基礎隔震設計中對建筑構造節點的思考★

何文榮

(甘肅工業職業技術學院,甘肅 天水 741000)

0 引言

防震減災一直是被民生關注的大事,5·12地震后人們防震減災意識逐步提高,建筑隔震技術也越來越受到推崇。隔震設計理念是在上部結構與基礎之間(基礎隔震)或結構上下層間(中間隔震)增加隔震層,設置隔震裝置(如疊層橡膠支座、阻尼器、滑動支座等),通過隔震裝置吸收地震能量的絕大部分,延長上部結構的固有周期,降低地震作用時建筑物響應,最大限度的確保在強烈地震作用下建筑結構的安全和使用要求[1]。

多數隔震建筑在受到地震動作用時,隔震效果良好,但也發現在隔震縫等建筑構造細節處理上存在一些問題。如果發生地震作用時,隔震層建筑構造節點與結構構件連接處置不當,會導致結構構件遭到破壞,因此隔震設計時應重視隔震層建筑構造細節的優化設計,讓隔震建筑無隱患。

耗能量大的隔震橡膠支座是可以更換的,因此采用隔震技術時須考慮預留出安裝和更換隔震橡膠支座的空間,同時確保隔震支座在罕遇地震下有足夠的運動空間,通常在建筑物四周設置足夠深和寬的隔震溝,以確保隔震效果。

1 工程簡介

某學校實訓大樓(基礎隔震項目),所在地區地震基本烈度為8度,設計基本地震加速度值為0.30g。地下1層,地上7層,結構形式為鋼筋混凝土框架-剪力墻結構。

2 隔震層建筑構造

1)隔震層設置。基礎隔震建筑應在上部結構與基礎之間增加隔震層,如果建筑設有地下室可把地下室兼做隔震層;對于沒有設地下室的建筑,需要增加一層作為隔震層,隔震層梁底到地面的凈高不應小于600 mm,目的是為了便于日后對隔震支座的維護和檢修。

本工程按照隔震要求,增設一層地下室作為隔震層,地下室層高按2.300 m考慮,這樣設計不僅滿足了隔震支座檢查、維修和更換的要求,而且滿足了設備管道的日常檢修。

2)上部結構與周邊的隔離措施。依據規范,上部結構與周圍固定物之間應設置完全貫通的豎向隔離縫以避免罕遇地震作用下可能的阻擋和碰撞,隔離縫寬度不應小于隔震支座在罕遇地震作用下最大水平位移的1.2倍,且不應小于300 mm[2]。

依據《實訓大樓結構基礎隔震計算分析報告》,本工程罕遇地震下的隔震層最大位移為222 mm。按照國家標準圖集規定,隔震層以上上部結構與周邊任何固定物豎向隔離縫至少為400 mm[3]。

考慮到本工程所在地區為高烈度地區,保證上部結構發生平動不受影響,本工程隔離縫寬按500 mm,具體做法是在室外地坪下,環建筑物一周設至少500 mm寬隔震溝,確保隔震支座效果得到充分發揮。

2.1 基礎隔震節點位置

圖1為實訓大樓的一層平面圖和1-1剖面圖,圖中通過詳圖剖切索引符號標注了建筑物四周散水、踏步臺階入口因滿足隔震設計需要而特殊處理的節點位置(圖中索引符號圓圈內用英文字母編號,通過剖切索引引出散水、臺階等隔震構造詳圖)。

2.2 基礎隔震散水構造

常規散水構造做法:先用素土回填,回填土壓實后直接做散水。散水與勒腳間留寬20 mm通長縫,縫內嵌密封膏,填充柔性材料如聚乙烯泡沫塑料棒,詳見圖2(a)[4]。

本工程為基礎隔震項目,散水做法是從±0.000 m(隔震層)標高梁的中部挑板(鋼筋混凝土現澆板),在混凝土板上做建筑散水找坡構造。挑板下設寬500 mm隔震溝,隔震溝側壁(鋼筋混凝土擋土墻)與挑板間留30 mm水平縫,隔震溝側壁接室外地面,詳見圖2(b)。

留30 mm寬的水平縫隙,并采用柔性材料填充,可以保證隔震支座發生位移而不受建筑散水與上部結構主體的影響。隔震溝(寬500 mm)設計可以保證當地震來時,隔震支座處有足夠的位移空間。隔震溝可兼做排水溝,因此隔震溝深應考慮排水要求,如深度太淺,會造成雨水直接沖刷地面;太深造成設備層內積水。

在隔震設計中散水構造可參照圖2(b)做法,但是有一個問題是平時容易忽視的,就是與上部結構連接的預埋件與鋼板之間的連接方式,容易被認為是固定在預埋件上的螺栓與活動鋼板之間的滑動槽形成活動連接方式,其實這種做法是錯誤的,因為按這種方式連接,在建筑物散水轉向時,上部結構只能在一個方向滑動,在地震力作用下會對散水造成破壞。準確來說是預埋件與鋼板之間焊接連接。這樣保證了在地震力作用下上部結構可以向各個方向滑動,從而減少對散水的破壞。

2.3 基礎隔震入口臺階構造

本工程入口處踏步分兩種情況:如圖3(a),圖3(b)所示。與傳統的入口踏步設計不同的是增加隔震溝的構造要求:平臺較窄的踏步設計(平臺寬度<600 mm)如圖3(a)所示,踏步段可直接從框架邊梁上挑出;平臺較寬的踏步設計(平臺寬度≥1 200 mm)如圖3(b)所示,從梁上挑平臺梁板,當臺階平臺小于1 200 mm可直接按挑板設計,如圖3(c)所示。這種踏步和平臺做法巧妙地覆蓋住因隔震要求產生的明溝,保證了室內外的連接。當地震發生時,隔震溝設計滿足隔震墊水平自由位移的要求,30 mm水平縫隙(縫內采用柔性材料填充)的設計使上部建筑發生水平自由位移時不影響入口臺階的正常使用。

本工程為高烈度地區,當挑長大于1.2 m時,宜采用圖3(b)踏步設計作法,提高懸挑結構穩定性和抗傾覆能力,不建議按純挑板考慮。

2.4 基礎隔震樓梯的構造設計

隔震層的樓梯懸挑長度在1.5 m以內,可按懸挑樓梯構造。本工程所在地區為8度高烈度地區,按照《抗規》5.1.1條第4節條文解釋(節選):“關于大跨度和長懸臂結構,根據我國大陸和臺灣地震的經驗;8度時,跨度大于24 m的屋架,2 m以上的懸挑陽臺和走廊震害嚴重[5]”。

如圖4所示,本工程樓梯懸挑長度超過2 m,按懸挑樓梯設計于抗震不利。

依據抗規,本工程結構形式是框-剪,樓梯不參與結構整體計算,地下室樓梯可按AT型構造設計。作為隔震結構,其要求是通過隔震支座將下部結構與上部結構完全分隔開,因此要求地下室的樓梯在隔震墊以下范圍之內,完全斷開,其間采用柔性材料填充,保證隔震中位移無阻擋,如圖5所示,在樓梯中間,與隔震墊同標高處設梯柱、梯梁。此時樓梯分為兩段,上半段采用梯板懸挑,挑出斜段長度1 300 mm,下半段通過增加TZ,TL,按普通AT型樓梯構造,其間留出50 mm空隙,采用柔性材料聚苯板填充,見圖5節點①;同時上部扶手斷開,做法詳見圖5節點②。

注意:這里滑動支座連接如果是螺栓連接,并沒有斷開。有些設計人員在設計樓梯穿越隔震層時,誤將連接節點做成滑動支座的螺栓連接,如圖6所示[6],這種做法是不滿足隔震要求的。

2.5 基礎隔震電梯的構造設計

隔震層電梯設計通常有兩種:懸掛式和支撐式,如圖7所示。

電梯的隔震不管是用懸掛式,還是支撐式,在與樓梯相鄰布置時,最好不要直接與樓梯間框柱上的梁相連接。而是通過次梁與四周脫開,這樣才能保證上部結構和下部結構完全脫開。

本工程采用的電梯構造為懸掛式,見圖7(a),圖7(b)。考慮到支撐式電梯支撐結構復雜,維護成本高,且本工程地下室只有一層,層高2.300 m,懸掛式電梯構造足夠滿足需求,成本也較低;當地下室埋深較大或采用懸掛式難以滿足承力要求時,可采用支撐式電梯構造,見圖7(c),圖7(d)。

2.6 基礎隔震外墻構造設計

隔震層砌筑墻體時,應留夠隔震縫寬至少266 mm,保證隔震層自由平動。本工程隔震層外墻隔震縫做法見圖8,豎向隔震縫留出300 mm;水平隔震縫留出30 mm,采用柔性材料填充,以保證隔震層自由平動,滿足構造要求[7-8]。

3 結論和建議

在隔震建筑設計時,常規的建筑構造節點不能直接用于隔震建筑中。四周散水、踏步臺階入口、穿過隔震層的樓梯、電梯井、外墻等應采取與周邊的隔離措施,如設豎向和水平隔離縫進行隔震處理。設計人員準確理解水平隔離縫和豎向隔離縫的設置要求和相關連接節點做法,是保證隔震支座在地震發生時不受阻礙,發揮效能的前提。

對于高烈度地區,隔震層處的懸挑結構除了要考慮其自身穩定性和抗傾覆能力,還應考慮豎向地震作用等抗震性能。樓梯等結構構件斷開處,其間采用柔性材料填充,保證隔震中位移無阻擋;選擇連接方案應易于拆換,利于隔震層部件的改裝、修理或加固。