某歷史文化建筑的加固設(shè)計

李 廠 吳善能 楊小草

(1.同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司,上海 200092;2.同濟大學(xué)建筑工程系,上海 200092; 3.中石化上海工程公司,上海 200120)

0 引 言

歷史文化建筑是人類社會發(fā)展與變遷的見證,具有特定的時代背景,是一部凝固的歷史。新中國成立初期的一些建筑恰好是特定歷史背景下的產(chǎn)物,在我國占有重要的地位,為社會的發(fā)展做出很大貢獻,是一筆豐富的建筑文化遺產(chǎn),其中有些更是成為增強民族凝聚力的“心橋”。

這些建筑經(jīng)歷了半個多世紀(jì)的風(fēng)吹雨打,大多數(shù)外表出現(xiàn)老化、剝蝕現(xiàn)象。有些由于使用功能的改變和結(jié)構(gòu)的不合理改造,結(jié)構(gòu)也受到了不同程度的破壞。這些對建筑物的承載力都會產(chǎn)生顯著影響。更嚴(yán)重的是,這些建筑受制于當(dāng)時建筑技術(shù)水平以及建造材料短缺,絕大部分沒有考慮抗震設(shè)防要求,缺少必要的抗震構(gòu)造措施。即使在當(dāng)時進行了抗震設(shè)計的建筑物,以現(xiàn)行的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)來看,大部分都不滿足要求。由于我國是一個地震多發(fā)的國家,尤其是最近的汶川地震、玉樹地震以及雅安地震,各種建筑都遭受到了不同程度的破壞,特別是一些無構(gòu)造柱、無圈梁的砌體結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的整體性差,延性低,很容易發(fā)生脆性破壞,在地震中倒塌造成大量的財產(chǎn)損失和人員傷亡。因此,對現(xiàn)存的歷史文化建筑進行抗震加固處理是很迫切的和很有必要的。

本文以齊齊哈爾市某磚混結(jié)構(gòu)歷史文化建筑為案例,結(jié)合工程實際情況,在傳統(tǒng)加固方法的基礎(chǔ)上進行改進,針對此工程提出了合適的加固方案以及施工流程,為以后類似歷史文化建筑的加固提供借鑒和參考。

1 工程概況

該建筑為體育館和部分輔樓,結(jié)構(gòu)總體平面呈“L”形(如圖1),長54.6 m,寬53.2 m,總建筑面積12 000 m2。體育館前廳和右側(cè)主樓均為三層,層高4.2 m,體育館看臺觀眾座位下部有一層配套用房。建筑總高度為12.7 m。該建筑為磚混結(jié)構(gòu),建于1958年,外墻厚度490 mm,內(nèi)墻厚度370 mm,現(xiàn)澆樓板厚100 mm。該建筑曾在2007年進行過改造,但是僅限于將原屋面更換為鋼結(jié)構(gòu)屋面。根據(jù)現(xiàn)場檢測報告,磚的推定強度等級為MU7.5,砂漿的推定強度等級為M10,所有結(jié)構(gòu)均沒有圈梁和構(gòu)造柱。該建筑加固后抗震設(shè)防烈度為7度,場地類別為Ⅱ類,地基承載力140 kPa,基礎(chǔ)均為毛石基礎(chǔ)。本次加固改造設(shè)計后續(xù)使用年限為30年。

圖1 結(jié)構(gòu)平面圖(單位:mm) Fig.1 Structure plan view (Unit:mm)

2 方案選擇

根據(jù)建筑使用要求和現(xiàn)場情況,拆除體育館看臺和原有的角鋼桁架屋頂。考慮到盡量不增加或者減小屋面荷載,新增加的屋面均采用鋼結(jié)構(gòu)。

根據(jù)檢測報告,該建筑結(jié)構(gòu)沒有采取相應(yīng)的抗震設(shè)防措施。根據(jù)現(xiàn)有實測數(shù)據(jù),采用YJK-M軟件對結(jié)構(gòu)進行建模計算,結(jié)果顯示砌體在地震作用下的抗剪、抗彎和高厚比均滿足要求。由于部分房間改成了健身房和拳擊館,活荷載增加較大,該部分的梁板柱承載力不滿足。

考慮到該建筑無抗震構(gòu)造措施,加固設(shè)計需新增加構(gòu)造柱、圈梁(圖2)。對于梁板柱承載力不滿足,則采用粘貼碳纖維布的方法進行加固。

本建筑是文化類建筑,甲方要求“修舊如舊”,不能破壞外墻面。傳統(tǒng)的設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱、圈梁、內(nèi)橫墻加鋼拉桿的抗震加固方法(即捆綁式抗震加固法),安全可靠,明顯提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌能力。然而,該加固方法需要現(xiàn)場支模、綁扎鋼筋、澆筑混凝土等,工序復(fù)雜,施工周期長,使用過程中拉桿容易出現(xiàn)銹蝕和松弛而失去承載能力,且外露結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影響了建筑物的原有風(fēng)貌和景觀。綜合分析各種加固方案并根據(jù)工程實際情況,對磚混結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)捆綁式加固方法進行改進,采用裝配嵌入式方形鋼管混凝土構(gòu)造柱、圈梁和拉桿的做法。采用這種改進的加固方法,不但可以減小構(gòu)造柱的尺寸,而且不影響外墻立面。由于本工程外墻厚度均為490 mm,內(nèi)墻厚度均為370 mm,這樣新增結(jié)構(gòu)對原結(jié)構(gòu)的影響相對較輕。這種加固砌體結(jié)構(gòu)的方法,采用低度預(yù)應(yīng)力張拉保證新老構(gòu)件共同工作,能夠充分發(fā)揮各抗震構(gòu)件的抗震能力,保證結(jié)構(gòu)的整體安全。

3 加固方法概述

裝配嵌入式方形鋼管混凝土構(gòu)造柱、圈梁和拉桿的加固方法增強了結(jié)構(gòu)之間的相互約束,提高砌體結(jié)構(gòu)房屋的剛度,進而提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。新增的圈梁除了加強樓屋蓋整體性以外,還兼具改善縱橫墻連接的可靠性作用。

1) 嵌入式構(gòu)造柱

構(gòu)造柱是約束和改善磚混結(jié)構(gòu)變形、提高結(jié)構(gòu)的延性、提高結(jié)構(gòu)的抗震抗剪能力的關(guān)鍵構(gòu)件。

圖2 圈梁、構(gòu)造柱布置圖(單位:mm)Fig.2 Layout diagram of ring beams and structural columns (Unit:mm)

方形薄壁鋼管混凝土構(gòu)造柱是將混凝土灌入封閉的鋼管中形成的一種組合。具有承載力高、耗能性強、延性好的特點。薄壁鋼管受壓易發(fā)生屈曲變形破壞,臨界承載力不穩(wěn)定。在鋼管中灌注混凝土則起到了對鋼管變形的約束作用,在受壓荷載作用下,延緩了受壓時縱向開裂破壞,同時由于混凝土的存在,也避免或延緩了薄壁鋼管變形發(fā)生屈曲破壞,這兩種材料結(jié)合既能夠避免彼此的弱點也充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢。“揚長避短”大大的改善了混凝土的塑性和韌性,結(jié)構(gòu)抗震性能的提高也非常明顯。同等情況下,與鋼筋混凝土構(gòu)造柱相比,可以適當(dāng)減小鋼管混凝土構(gòu)造柱的截面尺寸,但卻不會減小承載力和變形性能。嵌入式構(gòu)造柱相對于傳統(tǒng)外加式的最大優(yōu)點是構(gòu)造柱嵌進墻體內(nèi),不會對原建筑物的風(fēng)貌和美觀造成嚴(yán)重影響。尤其適合應(yīng)用于要求“修舊如舊”的歷史文化建筑。而且這種加固方法也縮短了施工周期,簡化了施工程序。

嵌入式構(gòu)造柱(圖3)施工重難點是按設(shè)計圖紙在外墻上相應(yīng)的位置開嵌入槽。為了便于將方鋼管柱放進去,并留有灌膠縫隙,一般開槽尺寸比構(gòu)造柱截面大2～3 mm。這樣的施工處理使柱與墻牢固地連在一起,兩者能夠很好的共同工作。

施工時按照開槽、嵌入方鋼管、圈梁與墻體連接、灌注構(gòu)造柱混凝土的程序進行。方鋼管嵌入后直接灌注結(jié)構(gòu)用改性環(huán)氧樹脂膠,將柱與墻粘為一體。在方鋼管下部留混凝土排氣孔,混凝土的澆筑按照軸線分段分區(qū)交互施工。混凝土采用C30干拌原料自密實性豆石混凝土,這種混凝土早強、高強,現(xiàn)場加水?dāng)嚢杓纯墒褂?不用振搗就可自行填滿全部空隙,具有微膨脹性,灌注后無收縮,能保證鋼管與混凝土的密切接觸和共同工作。5 mm厚方鋼管長度按照6 m一節(jié),鋼管接長采用外套接長方法,套管與原鋼管端口連續(xù)角焊縫焊接,套管長度為300 mm (圖4)。鋼管每4 m高度開100 mm×150 mm洞口用于灌注自密實混凝土,灌注到洞口下端300 mm處再把洞口焊上(圖5)。

圖3 鋼管混凝土柱立面示意圖(單位:mm)Fig.3 Elevation schematic diagram of concrete-filled steel tube column (Unit:mm)

圖4 鋼管接長示意圖(單位:mm)Fig.4 Steel tube connection schematic diagram (Unit:mm)

圖5 鋼管開洞示意圖(單位:mm)Fig.5 Steel tube opening schematic diagram (Unit:mm)

由于該建筑已經(jīng)使用了60年左右,而且本次加固增加的荷載很小,根據(jù)相關(guān)文獻[2],地基基礎(chǔ)承載力增加10%～20%,因此本項目地基不用加固。方形鋼管混凝土構(gòu)造柱直接落在地圈梁上,地圈梁以下基礎(chǔ)保留不動。

2) 圈梁和拉桿

為了減小對建筑立面的影響,墻體內(nèi)外側(cè)均采用扁鋼組成圈梁。扁鋼圈梁每層設(shè)置一道并與體育館部分拉通(圖2)。扁鋼圈梁在墻內(nèi)側(cè)緊貼樓板布置,用環(huán)氧樹脂膠粘貼在墻面上,墻外部用100 mm×10 mm鋼板連續(xù)粘貼在與內(nèi)側(cè)扁鋼相對應(yīng)位置,再用M16螺栓穿墻,把兩側(cè)鋼板連接在一起,螺栓間距500 mm (圖6)。在進行注膠前進行扁鋼圈梁與方形鋼管混凝土構(gòu)造柱的焊接(圖7),防止焊接產(chǎn)生的溫度對結(jié)構(gòu)膠的破壞。通長鋼板接長采用45°傾斜對接剖口焊縫。擱置鋼結(jié)構(gòu)桁架的墻體,頂端直接澆筑490 mm×400 mm的混凝土圈梁作為桁架的支座。

圖6 外墻與圈梁的連接(單位:mm)Fig.6 The connection between exterior wall and ring beam (Unit:mm)

橫墻拉桿也使用扁鋼(圖8)。扁鋼貼墻鋪設(shè),采用防銹砂漿保護,對扁鋼施加一定的應(yīng)力使其拉直。這增強了扁鋼拉桿與墻體的協(xié)同工作,減小了后加構(gòu)件的應(yīng)力滯后現(xiàn)象,也加強了新舊結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作能力,保證地震時能馬上進入工作狀態(tài)。

圖7 外墻圈梁與構(gòu)造柱的連接(單位:mm)Fig.7 Connection between exterior wall and structural column (Unit:mm)

圖8 縱橫墻交接處的拉桿加固詳圖(單位:mm)Fig.8 Reinforcement detail of intersection between vertical and horizontal wall (Unit:mm)

扁鋼材料選用Q235B,100 mm×10 mm截面,兩端用M20的螺桿連接。為了施工和張拉方便,在扁鋼兩端焊接底座(圖9),支座板上開Φ22孔,在扁鋼支座兩端的橫墻上每端開240 mm×180 mm×60 mm孔。扁鋼布置在樓板下100 mm處,剔除磚墻墻面抹灰層,沿扁鋼拉結(jié)方向開180 mm×25 mm槽,扁鋼置入其中,使用扭力扳手擰緊螺栓張緊扁鋼后,用防銹砂漿抹面(圖10)。扁鋼沿橫墻方向拉通,遇有縱墻阻隔則設(shè)置M20的連接螺桿(圖11)。

4 施工流程

圖9 拉結(jié)扁鋼底座(單位:mm)Fig.9 Rachel flat steel base (Unit:mm)

圖10 扁鋼圈梁端部連接圖(單位:mm)Fig.10 End connection diagram of flat steel ring beam (Unit:mm)

圖11 扁鋼圈梁縱橫墻交接處連接圖(單位:mm)Fig.11 Connection diagram of intersection between vertical and horizontal walls on flat steel ring beam (Unit:mm)

(1) 按照設(shè)計圖紙要求準(zhǔn)備好加固用構(gòu)件。薄壁方形鋼管、組合圈梁鋼板、拉結(jié)螺栓等,還有高流動微膨脹自密實豆石混凝土、粘結(jié)用結(jié)構(gòu)膠及相關(guān)的施工機具。

(2) 開挖基礎(chǔ)。外墻周圍構(gòu)造柱位置按照設(shè)計圖紙要求開挖基坑。深度到地圈梁頂面。

(3) 墻體鑿槽成型。在外墻外側(cè)依照設(shè)計圖紙標(biāo)定構(gòu)造柱位置。按照構(gòu)造柱嵌入墻體內(nèi)的尺寸,通過機械鋸切割和電刨剔鑿,在墻體上打出規(guī)整的柱槽,清洗及吹凈粉塵,準(zhǔn)備嵌槽使用。

(4) 將方形鋼管嵌入槽中。把薄壁鋼管嵌入槽中,鋼管接長應(yīng)在嵌入前完成。由下至上嵌入,要求墻面與鋼管表面平整一致,然后按鋼板耳孔位置在墻上鉆孔。清孔后注入結(jié)構(gòu)膠,插入連接螺桿,待結(jié)構(gòu)膠固化后再擰緊螺栓,完成方形鋼管柱與承重墻的拉結(jié)。

(5) 安裝外墻組合圈梁。組合圈梁施工包括鋼板、墻之間的螺桿連接,組合圈梁鋼板自身的接長以及與方形鋼管表面的焊接。

5 結(jié) 論

(1) 針對齊齊哈爾市某歷史文化建筑的實際情況,采用方鋼管混凝土嵌入式構(gòu)造柱、扁鋼圈梁和拉桿的加固方案,有效增強了砌體結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力,提高了結(jié)構(gòu)的整體延性。而且建筑外立面在施工完成后,稍加處理即可恢復(fù),對外立面基本沒有影響。

(2) 該加固方法只在房屋外圍增加構(gòu)造柱和圈梁,內(nèi)部只是增設(shè)鋼拉桿,施工過程中室內(nèi)設(shè)備、人員無須遷出,施工簡便、速度快。

(3) 對具有歷史意義的文化建筑,選擇抗震加固方法時,應(yīng)積極探索,多方案比較優(yōu)劣,采取既安全可靠又不影響原建筑風(fēng)格的加固措施。

通過采用本文的設(shè)計方法對該建筑進行全面、系統(tǒng)的抗震加固,達到了提高承載力水平、改善抗震性能和內(nèi)部升級改造的目的,使這座老建筑得以重新恢復(fù)甚至超越其往日的風(fēng)采。本文所述加固方法可供今后砌體結(jié)構(gòu)歷史文化建筑抗震加固借鑒。