屈曲約束支撐在抗震設(shè)防裂度為9度地區(qū)的施工技術(shù)

張 雪 健, 甘 孝 彬, 張 莉

(中國水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610032)

1 概 述

鑒于國內(nèi)各地地震頻發(fā),導致我國對已建或在建的房屋建筑工程(無論是民用建筑,還是工業(yè)建筑)的抗震能力需要著重考慮。在目前施行的抗震技術(shù)類別中,消能減震技術(shù)是現(xiàn)代化建筑結(jié)構(gòu)中能夠減輕地震災(zāi)害的有效技術(shù)之一,其具有抗震效果好、技術(shù)成熟、施工方便等特點。大量的試驗研究和震后經(jīng)驗證明:消能減震技術(shù)可以在很大程度上減輕地震作用對建筑結(jié)構(gòu)的影響,從而從建筑物自身全面提高建筑物結(jié)構(gòu)的抗震性能,其包括通過改造加固并改善既有建筑物的抗震能力。由此可見,消能減震體系是完全不同于傳統(tǒng)抗震設(shè)計的結(jié)構(gòu)保護體系,其在現(xiàn)今工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越廣泛。為了適應(yīng)我國工程建設(shè)與經(jīng)濟發(fā)展的需要,有效且合理的利用消能減震等專業(yè)技術(shù)以減輕建筑結(jié)構(gòu)所遭受的震害,我國相繼頒布了隔震與消能減震技術(shù)相關(guān)的規(guī)范、規(guī)程和標準圖集。2008年汶川地震發(fā)生后,消能減震技術(shù)以及其他的抗震技術(shù)愈發(fā)引起人們的高度重視,目前國內(nèi)頒布的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011-2010針對房屋建筑工程中的消能減震技術(shù)做了專門的規(guī)定,不僅使消能減震技術(shù)有了技術(shù)和法律的支撐依據(jù),同時也為該技術(shù)的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。在常規(guī)設(shè)防地區(qū),消能減震技術(shù)的應(yīng)用已趨于普遍,但在抗震設(shè)防烈度為9度的地區(qū),消能減震技術(shù)的應(yīng)用卻少之又少。

2 商業(yè)樓的結(jié)構(gòu)特點

通常,商業(yè)樓的結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu),其跨度大,故其可以采用消能減震技術(shù)中的屈曲約束支撐(BRB)減震方案。筆者以西昌馬道項目的商業(yè)樓建設(shè)為例說明屈曲約束支撐在抗震設(shè)防烈度為9度地區(qū)的應(yīng)用。西昌市馬道城中村棚戶區(qū)改造項目的修建地址為西昌市西南部的馬道鎮(zhèn),其抗震設(shè)防烈度為9度,其中的商業(yè)樓為框架結(jié)構(gòu)。由于該商業(yè)樓的跨度較大且處于9度抗震設(shè)防烈度地區(qū),為了增加其結(jié)構(gòu)的抗扭剛度、耗能能力、結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力,項目部經(jīng)與設(shè)計方的相關(guān)專業(yè)人員溝通后決定采用屈曲約束支撐。屈曲約束支撐在彈性工作階段如同普通支撐為結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度,并且在彈性工作階段其變形能力強、滯回性能好,可用于結(jié)構(gòu)抵御強烈的地震作用。項目部在工程前期與設(shè)計單位積極對接,經(jīng)對其原始結(jié)構(gòu)進行詳細計算分析后,在建筑物各樓層的多個部位合理布置了BRB阻尼器(消能減震技術(shù)之一)。通過對原始結(jié)構(gòu)進行局部的改善優(yōu)化且在不改變建筑物上部結(jié)構(gòu)的原有布局、不增加基礎(chǔ)的受力、不占用樓層原有使用空間的前提下,將其結(jié)構(gòu)設(shè)計按照抗震設(shè)防裂度為8度進行了初步設(shè)計。經(jīng)過設(shè)計單位通過消能減震優(yōu)化設(shè)計將其抗震設(shè)防烈度提高到9度,不僅滿足了該建筑物的抗震設(shè)防烈度要求,還極大程度地節(jié)約了資金。屈曲約束支撐的安裝不僅為建筑物提供了足夠大的抗側(cè)移剛度,而且能夠高效地將普通支撐體系的缺點完全克服,使設(shè)有屈曲約束支撐構(gòu)件的建筑物具有良好的力學性能,進而達到了使建筑物自身以最大的抗震能力保護主體結(jié)構(gòu)不受損、減小相鄰構(gòu)件受力等多個目的,更為有效地保護了該建筑結(jié)構(gòu)在地震中不被破壞。

3 屈曲約束支撐的工藝原理及施工工藝

3.1 工藝原理

屈曲約束支撐出廠即為成品性構(gòu)件、運輸?shù)焦こ态F(xiàn)場后即可直接安裝。但該阻尼器因其自身性能必須在入場或出場時經(jīng)各單位共同見證抽樣復檢并待復檢合格滿足相關(guān)要求后,方能將該批次屈曲約束支撐構(gòu)件正式投入安裝使用。此外,因屈曲約束支撐阻尼器的試驗屬于破壞性試驗,施工時禁止將其用于試驗檢測的構(gòu)件投入到工程實際安裝過程中。在現(xiàn)場實際施工過程中,安裝作業(yè)人員必須在專業(yè)技術(shù)與管理人員的指導下,將擬用于根據(jù)工程建筑物本身的特點與所采用的屈曲約束支撐阻尼器自身性能及構(gòu)件特點相結(jié)合,通過高強螺栓連接等一種或由多種連接節(jié)點組合的方式進行節(jié)點連接,使阻尼器本體和主體結(jié)構(gòu)的連接堅實且高效,且在節(jié)點完成后需要通過第三方監(jiān)測單位進場進行工程檢測,以保證其連接節(jié)點的施工質(zhì)量完全能夠滿足相關(guān)設(shè)計及規(guī)范要求,進而保證屈曲約束支撐阻尼器的本體能夠在主體結(jié)構(gòu)正式受力后,高效地展現(xiàn)出其優(yōu)越的抗震性能。

3.2 施工準備及施工質(zhì)量控制

筆者針對目前實際采用的屈曲約束支撐施工的情況發(fā)現(xiàn),對其前期原材料(構(gòu)件)和施工過程的控制非常重要。

3.2.1 材料的取樣標準

(1)對屈曲約束支撐的取樣。

①對于其抽檢數(shù)量,同一工程中的同一類型且為同一規(guī)格數(shù)量的阻尼器的取樣數(shù)量不少于3%;

②若同一工程中的同一類型、同一規(guī)格的消能器數(shù)量較少時,可在同一類屈曲約束支撐中隨機抽樣,其抽檢數(shù)為屈曲約束支撐總數(shù)量的3%,但不應(yīng)少于2個;

③檢驗支撐的工作性能和拉壓反復荷載作用下的滯回性能,其檢測合格率應(yīng)為100%。當其滿足相關(guān)要求后,則該批次產(chǎn)品可用于主體結(jié)構(gòu)。但需注意的是:檢測后的屈曲約束支撐不可再應(yīng)用于主體結(jié)構(gòu)[1]。

(2)若產(chǎn)品首次檢測合格率未達到100%,則應(yīng)在同批次抽檢產(chǎn)品中重新取樣送檢,并對取樣數(shù)量采用加倍抽檢的方式;只有在二次抽檢樣品的合格率達到100%時,則該批次產(chǎn)品方可用于主體結(jié)構(gòu);否則,該批次構(gòu)件應(yīng)禁止應(yīng)用于主體結(jié)構(gòu)[2]。

3.2.2 施工過程控制

(1)安裝流程控制。

①預(yù)埋件安裝:預(yù)埋件安裝位置標記(放線)→預(yù)埋件吊運至安裝點→預(yù)埋件安裝到位(臨時固定)→預(yù)埋件的最終固定;

②節(jié)點板安裝:作業(yè)人員首先對節(jié)點板在施工現(xiàn)場的具體安裝位置進行放線標記→將節(jié)點板平穩(wěn)吊運至安裝點→臨時將節(jié)點板固定在標記的位置→校正節(jié)點板的位置→調(diào)整好節(jié)點板后將其進行固定;

③施工前的準備→施工前的檢查→預(yù)埋件安裝前的誤差消除→構(gòu)件垂直運輸→構(gòu)件水平運輸→吊裝就位→連接措施→支撐臨時固定(點焊)→支撐永久固定(滿焊)。

(2)質(zhì)量過程控制。

①對所使用的施工機具在施工前進行檢查,必須保證所有機具全部滿足施工及檢測要求;

②操作人員(焊工,電工,氣割工等)均屬于特殊作業(yè)人員,所有人員必須持證上崗,且其相關(guān)的操作證書等必須在有效期限范圍內(nèi),并且只能在規(guī)定的作業(yè)崗位上進行作業(yè)。針對不同崗位的操作人員必須滿足三同(同人、同崗、同證),相關(guān)證書文件如特種操作作業(yè)證書等必須在進場時立即報送至施工總承包單位,然后由總承包單位向相關(guān)單位報審備案;

③坡口的表面雜質(zhì)必須采用砂輪機或鋼絲刷清理干凈、露出金屬底色;坡口加工時需嚴格按圖紙及規(guī)范的規(guī)定設(shè)置,確保其在相關(guān)規(guī)定的允許偏差范圍內(nèi);

④焊接的內(nèi)在質(zhì)量必須符合設(shè)計要求:無夾渣、無飛渣、無氣孔等;焊接寬度亦符合相關(guān)要求,禁止出現(xiàn)焊縫咬邊、未熔合、焊瘤、凹坑等質(zhì)量缺陷,整體外觀質(zhì)量符合相關(guān)規(guī)范要求;

⑤按常規(guī)焊接工藝及作業(yè)指導書進行加工,特殊工藝待評定后進行,無焊接工藝評定時禁止焊接;

⑥焊接校正的質(zhì)量控制要求:將焊接溫度控制在900 ℃進行空冷,嚴禁水冷,校正后嚴禁第二次加熱[3];

⑦采用手工焊焊接的外觀質(zhì)量應(yīng)均勻飽滿,無氣孔、夾渣及飛濺;

⑧焊接部位采用人工操作,作業(yè)人員采用手工砂輪清除夾渣、飛濺、焊瘤等焊接缺陷,局部補渣使焊縫完美;

⑨油漆需嚴格按相關(guān)規(guī)范規(guī)定進行涂裝作業(yè),漆膜厚度按設(shè)計要求進行。施工時應(yīng)保證油漆無流淌、無氣泡、無刮痕、無雜物且必須禁止涂裝燒壞后清除不及時、不干凈,油漆露底、流淌、皺紋、色澤不一的情況出現(xiàn)。

3.2.3 設(shè)計優(yōu)化

由于屈曲約束支撐的安裝需要在新建混凝土框架工程提前設(shè)置預(yù)埋件,相對于常規(guī)地區(qū)設(shè)計的屈曲約束支撐構(gòu)件的預(yù)埋件采用的是新型的腹板開孔H型鋼板。腹板開孔的H型鋼預(yù)埋件節(jié)點見圖1。然而,在抗震設(shè)防裂度為9度地區(qū)的設(shè)計情況下,其結(jié)構(gòu)用鋼量相應(yīng)的會較常規(guī)地區(qū)多很多,因此,該工程屈曲約束支撐的安裝因高抗震設(shè)防烈度地區(qū)的鋼筋太密集而受阻。若按照原常規(guī)設(shè)計的預(yù)埋板施工需要切割大量的結(jié)構(gòu)箍筋,甚至會傷及豎向主筋,因此,從事該項目設(shè)計的專業(yè)人員根據(jù)現(xiàn)場實際情況,為平衡阻尼器的安裝和土建鋼筋的安裝質(zhì)量,最終決定對連接板的預(yù)埋件進行設(shè)計優(yōu)化,在設(shè)計層面即將原設(shè)計的封閉的節(jié)點預(yù)埋板變更為開口式預(yù)埋板,同時增大了預(yù)埋板的預(yù)埋腹板寬度,將其由原來的30 mm擴展到40 mm,以增強其錨固強度。如圖1所示,從該構(gòu)件縫隙中切斷,從正面看形成了多個小型的H型鋼板。如此實施即可以先制作梁柱鋼筋,后安裝預(yù)埋件。該方法的應(yīng)用不僅安裝快速且更有利于預(yù)埋件定位。改進前的預(yù)埋件見圖1,改進后的預(yù)埋件見圖2。

圖1 腹板開孔的H型鋼預(yù)埋件節(jié)點示意圖

圖2 改進后的預(yù)埋件實物

3.3 質(zhì)量控制要點

屈曲約束支撐不能當作一般的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作,必須由擁有相應(yīng)產(chǎn)品專利的鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)廠家作為專業(yè)產(chǎn)品進行生產(chǎn);鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)廠家必須擁有安全生產(chǎn)許可證,擁有黏滯阻尼器、屈曲約束支撐的生產(chǎn)能力,且其生產(chǎn)的管理應(yīng)通過ISO質(zhì)量管理體系認證。

屈曲約束支撐應(yīng)按照鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)承包工程中制作與施工安裝相應(yīng)分項工程中的檢驗批進行驗收。進場驗收資料應(yīng)包含:鋼結(jié)構(gòu)工程專業(yè)承包企業(yè)資質(zhì)(三級及以上)、安全生產(chǎn)許可證、產(chǎn)品質(zhì)保書、產(chǎn)品芯材材料質(zhì)保書及材料復檢報告、產(chǎn)品出廠第三方檢驗CMA報告(應(yīng)符合相關(guān)國家規(guī)范及設(shè)計圖紙要求);竣工驗收資料應(yīng)包含:鋼結(jié)構(gòu)安裝施工驗收資料。其中屈曲約束支撐構(gòu)件與框架的連接施工驗收應(yīng)符合國家標準《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB 50205-2020中的相關(guān)規(guī)定;高強螺栓連接、焊接連接方式的施工驗收應(yīng)符合國家標準《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB 50205-2020中的相關(guān)規(guī)定;銷軸連接方式的施工驗收應(yīng)符合設(shè)計要求[4]。

4 屈曲約束支撐在抗震設(shè)防裂度為9度地區(qū)應(yīng)用具有的優(yōu)勢

(1) 對于國內(nèi)高抗震設(shè)防烈度地區(qū),建筑物的抗震性能尤為重要,而將屈曲約束支撐在高抗震設(shè)防烈度地區(qū)應(yīng)用后可降低其設(shè)防烈度。例如,將抗震設(shè)防烈度為9度降低至抗震設(shè)防烈度為8度等;

(2) 屈曲約束支撐應(yīng)在工程建設(shè)前期與建筑結(jié)構(gòu)同時設(shè)計。在降低抗震設(shè)防烈度的同時,亦極大程度地降低了結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的大小及含鋼量,并可節(jié)約鋼筋制安的材料成本和人力成本。這一過程雖然會產(chǎn)生阻尼器的采購成本,但對于項目主體結(jié)構(gòu)講,其綜合成本依然會降低;

(3) 屈曲約束支撐的安裝是在框架之間,因此不會改變其原始結(jié)構(gòu)的設(shè)置,同時也不會占用多余的空間,不僅能滿足建筑物的規(guī)劃要求,亦能滿足建筑物的功能要求;

(4) 鑒于傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的抗彎性能相對較弱,而屈曲約束支撐具有的優(yōu)勢就能夠較為明顯地顯現(xiàn),在地震作用中可以有效消除地震波帶來的水平作用力,其具有的屈服性能能夠極大程度地提升建筑物的安全性;

(5) 國內(nèi)采用的這項技術(shù)正在逐步趨于成熟。該項技術(shù)在抗震設(shè)防裂度為9度地區(qū)的應(yīng)用情況可為后續(xù)項目的建設(shè)提供參考[5]。

5 結(jié) 語

到目前為止,屈曲約束支撐作為消能減震技術(shù)的主要形式之一,其施工工藝存在多樣化且一直在不斷突破、更新,消能減震施工技術(shù)的優(yōu)勢愈發(fā)明顯:速度快、效率高、結(jié)構(gòu)的綜合成本低,對建筑物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和功能性影響較小,對工期和質(zhì)量的控制均具有極大的優(yōu)勢。該項技術(shù)在常規(guī)抗震設(shè)防烈度地區(qū)的應(yīng)用較為廣泛,特別是沿海一帶應(yīng)用較多(這些地區(qū)對于屈曲約束支撐的生產(chǎn)、加工較為便利)。由于部分地區(qū)距離生產(chǎn)廠家較遠,使得生產(chǎn)加工和運輸成本增大,但隨著其在如西昌市等高抗震設(shè)防烈度地區(qū)的逐步應(yīng)用,必將會加快其在這些地區(qū)的發(fā)展,不僅能為消能減震技術(shù)在當?shù)氐钠占肮ぷ髌鸬綐O大的推進作用,同時亦會給建筑行業(yè)內(nèi)的各個企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益及社會效益。