张 雪 健, 甘 孝 彬, 张 莉

(中国水利水电第十工程局有限公司,四川 成都 610032)

1 概 述

鉴于国内各地地震频发,导致我国对已建或在建的房屋建筑工程(无论是民用建筑,还是工业建筑)的抗震能力需要着重考虑。在目前施行的抗震技术类别中,消能减震技术是现代化建筑结构中能够减轻地震灾害的有效技术之一,其具有抗震效果好、技术成熟、施工方便等特点。大量的试验研究和震后经验证明:消能减震技术可以在很大程度上减轻地震作用对建筑结构的影响,从而从建筑物自身全面提高建筑物结构的抗震性能,其包括通过改造加固并改善既有建筑物的抗震能力。由此可见,消能减震体系是完全不同于传统抗震设计的结构保护体系,其在现今工程结构中的应用越来越广泛。为了适应我国工程建设与经济发展的需要,有效且合理的利用消能减震等专业技术以减轻建筑结构所遭受的震害,我国相继颁布了隔震与消能减震技术相关的规范、规程和标准图集。2008年汶川地震发生后,消能减震技术以及其他的抗震技术愈发引起人们的高度重视,目前国内颁布的《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010针对房屋建筑工程中的消能减震技术做了专门的规定,不仅使消能减震技术有了技术和法律的支撑依据,同时也为该技术的应用提供了参考依据。在常规设防地区,消能减震技术的应用已趋于普遍,但在抗震设防烈度为9度的地区,消能减震技术的应用却少之又少。

2 商业楼的结构特点

通常,商业楼的结构形式为框架结构,其跨度大,故其可以采用消能减震技术中的屈曲约束支撑(BRB)减震方案。笔者以西昌马道项目的商业楼建设为例说明屈曲约束支撑在抗震设防烈度为9度地区的应用。西昌市马道城中村棚户区改造项目的修建地址为西昌市西南部的马道镇,其抗震设防烈度为9度,其中的商业楼为框架结构。由于该商业楼的跨度较大且处于9度抗震设防烈度地区,为了增加其结构的抗扭刚度、耗能能力、结构的抗倒塌能力,项目部经与设计方的相关专业人员沟通后决定采用屈曲约束支撑。屈曲约束支撑在弹性工作阶段如同普通支撑为结构提供抗侧刚度,并且在弹性工作阶段其变形能力强、滞回性能好,可用于结构抵御强烈的地震作用。项目部在工程前期与设计单位积极对接,经对其原始结构进行详细计算分析后,在建筑物各楼层的多个部位合理布置了BRB阻尼器(消能减震技术之一)。通过对原始结构进行局部的改善优化且在不改变建筑物上部结构的原有布局、不增加基础的受力、不占用楼层原有使用空间的前提下,将其结构设计按照抗震设防裂度为8度进行了初步设计。经过设计单位通过消能减震优化设计将其抗震设防烈度提高到9度,不仅满足了该建筑物的抗震设防烈度要求,还极大程度地节约了资金。屈曲约束支撑的安装不仅为建筑物提供了足够大的抗侧移刚度,而且能够高效地将普通支撑体系的缺点完全克服,使设有屈曲约束支撑构件的建筑物具有良好的力学性能,进而达到了使建筑物自身以最大的抗震能力保护主体结构不受损、减小相邻构件受力等多个目的,更为有效地保护了该建筑结构在地震中不被破坏。

3 屈曲约束支撑的工艺原理及施工工艺

3.1 工艺原理

屈曲约束支撑出厂即为成品性构件、运输到工程现场后即可直接安装。但该阻尼器因其自身性能必须在入场或出场时经各单位共同见证抽样复检并待复检合格满足相关要求后,方能将该批次屈曲约束支撑构件正式投入安装使用。此外,因屈曲约束支撑阻尼器的试验属于破坏性试验,施工时禁止将其用于试验检测的构件投入到工程实际安装过程中。在现场实际施工过程中,安装作业人员必须在专业技术与管理人员的指导下,将拟用于根据工程建筑物本身的特点与所采用的屈曲约束支撑阻尼器自身性能及构件特点相结合,通过高强螺栓连接等一种或由多种连接节点组合的方式进行节点连接,使阻尼器本体和主体结构的连接坚实且高效,且在节点完成后需要通过第三方监测单位进场进行工程检测,以保证其连接节点的施工质量完全能够满足相关设计及规范要求,进而保证屈曲约束支撑阻尼器的本体能够在主体结构正式受力后,高效地展现出其优越的抗震性能。

3.2 施工准备及施工质量控制

笔者针对目前实际采用的屈曲约束支撑施工的情况发现,对其前期原材料(构件)和施工过程的控制非常重要。

3.2.1 材料的取样标准

(1)对屈曲约束支撑的取样。

①对于其抽检数量,同一工程中的同一类型且为同一规格数量的阻尼器的取样数量不少于3%;

②若同一工程中的同一类型、同一规格的消能器数量较少时,可在同一类屈曲约束支撑中随机抽样,其抽检数为屈曲约束支撑总数量的3%,但不应少于2个;

③检验支撑的工作性能和拉压反复荷载作用下的滞回性能,其检测合格率应为100%。当其满足相关要求后,则该批次产品可用于主体结构。但需注意的是:检测后的屈曲约束支撑不可再应用于主体结构[1]。

(2)若产品首次检测合格率未达到100%,则应在同批次抽检产品中重新取样送检,并对取样数量采用加倍抽检的方式;只有在二次抽检样品的合格率达到100%时,则该批次产品方可用于主体结构;否则,该批次构件应禁止应用于主体结构[2]。

3.2.2 施工过程控制

(1)安装流程控制。

①预埋件安装:预埋件安装位置标记(放线)→预埋件吊运至安装点→预埋件安装到位(临时固定)→预埋件的最终固定;

②节点板安装:作业人员首先对节点板在施工现场的具体安装位置进行放线标记→将节点板平稳吊运至安装点→临时将节点板固定在标记的位置→校正节点板的位置→调整好节点板后将其进行固定;

③施工前的准备→施工前的检查→预埋件安装前的误差消除→构件垂直运输→构件水平运输→吊装就位→连接措施→支撑临时固定(点焊)→支撑永久固定(满焊)。

(2)质量过程控制。

①对所使用的施工机具在施工前进行检查,必须保证所有机具全部满足施工及检测要求;

②操作人员(焊工,电工,气割工等)均属于特殊作业人员,所有人员必须持证上岗,且其相关的操作证书等必须在有效期限范围内,并且只能在规定的作业岗位上进行作业。针对不同岗位的操作人员必须满足三同(同人、同岗、同证),相关证书文件如特种操作作业证书等必须在进场时立即报送至施工总承包单位,然后由总承包单位向相关单位报审备案;

③坡口的表面杂质必须采用砂轮机或钢丝刷清理干净、露出金属底色;坡口加工时需严格按图纸及规范的规定设置,确保其在相关规定的允许偏差范围内;

④焊接的内在质量必须符合设计要求:无夹渣、无飞渣、无气孔等;焊接宽度亦符合相关要求,禁止出现焊缝咬边、未熔合、焊瘤、凹坑等质量缺陷,整体外观质量符合相关规范要求;

⑤按常规焊接工艺及作业指导书进行加工,特殊工艺待评定后进行,无焊接工艺评定时禁止焊接;

⑥焊接校正的质量控制要求:将焊接温度控制在900 ℃进行空冷,严禁水冷,校正后严禁第二次加热[3];

⑦采用手工焊焊接的外观质量应均匀饱满,无气孔、夹渣及飞溅;

⑧焊接部位采用人工操作,作业人员采用手工砂轮清除夹渣、飞溅、焊瘤等焊接缺陷,局部补渣使焊缝完美;

⑨油漆需严格按相关规范规定进行涂装作业,漆膜厚度按设计要求进行。施工时应保证油漆无流淌、无气泡、无刮痕、无杂物且必须禁止涂装烧坏后清除不及时、不干净,油漆露底、流淌、皱纹、色泽不一的情况出现。

3.2.3 设计优化

由于屈曲约束支撑的安装需要在新建混凝土框架工程提前设置预埋件,相对于常规地区设计的屈曲约束支撑构件的预埋件采用的是新型的腹板开孔H型钢板。腹板开孔的H型钢预埋件节点见图1。然而,在抗震设防裂度为9度地区的设计情况下,其结构用钢量相应的会较常规地区多很多,因此,该工程屈曲约束支撑的安装因高抗震设防烈度地区的钢筋太密集而受阻。若按照原常规设计的预埋板施工需要切割大量的结构箍筋,甚至会伤及竖向主筋,因此,从事该项目设计的专业人员根据现场实际情况,为平衡阻尼器的安装和土建钢筋的安装质量,最终决定对连接板的预埋件进行设计优化,在设计层面即将原设计的封闭的节点预埋板变更为开口式预埋板,同时增大了预埋板的预埋腹板宽度,将其由原来的30 mm扩展到40 mm,以增强其锚固强度。如图1所示,从该构件缝隙中切断,从正面看形成了多个小型的H型钢板。如此实施即可以先制作梁柱钢筋,后安装预埋件。该方法的应用不仅安装快速且更有利于预埋件定位。改进前的预埋件见图1,改进后的预埋件见图2。

图1 腹板开孔的H型钢预埋件节点示意图

图2 改进后的预埋件实物

3.3 质量控制要点

屈曲约束支撑不能当作一般的钢结构构件制作,必须由拥有相应产品专利的钢结构专业厂家作为专业产品进行生产;钢结构专业厂家必须拥有安全生产许可证,拥有黏滞阻尼器、屈曲约束支撑的生产能力,且其生产的管理应通过ISO质量管理体系认证。

屈曲约束支撑应按照钢结构专业承包工程中制作与施工安装相应分项工程中的检验批进行验收。进场验收资料应包含:钢结构工程专业承包企业资质(三级及以上)、安全生产许可证、产品质保书、产品芯材材料质保书及材料复检报告、产品出厂第三方检验CMA报告(应符合相关国家规范及设计图纸要求);竣工验收资料应包含:钢结构安装施工验收资料。其中屈曲约束支撑构件与框架的连接施工验收应符合国家标准《钢结构工程施工质量验收规范》GB 50205-2020中的相关规定;高强螺栓连接、焊接连接方式的施工验收应符合国家标准《钢结构工程施工质量验收规范》GB 50205-2020中的相关规定;销轴连接方式的施工验收应符合设计要求[4]。

4 屈曲约束支撑在抗震设防裂度为9度地区应用具有的优势

(1) 对于国内高抗震设防烈度地区,建筑物的抗震性能尤为重要,而将屈曲约束支撑在高抗震设防烈度地区应用后可降低其设防烈度。例如,将抗震设防烈度为9度降低至抗震设防烈度为8度等;

(2) 屈曲约束支撑应在工程建设前期与建筑结构同时设计。在降低抗震设防烈度的同时,亦极大程度地降低了结构构件尺寸的大小及含钢量,并可节约钢筋制安的材料成本和人力成本。这一过程虽然会产生阻尼器的采购成本,但对于项目主体结构讲,其综合成本依然会降低;

(3) 屈曲约束支撑的安装是在框架之间,因此不会改变其原始结构的设置,同时也不会占用多余的空间,不仅能满足建筑物的规划要求,亦能满足建筑物的功能要求;

(4) 鉴于传统框架结构的抗弯性能相对较弱,而屈曲约束支撑具有的优势就能够较为明显地显现,在地震作用中可以有效消除地震波带来的水平作用力,其具有的屈服性能能够极大程度地提升建筑物的安全性;

(5) 国内采用的这项技术正在逐步趋于成熟。该项技术在抗震设防裂度为9度地区的应用情况可为后续项目的建设提供参考[5]。

5 结 语

到目前为止,屈曲约束支撑作为消能减震技术的主要形式之一,其施工工艺存在多样化且一直在不断突破、更新,消能减震施工技术的优势愈发明显:速度快、效率高、结构的综合成本低,对建筑物结构的稳定性和功能性影响较小,对工期和质量的控制均具有极大的优势。该项技术在常规抗震设防烈度地区的应用较为广泛,特别是沿海一带应用较多(这些地区对于屈曲约束支撑的生产、加工较为便利)。由于部分地区距离生产厂家较远,使得生产加工和运输成本增大,但随着其在如西昌市等高抗震设防烈度地区的逐步应用,必将会加快其在这些地区的发展,不仅能为消能减震技术在当地的普及工作起到极大的推进作用,同时亦会给建筑行业内的各个企业带来可观的经济效益及社会效益。