下預(yù)埋板目的是為了螺栓套筒和錨筋等的定位，板厚沒有具體要求，因此各個生產(chǎn)企業(yè)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。預(yù)埋板厚度過薄將導(dǎo)致板面彎曲變形，影響隔震支座的安裝精度[5-7]。目前有多數(shù)工程采用較薄的定位板代替下預(yù)埋板，工程應(yīng)用表明了，較薄的定位板雖然經(jīng)濟(jì)，但是存在施工定位誤差太大，套筒傾斜以致螺栓無法全部旋進(jìn)套筒內(nèi)，焊接質(zhì)量難以保證等問題。表1為下預(yù)埋鋼板及螺栓常用尺寸和數(shù)量。

3.2 下預(yù)埋板開孔

下預(yù)埋板主要孔洞有：混凝土澆注孔、套筒孔、排氣孔、錨筋穿孔和起吊孔等[5-7]。下預(yù)埋板開孔見圖7，開孔具體說明如下。

表1 下預(yù)埋鋼板及螺栓常用尺寸和數(shù)量

圖7下預(yù)埋板及開孔布置

(1) 混凝土澆注孔。為了使下預(yù)埋板底面與混凝土密貼，同時方便混凝土的下料，下預(yù)埋板中部必須留有混凝土澆注孔，澆注孔的直徑大小不影響下預(yù)埋板受力，直徑通常大于150 mm，常用的澆注孔直徑和數(shù)量如表2所示。

(2) 起吊孔。起吊孔結(jié)合吊具的吊環(huán)和螺栓，不銹鋼吊環(huán)螺栓直徑通常采用M20和M24兩種。建議起吊孔數(shù)量和螺栓直徑見表2。工程應(yīng)用表明，螺栓套筒與下預(yù)埋板在現(xiàn)場連接，利用套筒孔來作為起吊孔，這樣下預(yù)埋板不必設(shè)置起吊孔。

(3) 套筒孔。螺栓插上套筒旋緊后使得隔震支座與上、下支墩連接成為整體。常用的套筒孔直徑和長度見表1。套筒孔與下預(yù)埋板應(yīng)該采用螺紋連接，這樣才能保證套筒的垂直度。

(4) 排氣孔。下預(yù)埋板底面的混凝土澆筑需要排出氣體，排氣孔設(shè)置的數(shù)量和直徑取決于預(yù)埋板邊長。常用的下預(yù)埋鋼板開孔及尺寸等見表2。施工中下預(yù)埋鋼板有無排氣孔示意圖見圖8。

表2 下預(yù)埋鋼板開孔數(shù)量及尺寸

圖8下預(yù)埋鋼板有無排氣孔

4 下預(yù)埋板埋件

4.1 套筒

套筒通常采用Q235B或45號鋼制作，其表面是光滑的，為了使套筒與混凝土更有效的粘結(jié)，套筒表面的幾種(見圖9中由左至右)處理方式有：(1) 套筒表面光滑無處理； (2) 套筒末端內(nèi)凹刻痕； (3) 套筒末端墩頭； (4) 末端加端板，端板邊長大于套筒直徑； (5) 套筒表面刻痕處理成螺紋狀。工程應(yīng)用表明，套筒直徑較大，本身與密集的鋼筋交叉，如果末端加端板，這樣鋼筋安裝非常不便。因此推薦套筒采用表面刻痕處理成螺紋狀的方法。圖10為套筒末端處理方式的現(xiàn)場實景圖。

圖9 套筒表面幾種處理方式

圖10套筒末端處理方式

4.2 錨筋

下預(yù)埋板錨筋。錨筋直徑和數(shù)量由設(shè)計確定，常用的參數(shù)可參考表1。錨筋根據(jù)抗剪強(qiáng)度設(shè)計，直徑通常d≥16 mm，長度≥20d。錨筋與下預(yù)埋板連接方式(見圖11中由左至右)有：

(1) 錨筋彎折并與下預(yù)埋板焊接。這樣增加了下預(yù)埋板底面鋼筋的用量，混凝土澆搗困難，同時下預(yù)埋板如果改為定位板，因為定位板薄，焊縫強(qiáng)度難以保證，因此不應(yīng)采用。

(2) 錨筋與下預(yù)埋板采用周邊焊接，周邊焊縫的高度和強(qiáng)度難以保證，因此建議不應(yīng)采用。

(3) 錨筋和預(yù)埋板穿孔塞焊，焊縫質(zhì)量較高，但是工序復(fù)雜。

(4) 在下預(yù)埋板開螺紋孔，鋼筋與其利用直螺紋連接，直螺紋長度為預(yù)埋板厚度，直螺紋連接在工廠制作方便，因此推薦使用直螺紋連接方式。圖12為錨筋與下預(yù)埋板連接實例。

4.3 套筒接長錨筋

套筒采用與錨筋接長的連接方式[5-7]，益處有：減少下預(yù)埋鋼板與下支墩連接錨筋的數(shù)量，節(jié)約鋼材；減少錨筋與上、下支墩節(jié)點區(qū)鋼筋交錯。套筒采用與錨筋接長的連接方式見圖13，主要有3種，分別是：(1)套筒表面刻痕處理成螺紋狀，并焊接錨筋；(2)套筒表面刻痕處理成螺紋狀，并穿孔塞焊錨筋；(3)套筒表面刻痕處理成螺紋狀，并旋入錨筋。同上述分析，推薦使用套筒表面刻痕處理成螺紋狀旋入錨筋的方式。

圖11 錨筋與下預(yù)埋板連接方式

圖12 錨筋與下預(yù)埋板連接

圖13螺栓和錨筋及其套筒連接

螺栓套筒錨筋接長減少了下預(yù)埋鋼板與下支墩連接錨筋的數(shù)量，錨筋充分利用了套筒的長度，從圖14可得，預(yù)埋板減少了8根錨筋。但是從圖14進(jìn)一步分析，目前國內(nèi)工程施工中采用大直徑少數(shù)量錨筋，雖然抗剪承載力滿足設(shè)計要求，但是錨筋與下預(yù)埋板連接數(shù)量不足，錨筋的間距不滿足16G362《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)埋件》預(yù)埋件對于抗剪錨筋的要求，應(yīng)當(dāng)在錨筋間距超過要求的位置加設(shè)普通錨筋，同時應(yīng)當(dāng)按照規(guī)范設(shè)置栓釘，如圖14所示。圖14的錯誤做法改進(jìn)后如圖15所示。

經(jīng)過大量現(xiàn)場調(diào)研，在工程施工中大量采用圖16的螺栓和錨筋及其套筒連接方式。經(jīng)過分析認(rèn)為存在兩個主要問題：

(1) 套筒采用非標(biāo)產(chǎn)品。套筒沒有采用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，套筒長度應(yīng)當(dāng)為開孔孔深加底座高度組成，目前套筒底座高度被省略了。套筒采用45號鋼或Q235B鋼材，而螺桿是M8.8級高強(qiáng)度鋼，兩者存在強(qiáng)度的不匹配，這個問題值得關(guān)注。

(2) 套筒長度不足。根據(jù)《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》[16](JGJ 107—2016)，錨筋螺紋長度不少于2d，又根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)螺栓連接技術(shù)規(guī)程》[17](JGJ 82—2011)高強(qiáng)螺桿長度不少于2.5d。圖16的套筒長度不足，套筒長度計算值應(yīng)為135 mm，實際110 mm。不滿足以上相關(guān)規(guī)范要求。

圖14 錨筋穿孔和螺栓套筒錨筋接長

圖15 螺栓套筒錨筋接長、套筒表面刻痕

圖16螺栓和錨筋及其套筒連接

5 結(jié) 語

本文對下支墩(柱)混凝土施工通常采取的3種澆筑方式，以及對隔震支座下預(yù)埋鋼板及埋件的制作所涉及的開孔、套筒、螺栓、錨筋等數(shù)量及連接方式進(jìn)行詳細(xì)的分析，結(jié)論如下：

(1) 下支墩頂面與下預(yù)埋板應(yīng)保證密貼。建議優(yōu)先采用高強(qiáng)灌漿料后灌漿或者細(xì)石混凝土二次澆筑的施工方法。

(2) 下預(yù)埋板不應(yīng)采用較薄的定位板代替。以免鋼板翹曲變形，影響埋件及隔震支座安裝質(zhì)量。

(3) 套筒長度是螺栓和錨筋連接質(zhì)量的重要參數(shù)。應(yīng)預(yù)留足夠的套筒長度，套筒表面宜設(shè)置螺紋。建議預(yù)埋螺栓套筒來接長錨筋，減少下預(yù)埋鋼板連接錨筋的數(shù)量。

(4) 錨筋與下預(yù)埋板的連接是保證節(jié)點抗剪強(qiáng)度的重要因素。建議采用螺紋連接，同時下預(yù)埋板設(shè)置銷釘。

(5) 下預(yù)埋鋼板的開孔需要改進(jìn)。建議加大澆注孔直徑和數(shù)量以及增設(shè)排氣孔。

說明：本項目的研究合作單位尚有，福建泉大建設(shè)有限公司、廈門市同安區(qū)第一建筑工程公司。