隔震支座下支墩(柱)截面及配筋的構(gòu)造優(yōu)化

施微丹，許立英，李環(huán)輝，張東鵬，吳應(yīng)雄

(1.福建國脈房地產(chǎn)開發(fā)有限公司， 福建 福州 350506；2.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 四川 綿陽 621010； 3.廈門中胤建筑工程有限公司， 福建 廈門 361000；4.福建省方鑫建設(shè)集團(tuán)有限公司， 福建 福州 350015； 5.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350108)

建筑隔震工程中隔震支座承受的壓力和剪力通過下支墩(柱)傳遞到下部結(jié)構(gòu)中，隔震支座下支墩(柱)按罕遇地震下的內(nèi)力進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]，因此下支墩(柱)是隔震層的重要構(gòu)件，下支墩(柱)施工是建筑隔震工程施工重要的分項(xiàng)工程，下支墩(柱)混凝土的密實(shí)度和隔震支座的水平精度不易保證，是施工中應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)[2]。

下支墩(柱)鋼筋密集，數(shù)量多規(guī)格大。隔震支座下預(yù)埋板帶有套筒、錨筋、與連接螺栓相連錨筋等埋件，其中套筒的直徑一般較大。鋼筋易與下預(yù)埋板埋件互相阻擋碰撞，從而影響下預(yù)埋板定位與安裝的精度，對混凝土的密實(shí)度造成影響。故下支墩(柱)施工過程中的難點(diǎn)主要包括：(1) 混凝土難以振搗密實(shí)；(2) 隔震支座安裝精度控制，尤其是水平度的偏差控制。規(guī)范規(guī)定隔震支座標(biāo)高和水平位置的偏差應(yīng)≤5 mm，下支墩(柱)頂面水平度偏差應(yīng)≤3‰[3-4]。

通過調(diào)研國內(nèi)已建成的部分隔震建筑發(fā)現(xiàn)，隔震建筑下支墩(柱)的構(gòu)造設(shè)計(jì)和施工存在如下問題：(1) 工程界普遍疑慮下支墩(柱)混凝土是否密實(shí)；(2) 隔震支座預(yù)埋板安裝定位偏差、水平精度較低；(3) 隔震支座安裝效率較低；(4) 上述問題在帶拉梁下支墩(柱)中更為突出，下支墩(柱)施工難度更大。

目前，隔震建筑占新建建筑的總量較小，指導(dǎo)隔震建筑設(shè)計(jì)和施工的相關(guān)規(guī)范出臺時(shí)間較短，國內(nèi)外對隔震技術(shù)的研究主要集中在結(jié)構(gòu)動力試驗(yàn)和地震響應(yīng)分析上，對隔震建筑的設(shè)計(jì)及施工研究較少，僅有少量學(xué)者對下支墩(柱)的構(gòu)造設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行了研究。針對下支墩(柱)鋼筋密集導(dǎo)致的問題，曹建亞等[5]提出了調(diào)整拉鉤的位置和方向、等面積代換大直徑鋼筋，并應(yīng)用于北京國際機(jī)場隔震支座施工中。馬俊等[6]提出了提高下支墩(柱)混凝土和鋼筋的強(qiáng)度等級、使用型鋼材、支墩頂部縱筋90°彎折錨固等措施。齊毅男等[7]應(yīng)用CAD和BIM軟件提前發(fā)現(xiàn)鋼筋沖突并優(yōu)化縱筋和箍筋的位置。杜少云等[8]通過調(diào)整箍筋的排布以及縱筋采用直螺紋連接來預(yù)防支墩鋼筋過密的現(xiàn)象。石立國等[9]提出了下支墩立筋彎錨部分提前截?cái)?，彎錨長度為5 d。張東鵬等[10]建議將套筒接長錨筋以減少下預(yù)埋板埋件的數(shù)量。吳國來等[11]提出下支墩混凝土宜采用二次澆筑或二次灌漿法以提高密實(shí)度。江麗玲等[12]對支墩的尺寸提出了建議，隔震支座外側(cè)距支墩外側(cè)的間距宜≥100 mm。

目前隔震建筑總量少，根據(jù)勘察協(xié)會統(tǒng)計(jì)和調(diào)研，建筑隔震工程設(shè)計(jì)單位普遍缺乏指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)未能充分考慮施工因素導(dǎo)致施工不能滿足設(shè)計(jì)的要求。設(shè)計(jì)單位對下支墩(柱)鋼筋密集易與下預(yù)埋板埋件沖突未加以考慮和重視，施工時(shí)出現(xiàn)下預(yù)埋板安裝定位偏差、混凝土難以澆搗密實(shí)等問題。下支墩(柱)構(gòu)造設(shè)計(jì)不合理、施工質(zhì)量較差、施工效率較低影響了工程經(jīng)濟(jì)效益、制約了隔震建筑的發(fā)展。因此研究出設(shè)計(jì)合理、施工方便、質(zhì)量可靠的下支墩(柱)成為當(dāng)下應(yīng)解決的問題。

1 下預(yù)埋板及下支墩(柱)鋼筋

1.1 下預(yù)埋板及其埋件

隔震支座預(yù)埋板的作用是連接支墩(柱)和隔震支座，并定位隔震支座以保證其水平位置和標(biāo)高，下預(yù)埋板的水平度決定了隔震支座的平整度。預(yù)埋板按位置分為下預(yù)埋板與上預(yù)埋板，預(yù)埋板的平面尺寸一般不小于連接板的尺寸，且不大于支墩(柱)的邊長或直徑。

隔震支座下預(yù)埋板設(shè)有如下孔口：(1) 澆筑孔；(2) 排氣孔；(3) 套筒孔；(4) 錨筋孔；(5) 起吊孔。部分預(yù)埋板利用套筒孔兼做起吊孔。隔震支座下預(yù)埋板埋件主要包括：(1) 套筒；(2) 錨筋；(3) 與連接螺栓相連錨筋。

1.2 下支墩(柱)鋼筋

下支墩(柱)按罕遇地震下的內(nèi)力進(jìn)行設(shè)計(jì)組合，通常配筋較大，節(jié)點(diǎn)處鋼筋密集，存在如下類型的鋼筋：(1) 縱筋；(2) 箍筋；(3) 拉筋；(4) 墩(柱)頂附加網(wǎng)片筋；(5) 下預(yù)埋板螺栓套筒；(6) 下預(yù)埋板錨筋；(7) 如下支墩(柱)帶拉梁，設(shè)有梁縱筋。獨(dú)立下支墩與帶拉梁下支墩鋼筋如圖1(a)—圖1(c)所示。下支墩(柱)鋼筋設(shè)計(jì)對混凝土澆筑、下預(yù)埋板安裝的影響較大。

部分建筑隔震工程下支墩鋼筋密集導(dǎo)致下預(yù)埋板無法安裝，如圖1(d)所示，需拆除鋼筋骨架重新綁扎，費(fèi)工費(fèi)料。故下支墩(柱)設(shè)計(jì)時(shí)和施工前應(yīng)進(jìn)行充分考慮下支墩(柱)鋼筋、下預(yù)埋板套筒及其埋件的排布。

圖1 下支墩(柱)鋼筋

2 下支墩截面構(gòu)造優(yōu)化

根據(jù)隔震支座設(shè)置位置不同，隔震形式可分為：(1) 基礎(chǔ)隔震；(2) 地下室柱頂隔震；(3) 首層柱頂隔震；(4) 層間隔震[13]。

以某工程為例，來說明下支墩(柱)的截面設(shè)計(jì)改進(jìn)。某隔震建筑采用底層柱頂隔震和基礎(chǔ)隔震，隔震橡膠支座普遍采用LRB600，下預(yù)埋鋼板尺寸為670 mm×670 mm，下支墩截面為700 mm×700 mm，下支墩邊緣與下預(yù)埋板邊緣距離15 mm，支墩縱筋易與下預(yù)埋板埋件沖突。

基礎(chǔ)隔震下支墩截面可適當(dāng)增大，其優(yōu)點(diǎn)是：(1) 避免鋼筋沖突；(2) 增大下支墩剛度，提高罕遇地震下的安全儲備和減震效果[14]。將原設(shè)計(jì)截面改為800 mm×800 mm，如圖2(a)所示。下支墩(柱)混凝土的保護(hù)層厚度一般在25 mm～30 mm之間，此時(shí)縱筋在下預(yù)埋板外圍，可避開下預(yù)埋板的埋件。

底層柱頂隔震為避免柱截面增大影響使用功能，下支墩截面保留原設(shè)計(jì)，可在柱頂增設(shè)牛腿。牛腿寬度同下支墩(柱)，底面傾斜角取45°，牛腿高度及外擴(kuò)長度應(yīng)根據(jù)斜裂縫控制條件確定[15]。

綜上，下列隔震形式建議選用較大截面的下支墩：(1) 隔震層設(shè)置在基礎(chǔ)短柱頂面；(2) 隔震層設(shè)置在基礎(chǔ)與地下室底板之間。下支墩截面尺寸比支座每側(cè)尺寸擴(kuò)大100 mm，如圖2(a)所示。

下列隔震形式隔震支座下支墩頂部宜增設(shè)牛腿：(1) 底層柱頂隔震；(2) 層間隔震。某底層柱頂隔震工程下支墩改進(jìn)后的截面設(shè)計(jì)如圖2(b)所示。

圖2 下支墩截面改進(jìn)構(gòu)造設(shè)計(jì)(單位：mm)

3 下支墩(柱)配筋構(gòu)造設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 縱筋長度改進(jìn)

下支墩(柱)縱筋常規(guī)設(shè)計(jì)是將所有縱筋從下支墩(柱)底伸至下支墩(柱)頂。這種鋼筋布置方式將引起：(1) 下預(yù)埋板安裝困難；(2) 下預(yù)埋板安裝精度低；(3) 下支墩(柱)混凝土振搗不充分，混凝土密實(shí)度較低。

從受力角度，下支墩(柱)是相當(dāng)于固端在基礎(chǔ)的懸臂構(gòu)件來計(jì)算，采用罕遇地震下的水平剪力作用于下支墩(柱)頂部。

下支墩頂部彎矩M1為：

M1=0.5×(P×Δ+V×h1)

(1)

下支墩底部彎矩M為：

M=M1+V×h

(2)

式中：P為在罕遇地震時(shí)設(shè)計(jì)組合工況下產(chǎn)生的柱底軸力；V為罕遇地震時(shí)設(shè)計(jì)組合工況下產(chǎn)生的水平剪力；Δ為罕遇地震作用下隔震支座產(chǎn)生的水平位移，h1為隔震支座高度，h為下支墩高度[1]。

通常下支墩頂部附加彎矩M1較小，下支墩(柱)中部l/2處的彎矩M1約為底部彎矩M的一半，下支墩(柱)頂部的配筋可根據(jù)受力情況適當(dāng)減少，可節(jié)約造價(jià)、避免鋼筋密集。

下支墩(柱)縱筋可在彎矩較小的位置進(jìn)行截?cái)?，截?cái)帱c(diǎn)的位置應(yīng)滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[15](GB 50010—2010)第9.2.3條的規(guī)定。下支墩的截面通常大于400 mm，規(guī)范規(guī)定縱筋間距不宜大于200 mm，下支墩頂部h/3處縱筋的間距可設(shè)計(jì)為200 mm，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果及最小配筋率選擇鋼筋的直徑；在根部2h/3處縱筋間距設(shè)計(jì)為頂部的1/2，其直徑應(yīng)滿足計(jì)算要求，圖3為改進(jìn)后的配筋設(shè)計(jì)，改進(jìn)后頂部縱筋的配筋率為1.02%，鋼筋凈距為176 mm。圖4為下支墩(柱)常規(guī)縱筋設(shè)計(jì)與改進(jìn)縱筋設(shè)計(jì)的抵抗彎矩圖，在頂部h/3處改進(jìn)后的材料圖已包絡(luò)彎矩圖，改進(jìn)后的配筋具有受力合理、節(jié)約造價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 下支墩(柱)頂縱筋構(gòu)造改進(jìn)

下支墩(柱)縱筋末端的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造主要有兩種做法:(1) 縱筋在下支墩(柱)頂彎折錨固；(2) 縱筋在墩(柱)頂直錨?？v筋彎折錨固的水平段長度為12d，其中d為縱筋的直徑。以直徑28 mm的縱筋為例，其彎折錨固的水平段長度為336 mm，下支墩同一方向彎折錨固水平段鋼筋總長為672 mm，基本涵蓋了中小直徑支座下支墩的大部分截面，這種構(gòu)造將導(dǎo)致下支墩頂部鋼筋十分密集，澆筑混凝土?xí)r膠管和振搗棒難以工作，且安裝下預(yù)埋板時(shí)易與下預(yù)埋板的錨筋、套筒等埋件碰撞。

下支墩(柱)相當(dāng)于懸臂構(gòu)件，頂部受力較小，縱筋在下支墩(柱)頂可直接錨固，這種設(shè)計(jì)便于下預(yù)埋板的安裝，同時(shí)提高混凝土的澆筑質(zhì)量。為防止縱筋自由端過長影響鋼筋籠頂部的穩(wěn)定性和下預(yù)埋件的定位，直錨的縱筋頂部可用箍筋圍一圈進(jìn)行點(diǎn)焊固定。下支墩箍筋直徑通常為10 mm～14 mm，故點(diǎn)焊箍筋的直徑宜滿足下述條件：(1) 至少比下支墩箍筋直徑大兩級；(2) 不小于14 mm。

圖3 下支墩縱筋改進(jìn)設(shè)計(jì)(單位：mm)

圖4 抵抗彎矩圖

3.3 箍筋設(shè)計(jì)構(gòu)造改進(jìn)

3.3.1 箍筋構(gòu)造要求

柱箍筋加密區(qū)的箍筋肢距，一級不宜大于200 mm，二、三級不宜大于250 mm。至少每隔一根縱筋宜有兩個(gè)方向的箍筋或拉筋。柱箍筋加密區(qū)的體積配箍率應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1](GB 50011—2010)的相關(guān)規(guī)定。

3.3.2 中小直徑支座下支墩(柱)

中小直徑支座(直徑800 mm及以下)下支墩(柱)澆筑時(shí)，混凝土通過下預(yù)埋板中心的澆筑口進(jìn)行澆筑和振搗，井字箍的配箍方式導(dǎo)致下支墩中心的澆搗口較小，不利于混凝土投料和振搗，如圖5(a)、圖5(c)所示，下支墩中心處箍筋最大凈距為200 mm，這種設(shè)計(jì)不能滿足施工質(zhì)量保證的前提要求。

將下支墩箍筋改進(jìn)為多邊形復(fù)合箍筋的形式，與預(yù)埋板澆筑孔垂直對應(yīng)的多邊形復(fù)合箍中心有足夠空間進(jìn)行混凝土的澆搗，如圖5(b)所示，這種改進(jìn)能保證混凝土的密實(shí)度。如圖5(d)所示的設(shè)計(jì)，此時(shí)箍筋最大凈距為640 mm。

圖5(c)原設(shè)計(jì)每米箍筋面積為9 420 mm2，圖5(d)將外箍直徑加大為12 mm，內(nèi)箍直徑保持不變，此時(shí)每米箍筋面積為9 880 mm2，改進(jìn)后的箍筋面積滿足斜截面受剪承載力要求與構(gòu)造要求。

圖5 下支墩(柱)配箍(單位:mm)

3.3.3 大直徑支座下支墩(柱)

隨著隔震支座生產(chǎn)能力的提高、高層隔震建筑的增多，隔震支座的型號向大直徑(直徑800 mm以上)的趨勢發(fā)展。如圖6(a)所示，插入式振搗棒的作用半徑通常為250 mm～400 mm，當(dāng)隔震支座尺寸較大時(shí)只留置一個(gè)澆筑孔必有部分范圍無法振搗。加之下支墩鋼筋密集，在長時(shí)間振搗下，砂漿流入支座底部，粗骨料堵塞在澆筑口附近，將引起下預(yù)埋板與下支墩頂部混凝土交接面空鼓、不密貼等問題。

對于直徑為1 200 mm的隔震支座，其下支墩尺寸約為1 500 mm×1 500 mm，圖6(a)為常規(guī)配置的井字箍，其箍筋最大凈距為250 mm。箍筋改進(jìn)設(shè)計(jì)如圖6(b)所示，下預(yù)埋板設(shè)計(jì)兩個(gè)澆筑孔，下支墩箍筋間留置兩個(gè)較大的澆搗口并與下預(yù)埋板澆筑孔垂直對應(yīng)，改進(jìn)后的箍筋最大凈距為570 mm，保證了混凝土澆筑和振搗的作業(yè)空間。

圖6(a)原設(shè)計(jì)每米箍筋面積為12 608 mm2，圖6(b)將外箍直徑加大為12 mm，內(nèi)箍直徑保持不變，此時(shí)每米箍筋面積為12 986 mm2，改進(jìn)后的箍筋面積滿足斜截面受剪承載力要求與構(gòu)造要求。

圖6 大尺寸下支墩(柱)配箍改進(jìn)(單位:mm)

3.4 帶拉梁下支墩節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)改進(jìn)

3.4.1 工程現(xiàn)狀

帶拉梁的下支墩(柱)節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋縱橫交錯(cuò)，與獨(dú)立下支墩(柱)相比，增加了拉梁的鋼筋，下支墩(柱)的施工難度更大。

3.4.2 改進(jìn)構(gòu)造設(shè)計(jì)

(1) 降低梁面標(biāo)高。當(dāng)下支墩頂標(biāo)高與拉梁面標(biāo)高相同時(shí)，拉梁的支座鋼筋與墩頂網(wǎng)片筋、支墩縱筋90°彎錨段在一水平面上，鋼筋密集。建議梁面標(biāo)高降低至墩(柱)頂標(biāo)高下方50 mm～100 mm處，此時(shí)拉梁面的鋼筋可與下支墩(柱)頂鋼筋錯(cuò)開。

(2) 節(jié)點(diǎn)鋼筋錨固措施。下支墩(柱)節(jié)點(diǎn)處縱筋向外90°彎折錨固于梁內(nèi)，其余縱筋采用直錨的方式，為保證縱筋的垂直度以及防止混凝土澆搗時(shí)產(chǎn)生的擾動，可用箍筋與直錨縱筋進(jìn)行焊接，如圖7所示。下支墩箍筋直徑通常為10 mm～14 mm，故點(diǎn)焊箍筋的直徑宜滿足下述條件：① 至少比下支墩箍筋直徑大兩級； ② 不小于14 mm。

(3) 減小梁鋼筋凈距。將梁鋼筋分成兩排或多排布置，可減小拉梁鋼筋的凈距。

(4) 減小下支墩(柱)鋼筋凈距。部分可能與下預(yù)埋板埋件沖突的下支墩鋼筋可采用并筋的形式配置。

3.5 鋼筋規(guī)格及連接方式

設(shè)計(jì)時(shí)下支墩(柱)縱筋宜選擇大直徑鋼筋以減少鋼筋間距。鋼筋連接方式宜采用機(jī)械連接，這種連接方式可靠且避免搭接鋼筋過密的弊端。

圖7 下支墩(柱)帶拉梁節(jié)點(diǎn)鋼筋構(gòu)造改進(jìn)

4 改進(jìn)效果

基于國內(nèi)隔震建筑普遍存在下支墩(柱)混凝土密實(shí)度較低和下預(yù)埋板平整度較差的問題，福州大學(xué)結(jié)構(gòu)減隔震課題組對隔震支座下支墩及其埋件施工進(jìn)行了研究，對下支墩構(gòu)造設(shè)計(jì)和混凝土澆筑方式加以改進(jìn)。目前課題組已完成相關(guān)試驗(yàn)，該試驗(yàn)主要研究隔震支座下支墩的配筋、澆筑方式、下預(yù)埋板的設(shè)計(jì)對下預(yù)埋板平整度的影響，考察預(yù)埋鋼板下混凝土澆筑填充質(zhì)量。其中下支墩分為(1) 獨(dú)立下支墩；(2) 帶拉梁下支墩。下支墩配筋參數(shù)包括：(1) 下支墩的縱筋設(shè)計(jì)；(2) 縱筋頂部錨固形式；(3) 配箍形式。

下支墩施工工藝流程：澆筑下支墩底板→下支墩鋼筋綁扎→安裝下預(yù)埋板→安裝模板→澆筑下支墩混凝土→安裝隔震橡膠支座→安裝上預(yù)埋板→上支墩施工→拆模.

試驗(yàn)結(jié)果表明，下支墩縱筋截?cái)嗲叶瞬繜o彎錨、采取菱多邊形復(fù)合箍的的設(shè)計(jì)改進(jìn)是可行的，與常規(guī)設(shè)計(jì)的下支墩相比，其混凝土密實(shí)度、下預(yù)埋板水平精度較高。帶拉梁的下支墩鋼筋縱橫交錯(cuò)，下預(yù)埋板安裝時(shí)預(yù)埋件易與下支墩的鋼筋沖突，澆筑混凝土?xí)r振搗不夠充分，下預(yù)埋板安裝較困難、定位偏差大，改進(jìn)后的帶拉梁下支墩施工時(shí)各工序順利完成，施工便捷、安裝效率高。

5 結(jié) 語

(1) 隔震支座下支墩宜采用較大截面。基礎(chǔ)隔震支座下支墩截面尺寸宜比隔震支座每邊大100 mm，底層柱頂隔震下支墩(柱)可增設(shè)牛腿，下支墩邊緣到牛腿外擴(kuò)邊緣的水平長度可取150 mm左右。

(2) 建議下支墩(柱)縱筋進(jìn)行分批截?cái)唷＜s50%的縱筋可在距離下支墩(柱)2/3處截?cái)?，在下支?柱)頂部1/3高度處縱筋間距可設(shè)計(jì)為200 mm，其直徑除了滿足計(jì)算要求還需滿足最小配筋率，在根部2/3處縱筋間距設(shè)計(jì)為100 mm。

(3) 縱筋在下支墩(柱)頂可直接錨固?？v筋頂部用不小于14 mm且比下支墩箍筋直徑大兩級的箍筋圍一圈進(jìn)行點(diǎn)焊固定。

(4) 箍筋可采用多邊形復(fù)合箍筋的配筋方式。對于直徑大于800 mm的支座，其下支墩(柱)的箍筋間應(yīng)留置兩個(gè)較大的澆搗孔。

(5) 相較獨(dú)立下支墩(柱)，帶拉梁下支墩(柱)的混凝土密實(shí)度和下預(yù)埋板平整度更不易保證。建議將梁面標(biāo)高降低至墩(柱)面下50 mm～100 mm，部分縱筋錨固于梁內(nèi)，無法錨入梁內(nèi)的部分縱筋采用直錨的方式，并用直徑16 mm鋼筋圍一圈與縱筋焊接。