隔震工程下支墩混凝土及预埋板施工技术分析

张东鹏，吴应雄，林顺建，许燕芳，王 铭

(1．福建省方鑫建设工程有限公司， 福建 福州 350015； 2．福州大学 土木工程学院， 福建 福州 350108；3．福建省建筑工程技术中心， 福建 福州 350008； 4．福建省鑫东鹏建设发展有限公司， 福建 福州 350400；5．中交鹭建有限公司， 福建 福州 350001)

隔震是建筑结构减轻地震灾害的有效技术。建筑隔震工程是通过在建筑物的基础和上部结构之间设置水平方向完全断开的隔震层，将建筑物分为上部结构、隔震层和下部结构三部分[1]。截至2018年底，我国已建成了超过8 000栋的隔震建筑。这些隔震建筑主要以基础隔震形式为主，少部分采用层间隔震。隔震层通常由隔震橡胶支座(简称隔震支座)及其他相关构件(阻尼器和抗风支座)组成[1-2]。上、下部结构大多是钢筋混凝土结构(少量钢结构)，基础隔震的下部结构可能是地下室结构或者基础短柱；层间隔震的下部结构可能是单层或者多层结构。直接支撑隔震支座的下部竖向结构构件统称为下支墩(柱)[1-3]。

我国《建筑隔震工程施工及验收规范》[3](JGJ 360—2015)已实施超过三年，部分省份编写了工程建设地方标准[4]。国内外有关学者和工程技术人员对隔震工程施工技术进行了研究[3-15]，但在实际项目实施过程中出现了一系列问题：比如下支墩混凝土浇筑不密实、锚筋与支墩或拉梁钢筋有冲突、下预埋板的安装定位精度和平整度差、隔震支座安装偏位等。特别是下支墩混凝土浇筑不密实和下预埋板的安装定位精度以及平整度差这两个问题尤为突出，这将影响结构安全和隔震结构的减震性能[1-3]。为了研究下预埋板与板底的混凝土是否密贴，中国建筑标准设计院有限公司郁银泉和文献[6]对几种下支墩混凝土浇筑方式进行了试验研究，结果表明：采用细石混凝土二次浇筑，密实度较两段浇筑高；高强灌浆料后灌浆密实度较细石混凝土二次浇筑高，因此推荐采用高强灌浆料后灌浆的施工方法。

由以上工程应用和施工分析及研究可得，对下支墩混凝土浇筑方式和下预埋板及其埋件的制作和施工安装，虽然有施工规范及规程的初步指导，但是实际施工过程中方法各异，施工质量普遍较差。为此，本文对下支墩(柱)混凝土通常采取的3种浇筑方式进行分析，并对隔震支座下预埋钢板及其埋件制作所涉及的开孔、套筒、螺栓、锚筋等数量及连接方式等等进行探讨。分析结果为建筑隔震工程的施工提供参考。

1 建筑隔震工程和隔震支座施工工艺

1.1 建筑隔震工程和隔震支座安装示意

建筑隔震工程由上部结构、隔震层和下部结构三部分组成。建筑隔震工程各部分示意图见图1，某实际基础隔震结构如图2所示。

隔震支座常用直径为500 mm～1 200 mm，高度通常为170 mm～450 mm，其最重要的力学性能参数是水平变形性能[1-15]。隔震支座由支座本体和上、下连接板组成，支座现场节点大样示意见图3。支座通过上、下预埋钢板及其埋件与上、下支墩连接而成为整体[1-3]，隔震支座安装示意见图4。

图1 隔震工程各部分示意图

图2 基础隔震结构

图3 支座现场节点照片

图4隔震支座安装示意

1.2 隔震支座施工工艺

按照规范[3]，建筑隔震作为子分部归入主体结构分部。建筑隔震子分部及其上、下结构构件施工流程主要包括：下部结构或下支墩(柱)混凝土工程施工、隔震支座安装、隔震层梁板及上部结构混凝土工程施工。其中隔震支座施工工艺流程主要是：隔震支座安装准备、下预埋板位置放样、下预埋板安装、下预埋板下部混凝土二次浇筑或灌浆、隔震支座安装、上预埋板安装。其中关键施工工艺是下预埋板安装、下预埋板下部混凝土二次浇筑或灌浆。

2 下支墩(柱)混凝土工程施工

下部结构或下支墩(柱)混凝土工程施工基本同常规的钢筋混凝土工程进行施工[7]，文中不再阐述。下部结构或下支墩(柱)混凝土工程施工涉及到隔震支座下预埋钢板定位，为便于固定下预埋板，确保其安装精度，下支墩(柱)混凝土施工通常采取3种浇筑方式：(1) 两段浇筑[4,7]，第一段浇筑至距离下预埋板底标高600 mm～1 000 mm，然后安装定位好下预埋板再浇筑第二段，两段浇筑示意图见图5； (2) 下预埋板下留60 mm～100 mm采用细石混凝土二次浇筑，细石混凝土强度等级比原设计的普通混凝土提高一级； (3) 下预埋板下留30 mm～40 mm采用高强灌浆料后灌浆[6]。已有研究表明采用细石混凝土二次浇筑，密实度较两段浇筑高；高强灌浆料后灌浆密实度较细石混凝土二次浇筑高[5-6]。

下预埋板板底的混凝土不容易与钢板密贴，混凝土密实度不足。

(1) 如果下支墩(柱)混凝土分两段浇筑，浇筑第二段中由于泵送混凝土的坍落度较大，下支墩柱头有浮浆，应当刮除浮浆或者采用加干碎石再振捣的方法，或在混凝土初凝前进行二次振捣，同时从下支墩侧面用木槌敲击模板表面，使得混凝土更加密实，尤其是当支墩柱截面较小时，更应该重视混凝土的浇捣质量。柱头刮除浮浆及加入碎石振捣现场见图6。

(2) 如果采用细石混凝土二次浇筑，细石混凝土的粗骨料直径为10 mm～20 mm，因此下预埋板下预留的高度不应大于100 mm。

(3) 如果采用高强灌浆料后灌浆，应该严格控制下预埋板下预留高度，以免灌浆料产生竖向压缩变形。

图5 下支墩(柱)混凝土两段浇筑

图6柱头刮除浮浆、加干碎石振捣

3 支座下预埋板制作

3.1 下预埋板制作

下预埋板边长配合隔震支座连接板边长尺寸，预埋板边长略大于连接板。设置下预埋板目的是为了螺栓套筒和锚筋等的定位，板厚没有具体要求，因此各个生产企业没有统一标准。预埋板厚度过薄将导致板面弯曲变形，影响隔震支座的安装精度[5-7]。目前有多数工程采用较薄的定位板代替下预埋板，工程应用表明了，较薄的定位板虽然经济，但是存在施工定位误差太大，套筒倾斜以致螺栓无法全部旋进套筒内，焊接质量难以保证等问题。表1为下预埋钢板及螺栓常用尺寸和数量。

3.2 下预埋板开孔

下预埋板主要孔洞有：混凝土浇注孔、套筒孔、排气孔、锚筋穿孔和起吊孔等[5-7]。下预埋板开孔见图7，开孔具体说明如下。

表1 下预埋钢板及螺栓常用尺寸和数量

图7下预埋板及开孔布置

(1) 混凝土浇注孔。为了使下预埋板底面与混凝土密贴，同时方便混凝土的下料，下预埋板中部必须留有混凝土浇注孔，浇注孔的直径大小不影响下预埋板受力，直径通常大于150 mm，常用的浇注孔直径和数量如表2所示。

(2) 起吊孔。起吊孔结合吊具的吊环和螺栓，不锈钢吊环螺栓直径通常采用M20和M24两种。建议起吊孔数量和螺栓直径见表2。工程应用表明，螺栓套筒与下预埋板在现场连接，利用套筒孔来作为起吊孔，这样下预埋板不必设置起吊孔。

(3) 套筒孔。螺栓插上套筒旋紧后使得隔震支座与上、下支墩连接成为整体。常用的套筒孔直径和长度见表1。套筒孔与下预埋板应该采用螺纹连接，这样才能保证套筒的垂直度。

(4) 排气孔。下预埋板底面的混凝土浇筑需要排出气体，排气孔设置的数量和直径取决于预埋板边长。常用的下预埋钢板开孔及尺寸等见表2。施工中下预埋钢板有无排气孔示意图见图8。

表2 下预埋钢板开孔数量及尺寸

图8下预埋钢板有无排气孔

4 下预埋板埋件

4.1 套筒

套筒通常采用Q235B或45号钢制作，其表面是光滑的，为了使套筒与混凝土更有效的粘结，套筒表面的几种(见图9中由左至右)处理方式有：(1) 套筒表面光滑无处理； (2) 套筒末端内凹刻痕； (3) 套筒末端墩头； (4) 末端加端板，端板边长大于套筒直径； (5) 套筒表面刻痕处理成螺纹状。工程应用表明，套筒直径较大，本身与密集的钢筋交叉，如果末端加端板，这样钢筋安装非常不便。因此推荐套筒采用表面刻痕处理成螺纹状的方法。图10为套筒末端处理方式的现场实景图。

图9 套筒表面几种处理方式

图10套筒末端处理方式

4.2 锚筋

下预埋板锚筋。锚筋直径和数量由设计确定，常用的参数可参考表1。锚筋根据抗剪强度设计，直径通常d≥16 mm，长度≥20d。锚筋与下预埋板连接方式(见图11中由左至右)有：

(1) 锚筋弯折并与下预埋板焊接。这样增加了下预埋板底面钢筋的用量，混凝土浇捣困难，同时下预埋板如果改为定位板，因为定位板薄，焊缝强度难以保证，因此不应采用。

(2) 锚筋与下预埋板采用周边焊接，周边焊缝的高度和强度难以保证，因此建议不应采用。

(3) 锚筋和预埋板穿孔塞焊，焊缝质量较高，但是工序复杂。

(4) 在下预埋板开螺纹孔，钢筋与其利用直螺纹连接，直螺纹长度为预埋板厚度，直螺纹连接在工厂制作方便，因此推荐使用直螺纹连接方式。图12为锚筋与下预埋板连接实例。

4.3 套筒接长锚筋

套筒采用与锚筋接长的连接方式[5-7]，益处有：减少下预埋钢板与下支墩连接锚筋的数量，节约钢材；减少锚筋与上、下支墩节点区钢筋交错。套筒采用与锚筋接长的连接方式见图13，主要有3种，分别是：(1)套筒表面刻痕处理成螺纹状，并焊接锚筋；(2)套筒表面刻痕处理成螺纹状，并穿孔塞焊锚筋；(3)套筒表面刻痕处理成螺纹状，并旋入锚筋。同上述分析，推荐使用套筒表面刻痕处理成螺纹状旋入锚筋的方式。

图11 锚筋与下预埋板连接方式

图12 锚筋与下预埋板连接

图13螺栓和锚筋及其套筒连接

螺栓套筒锚筋接长减少了下预埋钢板与下支墩连接锚筋的数量，锚筋充分利用了套筒的长度，从图14可得，预埋板减少了8根锚筋。但是从图14进一步分析，目前国内工程施工中采用大直径少数量锚筋，虽然抗剪承载力满足设计要求，但是锚筋与下预埋板连接数量不足，锚筋的间距不满足16G362《钢筋混凝土结构预埋件》预埋件对于抗剪锚筋的要求，应当在锚筋间距超过要求的位置加设普通锚筋，同时应当按照规范设置栓钉，如图14所示。图14的错误做法改进后如图15所示。

经过大量现场调研，在工程施工中大量采用图16的螺栓和锚筋及其套筒连接方式。经过分析认为存在两个主要问题：

(1) 套筒采用非标产品。套筒没有采用标准产品，套筒长度应当为开孔孔深加底座高度组成，目前套筒底座高度被省略了。套筒采用45号钢或Q235B钢材，而螺杆是M8.8级高强度钢，两者存在强度的不匹配，这个问题值得关注。

(2) 套筒长度不足。根据《钢筋机械连接技术规程》[16](JGJ 107—2016)，锚筋螺纹长度不少于2d，又根据《钢结构高强螺栓连接技术规程》[17](JGJ 82—2011)高强螺杆长度不少于2.5d。图16的套筒长度不足，套筒长度计算值应为135 mm，实际110 mm。不满足以上相关规范要求。

图14 锚筋穿孔和螺栓套筒锚筋接长

图15 螺栓套筒锚筋接长、套筒表面刻痕

图16螺栓和锚筋及其套筒连接

5 结 语

本文对下支墩(柱)混凝土施工通常采取的3种浇筑方式，以及对隔震支座下预埋钢板及埋件的制作所涉及的开孔、套筒、螺栓、锚筋等数量及连接方式进行详细的分析，结论如下：

(1) 下支墩顶面与下预埋板应保证密贴。建议优先采用高强灌浆料后灌浆或者细石混凝土二次浇筑的施工方法。

(2) 下预埋板不应采用较薄的定位板代替。以免钢板翘曲变形，影响埋件及隔震支座安装质量。

(3) 套筒长度是螺栓和锚筋连接质量的重要参数。应预留足够的套筒长度，套筒表面宜设置螺纹。建议预埋螺栓套筒来接长锚筋，减少下预埋钢板连接锚筋的数量。

(4) 锚筋与下预埋板的连接是保证节点抗剪强度的重要因素。建议采用螺纹连接，同时下预埋板设置销钉。

(5) 下预埋钢板的开孔需要改进。建议加大浇注孔直径和数量以及增设排气孔。

说明：本项目的研究合作单位尚有，福建泉大建设有限公司、厦门市同安区第一建筑工程公司。