基础隔震设计中对建筑构造节点的思考★

何文荣

(甘肃工业职业技术学院,甘肃 天水 741000)

0 引言

防震减灾一直是被民生关注的大事,5·12地震后人们防震减灾意识逐步提高,建筑隔震技术也越来越受到推崇。隔震设计理念是在上部结构与基础之间(基础隔震)或结构上下层间(中间隔震)增加隔震层,设置隔震装置(如叠层橡胶支座、阻尼器、滑动支座等),通过隔震装置吸收地震能量的绝大部分,延长上部结构的固有周期,降低地震作用时建筑物响应,最大限度的确保在强烈地震作用下建筑结构的安全和使用要求[1]。

多数隔震建筑在受到地震动作用时,隔震效果良好,但也发现在隔震缝等建筑构造细节处理上存在一些问题。如果发生地震作用时,隔震层建筑构造节点与结构构件连接处置不当,会导致结构构件遭到破坏,因此隔震设计时应重视隔震层建筑构造细节的优化设计,让隔震建筑无隐患。

耗能量大的隔震橡胶支座是可以更换的,因此采用隔震技术时须考虑预留出安装和更换隔震橡胶支座的空间,同时确保隔震支座在罕遇地震下有足够的运动空间,通常在建筑物四周设置足够深和宽的隔震沟,以确保隔震效果。

1 工程简介

某学校实训大楼(基础隔震项目),所在地区地震基本烈度为8度,设计基本地震加速度值为0.30g。地下1层,地上7层,结构形式为钢筋混凝土框架-剪力墙结构。

2 隔震层建筑构造

1)隔震层设置。基础隔震建筑应在上部结构与基础之间增加隔震层,如果建筑设有地下室可把地下室兼做隔震层;对于没有设地下室的建筑,需要增加一层作为隔震层,隔震层梁底到地面的净高不应小于600 mm,目的是为了便于日后对隔震支座的维护和检修。

本工程按照隔震要求,增设一层地下室作为隔震层,地下室层高按2.300 m考虑,这样设计不仅满足了隔震支座检查、维修和更换的要求,而且满足了设备管道的日常检修。

2)上部结构与周边的隔离措施。依据规范,上部结构与周围固定物之间应设置完全贯通的竖向隔离缝以避免罕遇地震作用下可能的阻挡和碰撞,隔离缝宽度不应小于隔震支座在罕遇地震作用下最大水平位移的1.2倍,且不应小于300 mm[2]。

依据《实训大楼结构基础隔震计算分析报告》,本工程罕遇地震下的隔震层最大位移为222 mm。按照国家标准图集规定,隔震层以上上部结构与周边任何固定物竖向隔离缝至少为400 mm[3]。

考虑到本工程所在地区为高烈度地区,保证上部结构发生平动不受影响,本工程隔离缝宽按500 mm,具体做法是在室外地坪下,环建筑物一周设至少500 mm宽隔震沟,确保隔震支座效果得到充分发挥。

2.1 基础隔震节点位置

图1为实训大楼的一层平面图和1-1剖面图,图中通过详图剖切索引符号标注了建筑物四周散水、踏步台阶入口因满足隔震设计需要而特殊处理的节点位置(图中索引符号圆圈内用英文字母编号,通过剖切索引引出散水、台阶等隔震构造详图)。

2.2 基础隔震散水构造

常规散水构造做法:先用素土回填,回填土压实后直接做散水。散水与勒脚间留宽20 mm通长缝,缝内嵌密封膏,填充柔性材料如聚乙烯泡沫塑料棒,详见图2(a)[4]。

本工程为基础隔震项目,散水做法是从±0.000 m(隔震层)标高梁的中部挑板(钢筋混凝土现浇板),在混凝土板上做建筑散水找坡构造。挑板下设宽500 mm隔震沟,隔震沟侧壁(钢筋混凝土挡土墙)与挑板间留30 mm水平缝,隔震沟侧壁接室外地面,详见图2(b)。

留30 mm宽的水平缝隙,并采用柔性材料填充,可以保证隔震支座发生位移而不受建筑散水与上部结构主体的影响。隔震沟(宽500 mm)设计可以保证当地震来时,隔震支座处有足够的位移空间。隔震沟可兼做排水沟,因此隔震沟深应考虑排水要求,如深度太浅,会造成雨水直接冲刷地面;太深造成设备层内积水。

在隔震设计中散水构造可参照图2(b)做法,但是有一个问题是平时容易忽视的,就是与上部结构连接的预埋件与钢板之间的连接方式,容易被认为是固定在预埋件上的螺栓与活动钢板之间的滑动槽形成活动连接方式,其实这种做法是错误的,因为按这种方式连接,在建筑物散水转向时,上部结构只能在一个方向滑动,在地震力作用下会对散水造成破坏。准确来说是预埋件与钢板之间焊接连接。这样保证了在地震力作用下上部结构可以向各个方向滑动,从而减少对散水的破坏。

2.3 基础隔震入口台阶构造

本工程入口处踏步分两种情况:如图3(a),图3(b)所示。与传统的入口踏步设计不同的是增加隔震沟的构造要求:平台较窄的踏步设计(平台宽度<600 mm)如图3(a)所示,踏步段可直接从框架边梁上挑出;平台较宽的踏步设计(平台宽度≥1 200 mm)如图3(b)所示,从梁上挑平台梁板,当台阶平台小于1 200 mm可直接按挑板设计,如图3(c)所示。这种踏步和平台做法巧妙地覆盖住因隔震要求产生的明沟,保证了室内外的连接。当地震发生时,隔震沟设计满足隔震垫水平自由位移的要求,30 mm水平缝隙(缝内采用柔性材料填充)的设计使上部建筑发生水平自由位移时不影响入口台阶的正常使用。

本工程为高烈度地区,当挑长大于1.2 m时,宜采用图3(b)踏步设计作法,提高悬挑结构稳定性和抗倾覆能力,不建议按纯挑板考虑。

2.4 基础隔震楼梯的构造设计

隔震层的楼梯悬挑长度在1.5 m以内,可按悬挑楼梯构造。本工程所在地区为8度高烈度地区,按照《抗规》5.1.1条第4节条文解释(节选):“关于大跨度和长悬臂结构,根据我国大陆和台湾地震的经验;8度时,跨度大于24 m的屋架,2 m以上的悬挑阳台和走廊震害严重[5]”。

如图4所示,本工程楼梯悬挑长度超过2 m,按悬挑楼梯设计于抗震不利。

依据抗规,本工程结构形式是框-剪,楼梯不参与结构整体计算,地下室楼梯可按AT型构造设计。作为隔震结构,其要求是通过隔震支座将下部结构与上部结构完全分隔开,因此要求地下室的楼梯在隔震垫以下范围之内,完全断开,其间采用柔性材料填充,保证隔震中位移无阻挡,如图5所示,在楼梯中间,与隔震垫同标高处设梯柱、梯梁。此时楼梯分为两段,上半段采用梯板悬挑,挑出斜段长度1 300 mm,下半段通过增加TZ,TL,按普通AT型楼梯构造,其间留出50 mm空隙,采用柔性材料聚苯板填充,见图5节点①;同时上部扶手断开,做法详见图5节点②。

注意:这里滑动支座连接如果是螺栓连接,并没有断开。有些设计人员在设计楼梯穿越隔震层时,误将连接节点做成滑动支座的螺栓连接,如图6所示[6],这种做法是不满足隔震要求的。

2.5 基础隔震电梯的构造设计

隔震层电梯设计通常有两种:悬挂式和支撑式,如图7所示。

电梯的隔震不管是用悬挂式,还是支撑式,在与楼梯相邻布置时,最好不要直接与楼梯间框柱上的梁相连接。而是通过次梁与四周脱开,这样才能保证上部结构和下部结构完全脱开。

本工程采用的电梯构造为悬挂式,见图7(a),图7(b)。考虑到支撑式电梯支撑结构复杂,维护成本高,且本工程地下室只有一层,层高2.300 m,悬挂式电梯构造足够满足需求,成本也较低;当地下室埋深较大或采用悬挂式难以满足承力要求时,可采用支撑式电梯构造,见图7(c),图7(d)。

2.6 基础隔震外墙构造设计

隔震层砌筑墙体时,应留够隔震缝宽至少266 mm,保证隔震层自由平动。本工程隔震层外墙隔震缝做法见图8,竖向隔震缝留出300 mm;水平隔震缝留出30 mm,采用柔性材料填充,以保证隔震层自由平动,满足构造要求[7-8]。

3 结论和建议

在隔震建筑设计时,常规的建筑构造节点不能直接用于隔震建筑中。四周散水、踏步台阶入口、穿过隔震层的楼梯、电梯井、外墙等应采取与周边的隔离措施,如设竖向和水平隔离缝进行隔震处理。设计人员准确理解水平隔离缝和竖向隔离缝的设置要求和相关连接节点做法,是保证隔震支座在地震发生时不受阻碍,发挥效能的前提。

对于高烈度地区,隔震层处的悬挑结构除了要考虑其自身稳定性和抗倾覆能力,还应考虑竖向地震作用等抗震性能。楼梯等结构构件断开处,其间采用柔性材料填充,保证隔震中位移无阻挡;选择连接方案应易于拆换,利于隔震层部件的改装、修理或加固。