層間隔震電子廠房超大直徑橡膠支座施工技術(shù)

鄧 青,齊文超,原 野,梁增輝,張 洋,郭克石

(中建-大成建筑有限責(zé)任公司,北京 100070)

0 引言

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法主要是通過增強(qiáng)建筑物結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度、剛度或延性來抵御地震,地震發(fā)生時(shí)建筑結(jié)構(gòu)往往會(huì)遭到破壞,雖然沒有倒塌,但內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞帶來的墜物等仍易引發(fā)人員傷亡,造成經(jīng)濟(jì)損失。隔震技術(shù)不僅可通過隔震支座消耗地震能量,還能避免或減少地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳輸,減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng),從而保障地震時(shí)建筑物的安全[1],是近幾十年來建筑工程抗震防災(zāi)方面最重大的革新技術(shù)之一。

建筑隔震技術(shù)主要有基礎(chǔ)隔震和層間隔震兩種形式,已廣泛應(yīng)用于住宅、醫(yī)院、學(xué)校、博物館等居住和公共建筑中[2-3]。國內(nèi)眾多學(xué)者[4-8]已對(duì)采用層間隔震的建筑開展了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究,分析表明層間隔震技術(shù)能顯著降低上部結(jié)構(gòu)地震力,有效提高建筑的抗震性能。在實(shí)際工程中的需求日益增加,當(dāng)前已應(yīng)用于北京、上海、西安等地的多個(gè)地鐵上蓋(TOD)項(xiàng)目[9]。然而,層間隔震技術(shù)在工業(yè)廠房中的應(yīng)用仍較少見。

隔震支座常用直徑為400～1 200mm,國內(nèi)工程應(yīng)用的隔震支座直徑一般不大于1m[10-11]。近年來,已有學(xué)者對(duì)直徑1.4,1.5m的大直徑橡膠支座性能開展了試驗(yàn)研究[12-13],并解決了大直徑隔震橡膠支座施工相關(guān)技術(shù)難點(diǎn),將直徑1.3～1.5m的橡膠支座應(yīng)用于高層辦公樓、機(jī)場(chǎng)航站樓、醫(yī)院等建筑[14-15]。

北方華創(chuàng)半導(dǎo)體裝備產(chǎn)業(yè)化基地?cái)U(kuò)產(chǎn)(四期)項(xiàng)目首次將層間隔震技術(shù)應(yīng)用于電子工業(yè)廠房建設(shè),所使用的隔震支座最大直徑達(dá)1.6m。本文總結(jié)出一套隔震支座完整高效的施工工藝,并就遇到的幾項(xiàng)施工難點(diǎn)提出了相應(yīng)的解決措施,以期為類似工程提供技術(shù)參考。

1 工程隔震系統(tǒng)概況

1.1 工程概況

北方華創(chuàng)半導(dǎo)體裝備產(chǎn)業(yè)化基地?cái)U(kuò)產(chǎn)(四期)項(xiàng)目位于北京市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)亦莊新城,建設(shè)用地面積約12.8萬m2,總建筑面積超24萬m2,主要包括1號(hào)生產(chǎn)廠房、7號(hào)分界室、8號(hào)接待中心等11項(xiàng)單位工程,項(xiàng)目整體如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目整體俯瞰Fig.1 Overall project view

生產(chǎn)廠房主體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ),抗震設(shè)防烈度為8度,結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為框架二級(jí),地上4層,層高5～7.9m,地下1層,層高高達(dá)7.8m,且廠房西側(cè)地下1層至地上2層均設(shè)有夾層,層高為3.3～3.9m。

1.2 隔震系統(tǒng)概況

為保證1號(hào)生產(chǎn)廠房結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能且滿足生產(chǎn)功能的需要,避免地震災(zāi)害和附近振動(dòng)對(duì)廠房?jī)?nèi)精密設(shè)備造成損害,設(shè)計(jì)了層間隔震方式,并在1層采用格構(gòu)梁上鋪高架地板作為樓面。

本工程隔震層位于1層格構(gòu)梁與地下室之間,隔震支座主要設(shè)置在廠房地下室的拉梁層上,平面布置及豎向位置關(guān)系如圖2,3所示。每個(gè)下支柱頂面設(shè)置1個(gè)隔震支座,局部柱頂為雙隔震支座。

圖2 隔震支座平面布置Fig.2 Plane layout of isolation bearing

圖3 隔震支座豎向位置關(guān)系Fig.3 Vertical position relationship of isolation bearing

拉梁層上的隔震支座總計(jì)455個(gè),分為天然橡膠支座(LNR)、鉛芯橡膠支座(LRB)、彈性滑板支座(ESB)3種類型,直徑為900～1 600mm,規(guī)格數(shù)量多達(dá)9種。此外,在地下室電梯基坑內(nèi)還設(shè)置26個(gè)彈性滑板支座,直徑均為400mm。本項(xiàng)目采用的所有規(guī)格橡膠隔震支座均具有符合設(shè)計(jì)要求的檢驗(yàn)報(bào)告。不同規(guī)格的支座質(zhì)量如表1所示,其中最大支座直徑達(dá)1.6m,重6.1t,已超出JG/T 118—2018《建筑隔震橡膠支座》所覆蓋的0.4～1.5m常用尺寸范圍,屬國內(nèi)建筑領(lǐng)域中目前應(yīng)用的最大規(guī)格橡膠支座。

表1 隔震支座理論質(zhì)量Table 1 Theoretical weight of isolation bearing

2 隔震支座施工工藝

結(jié)合工程性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),制定了專項(xiàng)施工技術(shù)方案,所設(shè)計(jì)的隔震支座施工工藝流程如圖4所示[16]。

圖4 施工工藝流程Fig.4 Construction process

2.1 下支柱定位放線及鋼筋綁扎

依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行下支柱(墩)的定位放線,再綁扎柱子及拉梁的主筋和箍筋。

2.2 預(yù)埋件的定位和安裝

依次控制定位板的標(biāo)高、中線和水平度,再將其通過錨筋套筒組件與下支柱鋼筋籠固定,安裝后進(jìn)行隱蔽驗(yàn)收。

2.3 下支柱及拉梁結(jié)構(gòu)施工

支護(hù)下支柱及拉梁的模板,采用二次澆筑法將混凝土及高強(qiáng)灌漿料通過專用漏斗從預(yù)埋板中間孔洞注入,澆筑完畢后,在灌漿料初凝前將定位板取出。

2.4 隔震支座安裝

當(dāng)下支柱混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%后,通過塔式起重機(jī)各區(qū)同步安裝隔震支座,吊裝完成后,對(duì)照設(shè)計(jì)圖紙全數(shù)逐個(gè)核對(duì)支座的型號(hào)、位置是否正確,檢查支座下法蘭板與支柱表面是否密貼、螺栓是否擰緊。

2.5 上支墩及格構(gòu)梁結(jié)構(gòu)施工

將上法蘭板的套管及錨固鋼筋固定到支座上,依次支設(shè)上支墩底部模板,綁扎上支墩鋼筋,綁扎格構(gòu)梁鋼筋,支設(shè)上支墩和格構(gòu)梁側(cè)模,再一起澆筑上支墩和格構(gòu)梁混凝土。

3 施工難點(diǎn)及解決措施

為滿足電子工業(yè)廠房特殊的生產(chǎn)制造工藝需求,在建筑設(shè)計(jì)上一般具有大開間、體量大、功能分區(qū)種類多、空間布局緊湊,對(duì)室內(nèi)的溫濕度、潔凈度、防微振的控制要求高,防火區(qū)域劃分、安全疏散路線規(guī)劃難等特點(diǎn)[16-17],因而在施工建造時(shí),往往會(huì)面臨項(xiàng)目工期短、啟動(dòng)難度大、資源需求多、工程量繁重、平面尺寸及單層面積超大等不利因素[18-19]。

本項(xiàng)目是國內(nèi)微電子廠房類工業(yè)建筑首次采用隔震技術(shù)方案進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的工程項(xiàng)目,1號(hào)生產(chǎn)廠房南北長294.4m,東西寬167.5m,單層建筑面積達(dá)到4.3萬m2。該項(xiàng)目隔震系統(tǒng)規(guī)模巨大,隔震層結(jié)構(gòu)形式特異,施工操作空間狹窄,存在以下施工難點(diǎn)。

3.1 大規(guī)模隔震支座吊裝及場(chǎng)內(nèi)堆放

根據(jù)廠房結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、平面尺寸及施工工程量,將廠房由北至南劃分為3個(gè)工區(qū),在各工區(qū)內(nèi)選擇適宜的位置確定塔式起重機(jī)基礎(chǔ)定位,再設(shè)計(jì)塔式起重機(jī)臂長,盡可能覆蓋所有施工作業(yè)區(qū)域,避免出現(xiàn)盲區(qū),并應(yīng)與相鄰塔式起重機(jī)、建(構(gòu))筑物保持安全距離,最后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工道路、加工堆料場(chǎng)地分布,綜合考慮隔震支座、鋼筋模板等主要建材、施工工具及小型機(jī)械開展吊重分析,重點(diǎn)關(guān)注直徑≥1m 的大型隔震支座的吊運(yùn)與安裝需求,在保證一定使用經(jīng)濟(jì)性的前提下進(jìn)行塔式起重機(jī)選型,再對(duì)各塔式起重機(jī)以不同起重量時(shí)的臂長為半徑繪制同心圓進(jìn)行檢驗(yàn)分析,得到塔式起重機(jī)平面布置如圖5所示。

圖5 塔式起重機(jī)布置Fig.5 Tower crane layout

現(xiàn)場(chǎng)配備3臺(tái)承載能力為5t的叉車,可滿足除LRB1600外隔震支座的運(yùn)載需求。支座進(jìn)場(chǎng)后,直徑≤1.5m、質(zhì)量≤5t的隔震支座采用叉車運(yùn)至塔式起重機(jī)吊運(yùn)范圍內(nèi),在不阻礙物料運(yùn)輸之處整齊擺放即可,堆放層數(shù)≤3。對(duì)于直徑為1.6m的支座,質(zhì)量較大,叉車無法叉運(yùn),因此在堆放時(shí),需放在塔式起重機(jī)可起吊的范圍,避免二次倒運(yùn),堆放層數(shù)≤2, 且需考慮該支座安裝位置與塔式起重機(jī)吊重的關(guān)系,避免出現(xiàn)超載。本項(xiàng)目存在個(gè)別隔震支座由本工區(qū)塔式起重機(jī)無法吊運(yùn)的情況,需相鄰工區(qū)塔式起重機(jī)協(xié)助吊運(yùn),因此在進(jìn)場(chǎng)堆放時(shí),須將該支座堆放至相鄰工區(qū)塔式起重機(jī)的吊重范圍內(nèi),并做好標(biāo)記。

3.2 下支柱鋼筋綁扎與預(yù)埋件安裝固定

1號(hào)生產(chǎn)廠房主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),柱網(wǎng)尺寸為 3.6m×6.5m～13.5m×15m?？蚣苤慕孛娉叽缱畲筮_(dá)1.8m×1.8m,1.5m×2.8m,豎向縱筋最多時(shí)達(dá)48φ25,外側(cè)箍筋類型最復(fù)雜時(shí)為12×12雙向復(fù)合箍,間距分布為φ12@100。尤其在下支柱上端與拉梁相交處、上支墩與格構(gòu)梁相交處,鋼筋間距很小,鋼筋排布特別復(fù)雜密集,對(duì)錨筋順利植入阻礙極大,易產(chǎn)生碰撞問題。

針對(duì)上述難題,施工前采用BIM技術(shù)建立地下室支墩結(jié)構(gòu)鋼筋模型進(jìn)行深化設(shè)計(jì)(見圖6),優(yōu)化鋼筋排布,從設(shè)計(jì)源頭上避免支座錨筋與梁柱縱筋產(chǎn)生沖突。下支柱柱頭鋼筋綁扎時(shí),先綁扎柱主筋、支墩外側(cè)箍筋和拉鉤,拉梁頂面標(biāo)高以上的箍筋和拉鉤待梁筋綁完后再施工。柱頂角部的鋼筋綁扎時(shí),將錨筋孔洞位置的豎向空間預(yù)留出來,且在柱頭主筋90°彎折時(shí),調(diào)整彎鉤朝向,主動(dòng)避開錨筋位置。

圖6 鋼筋籠BIM模型Fig.6 BIM model of steel cage

下支柱預(yù)埋定位板和錨筋的位置關(guān)系如圖7所示。預(yù)埋件安裝前,先在下支柱鋼筋籠頂部焊接4～8根直徑10～12mm且截面平整的短鋼筋,并使每根短鋼筋頂面標(biāo)高處于定位預(yù)埋鋼板的下表面標(biāo)高位置,用水平尺調(diào)節(jié)檢驗(yàn)所有短鋼筋頂面處于同一標(biāo)高平面內(nèi),再將其下端與下支柱鋼筋籠主筋焊接固定。

圖7 預(yù)埋錨筋組件示意Fig.7 Embedded anchor bar assembly

采用十字工程線確定下支柱中線位置,將定位板中線彈出后平穩(wěn)放置在短鋼筋頂面,要求二者重合。再通過水平尺檢查定位板對(duì)角水平度,兩次檢查氣泡均處在正中即可說明定位板的空間位置準(zhǔn)確無誤。為保證錨筋的插入深度適宜,在錨筋上端可套入一個(gè)高度與支座下法蘭板厚度相同的膠套,再將錨筋套筒組件逐根置入下支柱鋼筋籠內(nèi)。

檢查套筒頂面是否與定位板底面貼平,錨筋是否垂直,再對(duì)預(yù)埋定位板的平面位置、標(biāo)高和水平度進(jìn)行校核、復(fù)測(cè),合格后將錨筋下端直接或采用橫向短鋼筋輔助與下支柱主筋點(diǎn)焊固定。

3.3 下支柱混凝土澆筑

曹建亞等[11]對(duì)隔震層模型所做的振動(dòng)試驗(yàn)顯示,下支柱受振動(dòng)波影響最大,故要保證隔震結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量重點(diǎn)應(yīng)保證下支柱施工質(zhì)量。本工程地下室混凝土柱的橫截面邊長最大達(dá)到 2 800mm, 屬大體積混凝土構(gòu)件。大體積混凝土在澆筑后產(chǎn)生大量的水化熱,表面溫度與大氣接觸使其熱量易散發(fā),而混凝土內(nèi)部熱量卻得到有效儲(chǔ)存,易使混凝土內(nèi)外溫差過大引發(fā)溫度應(yīng)力裂縫[20]。

隔震支座方形預(yù)埋定位板邊長比支座直徑大100mm,中心處開孔直徑250～500mm,孔徑與邊長比最大為0.294。定位板的中心孔洞尺寸較小,且澆筑過程中尚不能拆除,對(duì)混凝土的澆筑和振搗過程造成一定阻礙,難以判斷下支柱內(nèi)部氣體是否完全趕出和控制混凝土內(nèi)部升溫速率,要保證底部混凝土足夠密實(shí)、上表面與預(yù)埋板完全貼緊的難度極大。

針對(duì)上述難點(diǎn),根據(jù)規(guī)范建議,參考宋俊杰等[21]、吳國來等[22]對(duì)下支柱混凝土澆筑填充方法的試驗(yàn)研究,采用高強(qiáng)灌漿料二次澆筑法。混凝土第1次澆筑至定位板底面以下約100mm處時(shí)停止,待其初凝前,再采用C60高強(qiáng)灌漿料(地下室柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55)澆筑剩余部分。澆筑過程中使用小型振搗棒振搗,同時(shí)增設(shè)排氣措施,并在支墩上部使用表面振搗器用于輔助振搗,使夾雜在混凝土漿內(nèi)的空氣得以順利排出,保證下支柱混凝土與預(yù)埋定位板結(jié)合緊密、無空鼓,并注意避免泵管對(duì)連接件產(chǎn)生沖擊,振動(dòng)棒不得碰撞定位板或錨筋。第2次澆筑前,及時(shí)對(duì)支座下法蘭板的平面位置、標(biāo)高和水平度進(jìn)行復(fù)核。灌漿料初凝前取出預(yù)埋板,終凝前進(jìn)行反復(fù)抹平,采取“3次”收面,以防出現(xiàn)表面沉縮裂紋[23]。施工完成后,支柱混凝土觀感良好,如圖8所示。

圖8 支墩混凝土觀感Fig.8 Concrete appearance of pillar

圖9 隔震支座平面位置Fig.9 Isolation bearing plane position

3.4 上支墩及格構(gòu)梁的模板支設(shè)

本項(xiàng)目隔震支座主要分布于地下室拉梁層上,即隔震層處于地下室拉梁層和首層格構(gòu)梁之間,而地下室層高7.8m,生產(chǎn)廠房1層地面將在格構(gòu)梁上采取“工字鋼梁+高架地板”形式,如圖3,9所示,故隔震層施工時(shí)地下室拉梁、1層結(jié)構(gòu)梁兩側(cè)均無樓板模板,拉梁層與地面1層格構(gòu)梁間的豎向間距較小,且部分拉梁為兩端頂面標(biāo)高不同,呈傾斜狀,導(dǎo)致隔震層施工操作空間狹窄,上支墩及格構(gòu)梁的模板支設(shè)極不便,潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)也較大。

為應(yīng)對(duì)上述難點(diǎn),施工前組織管理人員、施工人員進(jìn)行詳細(xì)的安全技術(shù)交底工作,保障現(xiàn)場(chǎng)安全有序作業(yè),在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)區(qū)域設(shè)置通道腳手板、護(hù)身欄、水平安全兜網(wǎng)和警戒帶等。支座吊裝過程中,保障安裝操作人員具有足夠的站立和操作空間。支設(shè)上支墩底模和格構(gòu)梁底模時(shí),依據(jù)支座高度、拉梁與格構(gòu)梁之間的高差預(yù)制短木方支撐,化解空間狹窄問題。對(duì)于上支墩側(cè)模,則采用柱箍方法支設(shè)固定。

4 結(jié)語

北方華創(chuàng)半導(dǎo)體裝備產(chǎn)業(yè)化基地?cái)U(kuò)產(chǎn)(四期)項(xiàng)目是隔震技術(shù)在電子工業(yè)廠房領(lǐng)域首次應(yīng)用的工程項(xiàng)目,隔震支座數(shù)量眾多,規(guī)模巨大。施工完成后,隔震支座預(yù)埋件軸線偏差及水平度均控制在3mm范圍內(nèi),高度偏差均小于5mm,符合設(shè)計(jì)要求,且混凝土支柱觀感質(zhì)量良好。項(xiàng)目通過對(duì)施工過程現(xiàn)場(chǎng)跟蹤調(diào)查,研究分析下支柱、隔震支座及上支墩施工過程中的難點(diǎn),得到如下結(jié)論。

1)通過嚴(yán)謹(jǐn)周密的物料吊重分析及塔式起重機(jī)選型設(shè)計(jì),將支座分區(qū)分類進(jìn)行運(yùn)送和堆放,注意大型支座安裝時(shí)的吊重需求,對(duì)個(gè)別特例做好標(biāo)記,可應(yīng)對(duì)大規(guī)模隔震支座吊裝及堆放問題,避免二次倒運(yùn)。

2)借助BIM技術(shù)優(yōu)化支墩的鋼筋排布,合理設(shè)計(jì)鋼筋綁扎順序,控制柱角鋼筋彎鉤朝向,綜合高效利用短鋼筋、水平尺、十字工程線、膠套等工具,可保障預(yù)埋件精準(zhǔn)安裝固定。

3)下支柱采用高強(qiáng)灌漿料二次澆筑法,澆筑后使用小型振搗棒振搗均勻充分,增設(shè)排氣措施,終凝前采取“3次”收面,可顯著提高混凝土密實(shí)度,降低表面孔洞率,改善澆筑質(zhì)量。

4)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)區(qū)域設(shè)置通道腳手板、水平安全兜網(wǎng)等措施,可保障施工安全,降低風(fēng)險(xiǎn)。依據(jù)高差預(yù)制短木方并采用柱箍方法,可化解狹窄空間內(nèi)的上支墩及格構(gòu)梁模板支設(shè)問題。