隔震支座下支墩(柱)截面及配筋的構造優化

施微丹，許立英，李環輝，張東鵬，吳應雄

(1.福建國脈房地產開發有限公司， 福建 福州 350506；2.西南科技大學 土木工程與建筑學院， 四川 綿陽 621010； 3.廈門中胤建筑工程有限公司， 福建 廈門 361000；4.福建省方鑫建設集團有限公司， 福建 福州 350015； 5.福州大學 土木工程學院， 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)傳遞到下部結構中，隔震支座下支墩(柱)按罕遇地震下的內力進行設計[1]，因此下支墩(柱)是隔震層的重要構件，下支墩(柱)施工是建筑隔震工程施工重要的分項工程，下支墩(柱)混凝土的密實度和隔震支座的水平精度不易保證，是施工中應關注的重點[2]。

下支墩(柱)鋼筋密集，數量多規格大。隔震支座下預埋板帶有套筒、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。鋼筋易與下預埋板埋件互相阻擋碰撞，從而影響下預埋板定位與安裝的精度，對混凝土的密實度造成影響。故下支墩(柱)施工過程中的難點主要包括：(1) 混凝土難以振搗密實；(2) 隔震支座安裝精度控制，尤其是水平度的偏差控制。規范規定隔震支座標高和水平位置的偏差應≤5 mm，下支墩(柱)頂面水平度偏差應≤3‰[3-4]。

通過調研國內已建成的部分隔震建筑發現，隔震建筑下支墩(柱)的構造設計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；(2) 隔震支座預埋板安裝定位偏差、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，指導隔震建筑設計和施工的相關規范出臺時間較短，國內外對隔震技術的研究主要集中在結構動力試驗和地震響應分析上，對隔震建筑的設計及施工研究較少，僅有少量學者對下支墩(柱)的構造設計和施工進行了研究。針對下支墩(柱)鋼筋密集導致的問題，曹建亞等[5]提出了調整拉鉤的位置和方向、等面積代換大直徑鋼筋，并應用于北京國際機場隔震支座施工中。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]應用CAD和BIM軟件提前發現鋼筋沖突并優化縱筋和箍筋的位置。杜少云等[8]通過調整箍筋的排布以及縱筋采用直螺紋連接來預防支墩鋼筋過密的現象。石立國等[9]提出了下支墩立筋彎錨部分提前截斷，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埋板埋件的數量。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度。江麗玲等[12]對支墩的尺寸提出了建議，隔震支座外側距支墩外側的間距宜≥100 mm。

目前隔震建筑總量少，根據勘察協會統計和調研，建筑隔震工程設計單位普遍缺乏指導經驗、設計未能充分考慮施工因素導致施工不能滿足設計的要求。設計單位對下支墩(柱)鋼筋密集易與下預埋板埋件沖突未加以考慮和重視，施工時出現下預埋板安裝定位偏差、混凝土難以澆搗密實等問題。下支墩(柱)構造設計不合理、施工質量較差、施工效率較低影響了工程經濟效益、制約了隔震建筑的發展。因此研究出設計合理、施工方便、質量可靠的下支墩(柱)成為當下應解決的問題。

1 下預埋板及下支墩(柱)鋼筋

1.1 下預埋板及其埋件

隔震支座預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高，下預埋板的水平度決定了隔震支座的平整度。預埋板按位置分為下預埋板與上預埋板，預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。

隔震支座下預埋板設有如下孔口：(1) 澆筑孔；(2) 排氣孔；(3) 套筒孔；(4) 錨筋孔；(5) 起吊孔。部分預埋板利用套筒孔兼做起吊孔。隔震支座下預埋板埋件主要包括：(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)按罕遇地震下的內力進行設計組合，通常配筋較大，節點處鋼筋密集，存在如下類型的鋼筋：(1) 縱筋；(2) 箍筋；(3) 拉筋；(4) 墩(柱)頂附加網片筋；(5) 下預埋板螺栓套筒；(6) 下預埋板錨筋；(7) 如下支墩(柱)帶拉梁，設有梁縱筋。獨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)鋼筋設計對混凝土澆筑、下預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致下預埋板無法安裝，如圖1(d)所示，需拆除鋼筋骨架重新綁扎，費工費料。故下支墩(柱)設計時和施工前應進行充分考慮下支墩(柱)鋼筋、下預埋板套筒及其埋件的排布。

圖1 下支墩(柱)鋼筋

2 下支墩截面構造優化

根據隔震支座設置位置不同，隔震形式可分為：(1) 基礎隔震；(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)的截面設計改進。某隔震建筑采用底層柱頂隔震和基礎隔震，隔震橡膠支座普遍采用LRB600，下預埋鋼板尺寸為670 mm×670 mm，下支墩截面為700 mm×700 mm，下支墩邊緣與下預埋板邊緣距離15 mm，支墩縱筋易與下預埋板埋件沖突。

基礎隔震下支墩截面可適當增大，其優點是：(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]。將原設計截面改為800 mm×800 mm，如圖2(a)所示。下支墩(柱)混凝土的保護層厚度一般在25 mm～30 mm之間，此時縱筋在下預埋板外圍，可避開下預埋板的埋件。

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計，可在柱頂增設牛腿。牛腿寬度同下支墩(柱)，底面傾斜角取45°，牛腿高度及外擴長度應根據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) 隔震層設置在基礎短柱頂面；(2) 隔震層設置在基礎與地下室底板之間。下支墩截面尺寸比支座每側尺寸擴大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后的截面設計如圖2(b)所示。

圖2 下支墩截面改進構造設計(單位：mm)

3 下支墩(柱)配筋構造設計優化

3.1 縱筋長度改進

下支墩(柱)縱筋常規設計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) 下預埋板安裝困難；(2) 下預埋板安裝精度低；(3) 下支墩(柱)混凝土振搗不充分，混凝土密實度較低。

從受力角度，下支墩(柱)是相當于固端在基礎的懸臂構件來計算，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為在罕遇地震時設計組合工況下產生的柱底軸力；V為罕遇地震時設計組合工況下產生的水平剪力；Δ為罕遇地震作用下隔震支座產生的水平位移，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)頂部的配筋可根據受力情況適當減少，可節約造價、避免鋼筋密集。

下支墩(柱)縱筋可在彎矩較小的位置進行截斷，截斷點的位置應滿足《混凝土結構設計規范》[15](GB 50010—2010)第9.2.3條的規定。下支墩的截面通常大于400 mm，規范規定縱筋間距不宜大于200 mm，下支墩頂部h/3處縱筋的間距可設計為200 mm，并根據計算結果及最小配筋率選擇鋼筋的直徑；在根部2h/3處縱筋間距設計為頂部的1/2，其直徑應滿足計算要求，圖3為改進后的配筋設計，改進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)常規縱筋設計與改進縱筋設計的抵抗彎矩圖，在頂部h/3處改進后的材料圖已包絡彎矩圖，改進后的配筋具有受力合理、節約造價等優點。

3.2 下支墩(柱)頂縱筋構造改進

下支墩(柱)縱筋末端的節點構造主要有兩種做法:(1) 縱筋在下支墩(柱)頂彎折錨固；(2) 縱筋在墩(柱)頂直錨。縱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，這種構造將導致下支墩頂部鋼筋十分密集，澆筑混凝土時膠管和振搗棒難以工作，且安裝下預埋板時易與下預埋板的錨筋、套筒等埋件碰撞。

下支墩(柱)相當于懸臂構件，頂部受力較小，縱筋在下支墩(柱)頂可直接錨固，這種設計便于下預埋板的安裝，同時提高混凝土的澆筑質量。為防止縱筋自由端過長影響鋼筋籠頂部的穩定性和下預埋件的定位，直錨的縱筋頂部可用箍筋圍一圈進行點焊固定。下支墩箍筋直徑通常為10 mm～14 mm，故點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 下支墩縱筋改進設計(單位：mm)

圖4 抵抗彎矩圖

3.3 箍筋設計構造改進

3.3.1 箍筋構造要求

柱箍筋加密區的箍筋肢距，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方向的箍筋或拉筋。柱箍筋加密區的體積配箍率應滿足《建筑抗震設計規范》[1](GB 50011—2010)的相關規定。

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，混凝土通過下預埋板中心的澆筑口進行澆筑和振搗，井字箍的配箍方式導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，這種設計不能滿足施工質量保證的前提要求。

將下支墩箍筋改進為多邊形復合箍筋的形式，與預埋板澆筑孔垂直對應的多邊形復合箍中心有足夠空間進行混凝土的澆搗，如圖5(b)所示，這種改進能保證混凝土的密實度。如圖5(d)所示的設計，此時箍筋最大凈距為640 mm。

圖5(c)原設計每米箍筋面積為9 420 mm2，圖5(d)將外箍直徑加大為12 mm，內箍直徑保持不變，此時每米箍筋面積為9 880 mm2，改進后的箍筋面積滿足斜截面受剪承載力要求與構造要求。

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，當隔震支座尺寸較大時只留置一個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)為常規配置的井字箍，其箍筋最大凈距為250 mm。箍筋改進設計如圖6(b)所示，下預埋板設計兩個澆筑孔，下支墩箍筋間留置兩個較大的澆搗口并與下預埋板澆筑孔垂直對應，改進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空間。

圖6(a)原設計每米箍筋面積為12 608 mm2，圖6(b)將外箍直徑加大為12 mm，內箍直徑保持不變，此時每米箍筋面積為12 986 mm2，改進后的箍筋面積滿足斜截面受剪承載力要求與構造要求。

圖6 大尺寸下支墩(柱)配箍改進(單位:mm)

3.4 帶拉梁下支墩節點構造設計改進

3.4.1 工程現狀

帶拉梁的下支墩(柱)節點區鋼筋縱橫交錯，與獨立下支墩(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 改進構造設計

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

(2) 節點鋼筋錨固措施。下支墩(柱)節點處縱筋向外90°彎折錨固于梁內，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產生的擾動，可用箍筋與直錨縱筋進行焊接，如圖7所示。下支墩箍筋直徑通常為10 mm～14 mm，故點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 鋼筋規格及連接方式

設計時下支墩(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)帶拉梁節點鋼筋構造改進

4 改進效果

基于國內隔震建筑普遍存在下支墩(柱)混凝土密實度較低和下預埋板平整度較差的問題，福州大學結構減隔震課題組對隔震支座下支墩及其埋件施工進行了研究，對下支墩構造設計和混凝土澆筑方式加以改進。目前課題組已完成相關試驗，該試驗主要研究隔震支座下支墩的配筋、澆筑方式、下預埋板的設計對下預埋板平整度的影響，考察預埋鋼板下混凝土澆筑填充質量。其中下支墩分為(1) 獨立下支墩；(2) 帶拉梁下支墩。下支墩配筋參數包括：(1) 下支墩的縱筋設計；(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→安裝上預埋板→上支墩施工→拆模.

試驗結果表明，下支墩縱筋截斷且端部無彎錨、采取菱多邊形復合箍的的設計改進是可行的，與常規設計的下支墩相比，其混凝土密實度、下預埋板水平精度較高。帶拉梁的下支墩鋼筋縱橫交錯，下預埋板安裝時預埋件易與下支墩的鋼筋沖突，澆筑混凝土時振搗不夠充分，下預埋板安裝較困難、定位偏差大，改進后的帶拉梁下支墩施工時各工序順利完成，施工便捷、安裝效率高。

5 結 語

(1) 隔震支座下支墩宜采用較大截面。基礎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)可增設牛腿，下支墩邊緣到牛腿外擴邊緣的水平長度可取150 mm左右。

(2) 建議下支墩(柱)縱筋進行分批截斷。約50%的縱筋可在距離下支墩(柱)2/3處截斷，在下支墩(柱)頂部1/3高度處縱筋間距可設計為200 mm，其直徑除了滿足計算要求還需滿足最小配筋率，在根部2/3處縱筋間距設計為100 mm。

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

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

(5) 相較獨立下支墩(柱)，帶拉梁下支墩(柱)的混凝土密實度和下預埋板平整度更不易保證。建議將梁面標高降低至墩(柱)面下50 mm～100 mm，部分縱筋錨固于梁內，無法錨入梁內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。