層間隔震電子廠房超大直徑橡膠支座施工技術

鄧 青,齊文超,原 野,梁增輝,張 洋,郭克石

(中建-大成建筑有限責任公司,北京 100070)

0 引言

傳統的抗震設計方法主要是通過增強建筑物結構本身的強度、剛度或延性來抵御地震,地震發生時建筑結構往往會遭到破壞,雖然沒有倒塌,但內部結構破壞帶來的墜物等仍易引發人員傷亡,造成經濟損失。隔震技術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構的傳輸,減輕結構振動反應,從而保障地震時建筑物的安全[1],是近幾十年來建筑工程抗震防災方面最重大的革新技術之一。

建筑隔震技術主要有基礎隔震和層間隔震兩種形式,已廣泛應用于住宅、醫院、學校、博物館等居住和公共建筑中[2-3]。國內眾多學者[4-8]已對采用層間隔震的建筑開展了數值模擬和試驗研究,分析表明層間隔震技術能顯著降低上部結構地震力,有效提高建筑的抗震性能。在實際工程中的需求日益增加,當前已應用于北京、上海、西安等地的多個地鐵上蓋(TOD)項目[9]。然而,層間隔震技術在工業廠房中的應用仍較少見。

隔震支座常用直徑為400～1 200mm,國內工程應用的隔震支座直徑一般不大于1m[10-11]。近年來,已有學者對直徑1.4,1.5m的大直徑橡膠支座性能開展了試驗研究[12-13],并解決了大直徑隔震橡膠支座施工相關技術難點,將直徑1.3～1.5m的橡膠支座應用于高層辦公樓、機場航站樓、醫院等建筑[14-15]。

北方華創半導體裝備產業化基地擴產(四期)項目首次將層間隔震技術應用于電子工業廠房建設,所使用的隔震支座最大直徑達1.6m。本文總結出一套隔震支座完整高效的施工工藝,并就遇到的幾項施工難點提出了相應的解決措施,以期為類似工程提供技術參考。

1 工程隔震系統概況

1.1 工程概況

北方華創半導體裝備產業化基地擴產(四期)項目位于北京市經濟技術開發區亦莊新城,建設用地面積約12.8萬m2,總建筑面積超24萬m2,主要包括1號生產廠房、7號分界室、8號接待中心等11項單位工程,項目整體如圖1所示。

圖1 項目整體俯瞰Fig.1 Overall project view

生產廠房主體為鋼筋混凝土框架結構,基礎形式為筏板基礎,抗震設防烈度為8度,結構抗震等級為框架二級,地上4層,層高5～7.9m,地下1層,層高高達7.8m,且廠房西側地下1層至地上2層均設有夾層,層高為3.3～3.9m。

1.2 隔震系統概況

為保證1號生產廠房結構具有良好的抗震性能且滿足生產功能的需要,避免地震災害和附近振動對廠房內精密設備造成損害,設計了層間隔震方式,并在1層采用格構梁上鋪高架地板作為樓面。

本工程隔震層位于1層格構梁與地下室之間,隔震支座主要設置在廠房地下室的拉梁層上,平面布置及豎向位置關系如圖2,3所示。每個下支柱頂面設置1個隔震支座,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系Fig.3 Vertical position relationship of isolation bearing

拉梁層上的隔震支座總計455個,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,規格數量多達9種。此外,在地下室電梯基坑內還設置26個彈性滑板支座,直徑均為400mm。本項目采用的所有規格橡膠隔震支座均具有符合設計要求的檢驗報告。不同規格的支座質量如表1所示,其中最大支座直徑達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,屬國內建筑領域中目前應用的最大規格橡膠支座。

表1 隔震支座理論質量Table 1 Theoretical weight of isolation bearing

2 隔震支座施工工藝

結合工程性質和結構特點,制定了專項施工技術方案,所設計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

依據設計圖紙進行下支柱(墩)的定位放線,再綁扎柱子及拉梁的主筋和箍筋。

2.2 預埋件的定位和安裝

依次控制定位板的標高、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,安裝后進行隱蔽驗收。

2.3 下支柱及拉梁結構施工

支護下支柱及拉梁的模板,采用二次澆筑法將混凝土及高強灌漿料通過專用漏斗從預埋板中間孔洞注入,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

當下支柱混凝土強度達到設計強度的75%后,通過塔式起重機各區同步安裝隔震支座,吊裝完成后,對照設計圖紙全數逐個核對支座的型號、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 上支墩及格構梁結構施工

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

3 施工難點及解決措施

為滿足電子工業廠房特殊的生產制造工藝需求,在建筑設計上一般具有大開間、體量大、功能分區種類多、空間布局緊湊,對室內的溫濕度、潔凈度、防微振的控制要求高,防火區域劃分、安全疏散路線規劃難等特點[16-17],因而在施工建造時,往往會面臨項目工期短、啟動難度大、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]。

本項目是國內微電子廠房類工業建筑首次采用隔震技術方案進行抗震設計的工程項目,1號生產廠房南北長294.4m,東西寬167.5m,單層建筑面積達到4.3萬m2。該項目隔震系統規模巨大,隔震層結構形式特異,施工操作空間狹窄,存在以下施工難點。

3.1 大規模隔震支座吊裝及場內堆放

根據廠房結構特點、平面尺寸及施工工程量,將廠房由北至南劃分為3個工區,在各工區內選擇適宜的位置確定塔式起重機基礎定位,再設計塔式起重機臂長,盡可能覆蓋所有施工作業區域,避免出現盲區,并應與相鄰塔式起重機、建(構)筑物保持安全距離,最后結合現場施工道路、加工堆料場地分布,綜合考慮隔震支座、鋼筋模板等主要建材、施工工具及小型機械開展吊重分析,重點關注直徑≥1m 的大型隔震支座的吊運與安裝需求,在保證一定使用經濟性的前提下進行塔式起重機選型,再對各塔式起重機以不同起重量時的臂長為半徑繪制同心圓進行檢驗分析,得到塔式起重機平面布置如圖5所示。

圖5 塔式起重機布置Fig.5 Tower crane layout

現場配備3臺承載能力為5t的叉車,可滿足除LRB1600外隔震支座的運載需求。支座進場后,直徑≤1.5m、質量≤5t的隔震支座采用叉車運至塔式起重機吊運范圍內,在不阻礙物料運輸之處整齊擺放即可,堆放層數≤3。對于直徑為1.6m的支座,質量較大,叉車無法叉運,因此在堆放時,需放在塔式起重機可起吊的范圍,避免二次倒運,堆放層數≤2, 且需考慮該支座安裝位置與塔式起重機吊重的關系,避免出現超載。本項目存在個別隔震支座由本工區塔式起重機無法吊運的情況,需相鄰工區塔式起重機協助吊運,因此在進場堆放時,須將該支座堆放至相鄰工區塔式起重機的吊重范圍內,并做好標記。

3.2 下支柱鋼筋綁扎與預埋件安裝固定

1號生產廠房主體結構采用現澆鋼筋混凝土框架結構,柱網尺寸為 3.6m×6.5m～13.5m×15m。框架柱的截面尺寸最大達1.8m×1.8m,1.5m×2.8m,豎向縱筋最多時達48φ25,外側箍筋類型最復雜時為12×12雙向復合箍,間距分布為φ12@100。尤其在下支柱上端與拉梁相交處、上支墩與格構梁相交處,鋼筋間距很小,鋼筋排布特別復雜密集,對錨筋順利植入阻礙極大,易產生碰撞問題。

針對上述難題,施工前采用BIM技術建立地下室支墩結構鋼筋模型進行深化設計(見圖6),優化鋼筋排布,從設計源頭上避免支座錨筋與梁柱縱筋產生沖突。下支柱柱頭鋼筋綁扎時,先綁扎柱主筋、支墩外側箍筋和拉鉤,拉梁頂面標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,將錨筋孔洞位置的豎向空間預留出來,且在柱頭主筋90°彎折時,調整彎鉤朝向,主動避開錨筋位置。

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

下支柱預埋定位板和錨筋的位置關系如圖7所示。預埋件安裝前,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高處于定位預埋鋼板的下表面標高位置,用水平尺調節檢驗所有短鋼筋頂面處于同一標高平面內,再將其下端與下支柱鋼筋籠主筋焊接固定。

圖7 預埋錨筋組件示意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。

檢查套筒頂面是否與定位板底面貼平,錨筋是否垂直,再對預埋定位板的平面位置、標高和水平度進行校核、復測,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焊固定。

3.3 下支柱混凝土澆筑

曹建亞等[11]對隔震層模型所做的振動試驗顯示,下支柱受振動波影響最大,故要保證隔震結構施工質量重點應保證下支柱施工質量。本工程地下室混凝土柱的橫截面邊長最大達到 2 800mm, 屬大體積混凝土構件。大體積混凝土在澆筑后產生大量的水化熱,表面溫度與大氣接觸使其熱量易散發,而混凝土內部熱量卻得到有效儲存,易使混凝土內外溫差過大引發溫度應力裂縫[20]。

隔震支座方形預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,難以判斷下支柱內部氣體是否完全趕出和控制混凝土內部升溫速率,要保證底部混凝土足夠密實、上表面與預埋板完全貼緊的難度極大。

針對上述難點,根據規范建議,參考宋俊杰等[21]、吳國來等[22]對下支柱混凝土澆筑填充方法的試驗研究,采用高強灌漿料二次澆筑法。混凝土第1次澆筑至定位板底面以下約100mm處時停止,待其初凝前,再采用C60高強灌漿料(地下室柱混凝土強度等級為C55)澆筑剩余部分。澆筑過程中使用小型振搗棒振搗,同時增設排氣措施,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的空氣得以順利排出,保證下支柱混凝土與預埋定位板結合緊密、無空鼓,并注意避免泵管對連接件產生沖擊,振動棒不得碰撞定位板或錨筋。第2次澆筑前,及時對支座下法蘭板的平面位置、標高和水平度進行復核。灌漿料初凝前取出預埋板,終凝前進行反復抹平,采取“3次”收面,以防出現表面沉縮裂紋[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 上支墩及格構梁的模板支設

本項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梁之間,而地下室層高7.8m,生產廠房1層地面將在格構梁上采取“工字鋼梁+高架地板”形式,如圖3,9所示,故隔震層施工時地下室拉梁、1層結構梁兩側均無樓板模板,拉梁層與地面1層格構梁間的豎向間距較小,且部分拉梁為兩端頂面標高不同,呈傾斜狀,導致隔震層施工操作空間狹窄,上支墩及格構梁的模板支設極不便,潛在的安全風險也較大。

為應對上述難點,施工前組織管理人員、施工人員進行詳細的安全技術交底工作,保障現場安全有序作業,在現場作業區域設置通道腳手板、護身欄、水平安全兜網和警戒帶等。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。支設上支墩底模和格構梁底模時,依據支座高度、拉梁與格構梁之間的高差預制短木方支撐,化解空間狹窄問題。對于上支墩側模,則采用柱箍方法支設固定。

4 結語

北方華創半導體裝備產業化基地擴產(四期)項目是隔震技術在電子工業廠房領域首次應用的工程項目,隔震支座數量眾多,規模巨大。施工完成后,隔震支座預埋件軸線偏差及水平度均控制在3mm范圍內,高度偏差均小于5mm,符合設計要求,且混凝土支柱觀感質量良好。項目通過對施工過程現場跟蹤調查,研究分析下支柱、隔震支座及上支墩施工過程中的難點,得到如下結論。

1)通過嚴謹周密的物料吊重分析及塔式起重機選型設計,將支座分區分類進行運送和堆放,注意大型支座安裝時的吊重需求,對個別特例做好標記,可應對大規模隔震支座吊裝及堆放問題,避免二次倒運。

2)借助BIM技術優化支墩的鋼筋排布,合理設計鋼筋綁扎順序,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,可保障預埋件精準安裝固定。

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

4)現場作業區域設置通道腳手板、水平安全兜網等措施,可保障施工安全,降低風險。依據高差預制短木方并采用柱箍方法,可化解狹窄空間內的上支墩及格構梁模板支設問題。