《福建省隔震建筑结构构造图集》编制技术分析

2020-07-07江丽玲陈伟恩徐瑞昌吴应雄

水利与建筑工程学报 2020年3期

江丽玲，陈伟恩，刘林，刘静，徐瑞昌，吴应雄

(1.福州大学土木工程学院，福建福州 350108；2.福建省建筑设计研究院有限公司，福建福州 350108；3.福建工程学院管理学院，福建福州 350118；4.厦门中胤建筑工程有限公司，福建厦门 361000)

隔震技术起源于20世纪60年代，由于其易于实施且减震效果良好，因此是目前应用最为广泛的一种结构振动控制技术。早在1921年，日本东京帝国大厦饭店就采用了隔震技术，将结构基础设置在淤泥层表面。1969年，前南斯拉夫尝试在一栋小学教学楼中采用隔震橡胶支座。虽然该阶段已有隔震的概念，但对此的研究并不深入。直至隔震建筑在1994年美国洛杉矶北岭地震以及1995年日本阪神地震表现出了优越的减震性能[1-2]，各国学者才开始真正的重视该项技术的研究与应用。自此，隔震技术得到广泛的关注，并快速发展。目前，各国对隔震技术均有了较为深入的研究与应用，其中美国、新西兰、日本等国家在隔震领域已取得了较为突出的成果。我国对隔震建筑的研究与应用主要从上个世纪80年代开始，大量学者对该项技术进行了较为深入的研究，并应用实际工程之中。根据中国勘察设计协会抗震防灾分会的统计，截止2019年12月，我国已建成的隔震建筑超过1万栋，这些隔震建筑主要分布在我国云南、四川、新疆、江苏、甘肃和北京等省市。

隔震技术是在建筑的上部结构与下部结构(或基础)之间设置隔震层来实现上、下结构的有效分离。隔震层可采用多种形式的隔震支座，目前，世界范围内研究成熟、应用最为广泛的是隔震橡胶支座(简称“隔震支座”)[3-4]。隔震层水平刚度较小，在地震作用下,尤其是长周期地震动作用下，将产生较大的位移[5-6]，因此当隔震层位于室外地坪以下时，应当采取相应的构造措施来防止隔震建筑上部结构的水平位移受阻。《建筑抗震设计规范》[7](GB 50011—2010)规定，上部结构周边竖向隔震缝的缝宽不宜小于200 mm以及罕遇地震下的最大水平位移值的1.2倍，对两相邻的隔震建筑，竖向隔震缝不宜小于400 mm，且不宜小于两栋建筑最大水平位移之和；隔震建筑水平隔离缝高度不宜小于20 mm。虽然相关规范已对隔震建筑的隔震缝尺寸进行了规定，但实际工程应用表明，隔震构造技术的研究与应用不被重视，不合理的构造设计以及施工屡见不鲜，隔震构造节点的施工质量无法得到保证，例如：2013年中国四川雅安地震中的芦山县人民医院，其门诊楼采用了隔震技术，但在设计与施工过程中，其隔震沟、室外楼梯、穿越隔震层的管道等未采取有效的构造措施，阻碍隔震层水平位移，导致震后室内的部分填充墙以及装饰层均有一定的受损，减震效果降低。2014年云南普洱市地震，某隔震建筑的电梯井以及坡道因隔震构造上的失误，导致建筑物受到了一定程度上的破坏。可见隔震构造设计与隔震建筑的减震效果和震后维修息息相关。

造成隔震构造设计与施工错误的原因主要如下：(1) 设计单位与施工单位联系不够密切，施工方未能充分了解隔震构造的重要性，以致隔震构造节点施工质量不满足要求；(2) 现有规范、规程、图集中对隔震构造的要求不够充分，且现有图集内容不够完善，不能很好地指导施工。因此，如何解决隔震构造节点设计与施工中存在的问题，是隔震技术实际应用中的一大问题，编制一部较为全面的隔震构造图集对隔震构造节点的设计与施工具有重要的指导意义。

1 编制背景

为规范化隔震建筑的构造设计，各国相关学者纷纷起草隔震构造相关图集、规程。1997年，美国在规范中增加减震隔震设计部分，形成了更加完善的抗震体系[8]。 2002 年，日本免震构造协会编制了《国外建筑设计详图图集8》[9]，图集中着重给出了隔震建筑构造设计与细部图集，以指导隔震建筑的构造设计，并通过案例说明隔震技术在实际工程之中的应用，是较为系统且全面的隔震构造图集。2003年，我国推出了《建筑结构隔震构造详图》[10](03SG610-1)，为我国的隔震建筑构造设计提供了参考，但该图集主要是对框架结构与砌体结构的节点进行描述，砌体结构在现阶段的工程应用较少，而剪力墙结构是当前较为常用的建筑结构，《建筑结构隔震构造详图》[10](03SG610-1)中尚缺少剪力墙下的隔震构造节点做法，以及缺少隔震层下部墙体的构造做法，不能全面地指导现场施工。2010年，我国修订了《建筑抗震设计规范》[7](GB 50011—2010)，增加了隔震和减震章节，进一步规范了减隔震建筑的设计要求，其中，也对隔震构造设计提出了一定的要求，主要在于提出了隔震缝的高度和宽度。2013年，日本免震构造协会编辑整理了大量详细的构造做法实例，发布2013版的JSSI免震施工规范以及配套的免震部材生产规格和标准。 2015年，我国发布了建筑行业标准《建筑隔震工程施工及验收规范》[11](JGJ 360—2015)，对隔震工程施工过程以及施工质量验收标准进行了规定，该规范强调了隔震缝的取值。2016年，甘肃省发布了地方标准《混凝土建筑结构基础隔震技术规程》[12](DB62/T25—3121—2016)，该规程补充完善了基础隔震的设计方法，并提出了隔震构造要求，其隔震缝宽度同《建筑抗震设计规范》[7](GB 50011—2010)。同年，福建省发布了《福建省建筑工程隔震橡胶支座和装置施工及验收规程》[13](DBJ/T13—252—2016)，该规程在行业标准的基础上增加了抗风装置以及隔震支座防火的内容，为福建省的隔震建筑工程施工提供指导。同时，该规程从严了《建筑隔震工程施工及验收规范》[11](JGJ 360—2015)中水平隔离缝与竖向隔震缝的高度，指出，水平隔离缝的高度不应小于30 mm，竖向隔震缝的宽度不应小于300 mm，其尺寸大于甘肃省地方标准。我国编制完成的国家标准《建筑隔震设计规范》(送审稿)中也提高了对竖向隔震缝的要求，规定最小缝宽为300 mm。

综上，我国已颁布了一定数量的隔震构造图集、规范、规程等，但因实际隔震建筑工程的多样性，现有的图集并不能很好地指导隔震建筑构造设计以及施工，且现有图集中，尚存在不合理之处，需进行修改。因此，编制一部内容完善的隔震构造图集迫在眉睫。福建省于2017立项，准备在隔震工程设计、施工和构造相关的国家标准基础上编制建筑结构隔震构造地方标准图集。《福建省隔震建筑结构构造图集》[14](DBJ/T 13—112)已于2020年1月1日颁布，该图集的主要包括竖向隔震缝与水平隔离缝的取值、典型节点设计、隔震支座防火构造、隔震支座置于地下室底板以下隔震构造做法、隔震层下部墙体构造做法、预埋钢板设计、下预埋钢板定位以及剪力墙下隔震支座的布置等构造做法，为使设计与施工单位更好地理解图集，现对该图集的内容进行说明。

2 主要技术说明

2.1 提高竖向隔震缝宽度以及水平隔离缝高度

在国家现有规范的基础上，本图集综合支座变形情况以及施工情况，提出应提高竖向隔震缝的宽度C以及水平隔离缝的高度h。对于竖向隔震缝，规定最小缝宽C应不小于隔震支座在罕遇地震下最大水平位移uc的1.2倍，且不小于300 mm。对相邻的隔震结构，其缝宽F取最大水平位移uc之和的1.2倍，且不小于600 mm；水平隔离缝的高度不小于30 mm。

现在分别对以上缝宽C及缝高h的取值进行说明。设置竖向隔震缝C是为了预留足够的空间，使隔震层及上部结构的水平变形不受限，本图集提出竖向隔震缝宽度C的取值宜不小于300 mm。这是考虑到：(1) 《建筑抗震设计规范》[7](GB 50011—2010)中规定，隔震支座设计的极限水平位移限值d为隔震支座有效直径的0.55倍和3倍橡胶层总厚度中的较小者，随着工程建设规模日益增大，在工程中大多使用直径大于500 mm的隔震支座，以直径500 mm为例，其内部橡胶层总厚度为96 mm，这时0.55D=275 mm，3Tr=288 mm，因此隔震层的设计极限水平位移限值d=275 mm，因此提出竖向隔震缝宽度C的取值宜不小于300 mm是合理的；(2) 施工时，往往忽视竖向隔震缝的宽度要求，以致竖向隔震缝宽度不足，例如雅安医院门诊楼的隔震沟宽度仅仅只有50 mm；(3) 配合即将发布的《建筑隔震设计规范》中提高竖向隔震缝的宽度要求。因此，本图集在原有规范的基础上提出竖向隔震缝的宽度取值应提高至不小于300 mm。

设置水平隔离缝h，是为了防止支座沉降或构件变形导致隔震层的上、下结构相互接触。隔震支座的竖向变形主要由上部结构荷载导致的支座压缩变形以及剪切变形时产生的几何下沉位移组成。根据经验公式，隔震支座压缩量约为隔震支座中橡胶层总厚度的1/25，例如直径为1 000 mm的隔震橡胶支座，国内部分主流的隔震支座生产企业的产品，其橡胶层总厚度约为148 mm，计算所得的压缩位移约为5.94 mm。表1给出了不同直径隔震支座的压缩变形量，可见《建筑抗震设计规范》[7](GB 50011—2010)规定设置20 mm的水平隔离缝已满足要求。但规定20 mm高度的水平隔离缝，施工不便，误差难以控制，且施工完成后容易被砂浆等建筑垃圾或穿越隔震层的构件堵塞，也不利于水平隔离缝的防水和密封等处理。

表1 常用隔震支座压缩量

同时，魏陆顺等对防震减灾中心11层隔震结构进行动力特性测试，该试验为国内第一例实际隔震建筑动力特性测试，使用液压千斤顶系统进行了最大水平初位移为10 mm的结构推移和释放试验。现场测试的屈服后刚度大于静力试验的结果，其原因在于，隔震层的水平缝填充物和穿过隔震层的构件对结构提供了一定的刚度，其大小难以确定。因此建议隔震结构在设计与施工中应重视该问题，建议提高水平隔离缝的高度，有效减小或消除所附加的水平刚度。因此本图集建议增加水平隔离缝的高度，其高度不小于30 mm。

2.2 隔震支座典型节点设计要求

2.2.1 隔震层框架梁底面至上支墩底部高度确定

隔震层梁底面与隔震支座上支墩底部间的垂直距离无统一标准，二者间垂直距离取值不当，将带来构造上的麻烦。若取值太大，对于没有墙体的架空层尚可，但是对于存在填充墙的隔震层，二者间垂直距离太大将会加大隔震层隔震支座以上墙体的无支高度，并进一步加大隔震层墙体的构造设计难度；若二者的垂直距离太小，则预埋的螺栓及套筒将会伸入隔震层框架梁内，造成隔震层框架梁内钢筋拥挤。因此考虑到隔震支座预埋螺栓套筒的安装和隔震层墙体的构造设计，结合预埋螺栓及套筒的长度(一般150 mm左右)，且尽可能减小隔震层墙体的无支高度，本图集指出隔震层框架梁底面与隔震支座上支墩底面间的垂直距离h1宜取为200 mm～300 mm，具体做法如图1所示。

图1 隔震支座典型节点1

2.2.2 隔震支座安装作业面不足及解决方法

为了保证隔震支座及其防火材料有足够的安装面，本图集指出，隔震支座侧边缘与上、下支墩(柱)外侧之间的距离不宜小于100 mm。根据隔震支座安装的现场施工反馈，当隔震支座侧边缘与上、下支墩(柱)外侧之间的距离为50 mm时，支座以及防火材料的安装操作空间局促，较为不便。因此本图集对二者之间的距离提出了一个建议取值范围，具体做法如图2所示。

当隔震支座侧边缘与上、下支墩(柱)外侧之间的距离不满足上述要求，且在原有上、下支墩(柱)截面面积已满足设计要求的情况下，若采用加大隔震支座上、下支墩(柱)截面面积的方法，不仅浪费了使用空间，还提高了造价成本，因此，本图集提出带扩大头的上、下支墩(柱)做法[15]，具体做法见图3。

图2 隔震支座典型节点2

图3 带扩大头的上、下支墩

2.2.3 双支座联合布置

因隔震支座生产质量稳定，大直径的支座在现有工程中的应用日益广泛。工程中以单墩单支座为主，但仍有少数双支座联合布置的情况。本图集给出了相应的双支座联合布置构造做法，如图4所示，这里要求，双支座的上下连接板之间的距离不应小于50 mm。若左右连接板之间的间距为0 mm，可能造成支座安装上的不便，且该做法也使得两块连接板上相邻螺栓之间的距离满足《钢结构设计标准规范》[16](GB 50017—2017)最小间距的要求。

2.3 隔震支座防火构造设计

根据《建筑防火设计规范》[17](GB 50016—2014)的要求，当作为竖向承重构件的隔震橡胶支座位于具有耐火极限要求的隔震层时，其耐火极限为3 h。基于该规定，本图集提出，采用成品阻火带作为隔震支座的防火材料，并外包不锈钢盖板或硅酸盖板等保护层，具体做法如图5所示。

图4 双支座联合布置

图5 隔震支座节点防火构造示意图(单位：mm)

在工程调研中发现，常用的防火材料为防火岩棉和硅酸铝，这两种防火材料的熔点在1 200℃～1 600℃之间，当周围温度达到熔点，防火材料将迅速熔化流失，退出工作。此时，隔震橡胶支座将在高温下造成失效，因此需对防火材料进行改进。成品阻火带是由一次挤压成型的不锈钢衬板包裹硅酸铝组成，不锈钢盖板保证了内部硅酸铝高温下不流失，从而继续工作，其耐火极限不低于3 h，满足规范要求。

2.4 隔震支座置于地下室底板以下隔震构造做法

当隔震支座位于地下室底板以下时，隔震建筑的水平位移将会受到地下室挡土墙的限制。本图集给出了隔震支座位于地下室底板以下的隔震构造做法，具体如图6所示。此处，上支墩侧边与挡土墙的距离不宜小于800 mm。若上支墩外侧距挡土墙的竖向隔震沟按照300 mm的要求来设计，将会带来支座检修与更换上的不便。为满足隔震层隔震支座检修与更换的要求，挡土墙与隔震支座之间的竖向隔震沟应设置适当的宽度，以满足检修人员进出以及锁紧支座螺栓的要求。结合人体工程学建筑设计常用尺寸[18]，人体站立的侧面尺寸约为300 mm，下蹲时的侧面尺寸为650 mm，因此，隔离坑宽度Ba建议不宜小于800 mm。

图6 隔震支座位于地下室底板下构造做法

2.5 隔震支座与墙体连接节点构造做法

隔震支座与墙体连接节点主要分为水平隔离缝连接与竖向隔震缝连接两种。填缝原则为在满足隔震建筑防潮、防尘、隔音等性能要求下，填缝材料应适应上部结构的水平位移，在发生大变形后能恢复原型并不破坏开裂。

对于水平隔离缝，图集中采用改性硅烷胶为例，进行填缝。图集中注明，改性硅烷胶的厚度应不小于16 mm，原因在于，改性硅烷胶具有高弹性，其极限变形可达350%，设置16 mm的改性硅烷胶，最大变形可达56 mm，满足地震作用下可能发生的最大位移要求(小震及以上)，保证改性硅烷胶在地震作用下，免受破坏。

对于竖向隔震缝，该图集提出在竖向隔震缝中部填充防火岩棉，两侧采用10 mm厚硅酸钙板或石膏板等材料进行盖缝，四周采用改性硅烷胶进行粘结的做法，当墙体不作防火要求时，可将防火岩棉改为聚氨酯泡沫等材料。该做法已给证实具有良好的变形性能，且没有复杂的机械连接方式，施工质量易于得到保障。

2.6 隔震层下部墙体构造做法

2.6.1 墙体构造柱做法

《砌体结构设计规范》[19](GB 50003—2011)规定，当墙体的无支长度大于5 m或墙长大于2倍层高时，为保证墙体的稳定性，墙体应当增设构造柱。隔震层构造柱的做法与普通楼层构造柱做法不同，此处的构造柱不应到顶。但在实际工程中，常将隔震层的构造柱与隔震层上部框架柱连接，使得隔震建筑的下部结构和上部结构之间不能够有效分离开。本图集提出墙体构造柱不到顶的构造做法，如图7所示。

图7 隔震层墙体设构造柱构造做法

构造柱施工时，由于上部结构的框架梁与构造柱上端之间的距离相对较小，浇筑构造柱混凝土比较困难，容易出现混凝土振捣不密实，施工质量达不到要求。因此为保证施工质量，构造柱顶部应该采用喇叭口模板施工，施工完成待混凝土强度达到一定程度之后，将喇叭口处的混凝土切除。

2.6.2 墙体圈梁做法

当隔震层下部墙体高度较高时，应根据实际情况增设圈梁。圈梁的设置应不阻碍上部结构的水平位移，但工程中，常将圈梁与隔震支座的上支墩刚性连接，导致上部结构的水平位移受阻，因此本图集给出了隔震层下部墙体加设圈梁的构造做法，如图8所示。

图8 隔震层墙体设置圈梁构造做法

图中规定，圈梁上部墙体高度不宜大于600 mm，这是基于《建筑抗震设计规范》[7](GB 50011—2010)给出的建议取值。《建筑抗震设计规范》[7](GB 50011—2010)中规定无锚固女儿墙高度不大于500 mm，由于隔震层多位于结构下部、基础或地下室，隔震层圈梁上部墙体鞭梢效应不大，且墙体普遍采用加气混凝土砌块砌筑，砌块的常用规格为190 mm×190 mm×380 mm，因此圈梁上方砌筑的墙体可按三皮高度取600 mm。

工程设计中为减小下肢墩的计算高度，不可避免地会出现隔震支座下支墩高度较小，上支墩高度较大的情况[20-21]。这种情况无疑给隔震层下部墙体的构造设计带来一定的麻烦。此时，下部墙体挑出的高度较大，墙体的稳定性难以得到保证，因此，本图集给出了加设多道圈梁的构造做法，如图9所示。当墙体的无支长度大于5m时，同时也应适当增设构造柱，同时，两道圈梁端部之间应设置封边构造柱，以加强墙体的稳定性。该做法中，第一道(由上至下)圈梁上的墙体高度不宜大于600 mm。

图9 双圈梁隔震层墙体构造做法

2.7 预埋钢板设计

2.7.1 预埋板尺寸

图集规定，预埋板的厚度不宜小于15 mm。在实际工程中，所采用的预埋板主要有2种，大部分为厚度在16 mm以上的预埋钢板，其余是以厚度6 mm左右的定位板取代预埋板，以降低隔震层的总体造价。在工程应用中发现，当定位板上在焊接锚筋及套筒时，由于定位板过薄，常因温度应力导致薄钢板变形、翘曲，套筒倾斜以致螺栓无法全部旋进套筒内，当焊接操作不当时，甚至出现定位板被烧穿的现象。部分实际工程甚至存在取消预埋钢板的情况，以上种种现象均会导致隔震橡胶支座的水平精度参差不齐，不符合《混凝土结构设计规范》[22](GB 50010—2010)9.7条中对受力预埋件的规定：锚板厚度应根据受力情况计算确定，且不小于锚筋直径的60%。因此，图集对预埋钢板的厚度进行统一，要求预埋板的厚度不宜小于15 mm，以保证隔震橡胶支座的安装质量。

2.7.2 预埋板开孔设计

图集对隔震支座的下预埋板开孔进行了规定，这主要是考虑到隔震支座下支墩的浇筑质量影响到隔震建筑的安全性。在实际工程调研中发现，隔震支座下支墩混凝土浇捣不密实是一大突出问题[23-24]。为便于隔震支座下支墩混凝土的浇捣，图集给出了下预埋板的大样图，如图10所示。

图10 下预埋板大样图(单位：mm)

隔震支座下预埋板开孔主要为混凝土浇捣孔、螺栓套筒孔，其余开孔为螺纹连接的抗剪锚筋孔、混凝土排气孔等。图集中规定，当隔震支座的直径小于500 mm时，浇捣孔宜设为150 mm，此时，应设置4个排气孔，具体示意图如图10(a)所示。排气孔主要作用为浇筑混凝土时排出下支墩内部空气及混凝土气泡，以减小预埋钢板底部混凝土的空鼓及气泡率。当隔震支座的直径不小于600 mm时，浇捣孔直径宜设为200 mm以上，此时排气孔的数量应增加，预埋板宽度每增加200 mm，宜增设两个排气孔，图集中给出了8个排气孔的例子，如图10(b)所示，图10(c)为具有8个排气孔的下预埋板实物照片。

2.8 下预埋钢板定位

隔震支座下预埋钢板在施工过程中易发生平面轴线位置、水平精度和整体标高不满足要求的情况。预埋板水平精度不足，将产生以下多种不利影响：(1) 上部结构变形不均匀；(2) 在隔震支座下支墩产生附加弯矩；(3) 下部结构支撑构件出现附加水平效应；(4) 隔震支座在上部荷载作用下，产生偏心受压，严重时支座歪斜、变形，影响正常工作。

因此，预埋钢板的定位精度在施工中的质量控措施也成了隔震橡胶支座安装是否合格的关键，目前国内工程通常做法是利用钢筋焊接小型门字型支架于轴线两端，在支架顶部定位轴线两端拉起通线(所拉通线即为轴线)，下预埋钢板标高可利用所拉双向通线标高测定。但此方法易受到下支墩钢筋影响，若下支墩较高且采用一次性浇筑时，在施工中的外力如泵送混凝土的冲击、混凝土振动棒的振捣等作用下，易发生下预埋钢板偏位、倾斜甚至是点焊短钢筋断开等问题。

为避免下支墩混凝土浇捣时下预埋板偏位，本图集提出分段浇筑、设置锚定架和定位架的方法。定位架设置于第一段浇捣的混凝土内部，上部连接着锚定架。锚定架的顶端连接预埋板的四角，其调节螺栓与端板螺纹连接，顶部磨平，待下预埋板调平定位后，底面与调节螺栓顶部点焊固定。

2.9 剪力墙下隔震支座布置方式

隔震技术主要应用于、刚度较大、层数较少的框架结构，近年来，高宽比不大(通常小于3.5)的中高层建筑采用了隔震技术的也逐渐增多。框架柱下隔震支座的布置方式较为固定，而剪力墙下隔震支座的布置相比框架柱来说，较为灵活。《建筑结构隔震构造详图》[10](03SG610-1)未给出剪力墙下隔震支座的构造布置方式，因此本图集初步给出剪力墙下隔震支座的布置方法，提出了一字型剪力墙、L型剪力墙以及T型剪力墙下的隔震支座布置方式，一般将隔震支座设置在剪力墙端柱以及墙的转角处。隔震支座下支墩间的剪力墙仅起到拉结作用，仅需构造配筋即可。其余剪力墙下隔震支座节点构造设计方法同框架结构。