某文物保護(hù)建筑加固改造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳曦

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

1 工程概況

楊浦區(qū)機(jī)關(guān)老行政辦公樓位于楊浦區(qū)西南角，惠民路與懷德路交叉口。原建筑始建于1927年，建筑平面呈“凹”形，東西向長132m，南北向長28m，地上5 層（局部6 層），總高17.1m，有局部地下室，建筑面積8207m2。改造后的建筑立面效果見圖1。

圖1 改造后建筑效果圖

2 結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及加固改造方案

原建筑由4 棟單體組成，均為內(nèi)框架砌體結(jié)構(gòu)，單體之間設(shè)置防震縫。外墻厚度為762～229mm，沿高度逐層減小；樓蓋形式為密肋樓蓋，肋高152mm，肋間距305mm，板面厚51mm；基礎(chǔ)形式采用鋼筋混凝土墻下條基加木樁，樁徑203mm，樁長8.53m。根據(jù)抗震鑒定報(bào)告，房屋整體向西、向南傾斜，部分角部實(shí)測相對傾斜已超過7‰，超過砌體房屋傾斜率4‰的限值。南側(cè)中間偏西區(qū)段外墻出現(xiàn)嚴(yán)重的開裂損壞，裂縫發(fā)展有惡化趨勢。混凝土構(gòu)件內(nèi)大部分鋼筋已開始銹蝕，且部分構(gòu)件鋼筋碳化嚴(yán)重。由于結(jié)構(gòu)年久失修，既有建筑空間不能滿足現(xiàn)代辦公需求，因此，采用了保留建筑外墻、內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體托換的加固改造方案。

3 關(guān)鍵技術(shù)路線

原建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的整體托換過程實(shí)質(zhì)上是新、舊結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換過程，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)如何充分利用原有結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)新、舊結(jié)構(gòu)體系分步轉(zhuǎn)換及協(xié)同作用，即如何協(xié)調(diào)內(nèi)部舊結(jié)構(gòu)拆除與新結(jié)構(gòu)重建的矛盾，是本工程需要解決的主要問題。

3.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體托換

保留外墻進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)托換（換膽工藝）是本工程的核心，主要分3個(gè)階段：外墻加固→基礎(chǔ)托換→上部結(jié)構(gòu)托換。施工過程中須加強(qiáng)監(jiān)測，如進(jìn)行外墻測斜、沉降監(jiān)測、鄰近建筑物變形監(jiān)測等，發(fā)現(xiàn)問題時(shí)及時(shí)采取措施。

3.1.1 外墻加固

外墻由普通燒結(jié)磚砌筑，主要損傷表現(xiàn)為墻面粉刷空鼓、起皮，部分粉刷層脫落，水跡嚴(yán)重，有開裂情況。對開裂的外墻先進(jìn)行壓力灌漿處理，并鏟除原有墻體內(nèi)粉刷，將灰縫剔除至5～10mm，用鋼絲刷清理殘灰，吹凈表面，灑水濕潤，噴灑界面劑（純水泥漿）砂漿強(qiáng)度大于M10，采用噴射法施工，砂漿厚度為35～50mm，內(nèi)配φ6mm@200mm 單層雙向鋼筋網(wǎng)片，設(shè)置扶壁柱【1】，外墻加固做法見圖2。

圖2 外墻加固做法

3.1.2 基礎(chǔ)托換

新建基礎(chǔ)形式采用梁筏+錨桿靜壓樁，錨桿樁截面尺寸為250mm×250mm，樁長17.5m。筏板底面置于老基礎(chǔ)頂面之上，在外墻上切割400mm×400mm@1500mm 的孔，將新結(jié)構(gòu)與外墻澆筑在一起【2】（見圖3）。為避免連續(xù)大面積開挖引起的外墻失穩(wěn)，應(yīng)采用小挖機(jī)+人工配合的方式進(jìn)行分段開挖，施工段長度控制在15～20m，一段基礎(chǔ)施工完畢后，再進(jìn)行下一施工段開挖。錨桿靜壓樁施工時(shí)應(yīng)采取減小擠土效應(yīng)的措施。

圖3 基礎(chǔ)剖面示意圖

3.1.3 結(jié)構(gòu)托換施工次序及主要工況驗(yàn)算

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將新、老結(jié)構(gòu)的梁、柱平面位置完全錯(cuò)開，這樣，在施工時(shí)無論是新結(jié)構(gòu)還是保留部分都有相對完整的結(jié)構(gòu)單元。施工次序及主要工況如下：基礎(chǔ)托換→施工1、2 層支撐（工況1）→拆除原2 層梁板（工況2）→施工新2 層梁板（工況3）→施工3 層支撐并拆除1 層支撐（工況4）→拆除原3 層梁板（工況5）→施工新3 層梁板（工況6）→施工4 層支撐并拆除2 層支撐（工況7）→拆除原4 層梁板（工況8）→施工新4層梁板（工況9）→施工5 層支撐并拆除3 層支撐（工況10）→拆除原5 層梁板（工況11）→施工新5 層梁板（工況12）→拆除屋面梁板（工況13）→施工新屋面梁板（工況14）→從上而下拆除老結(jié)構(gòu)及臨時(shí)支撐（工況15）。施工期間主要受風(fēng)荷載影響，取10a 期基本風(fēng)壓0.40kN/m2；地面粗糙度C 類；體型系數(shù)迎風(fēng)面0.8，背風(fēng)面-0.6。選取8個(gè)典型剖面，按照圖4 的平面模型進(jìn)行施工工況模擬驗(yàn)算，控制性工況為2、5、8 、11、13 工況，取包絡(luò)結(jié)果作為柱間支撐設(shè)計(jì)依據(jù)，支撐截面采用2∠63×5（熱軋等邊雙角鋼）。經(jīng)計(jì)算，工況2 下結(jié)構(gòu)頂部位移最大，位移值19.01mm，為結(jié)構(gòu)總高的1/900，所有構(gòu)件強(qiáng)度均滿足要求。

3.1.4 原結(jié)構(gòu)無樓板承載力復(fù)核

內(nèi)部結(jié)構(gòu)置換過程中，柱間支撐與原有梁柱形成了2 道抗側(cè)力防線。當(dāng)結(jié)構(gòu)遇到小概率的極端事件，如強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，支撐體系作為第一道防線率先屈服，水平力將傳遞給原結(jié)構(gòu)。因此，有必要對原結(jié)構(gòu)在樓板拆除后的水平承載能力進(jìn)行驗(yàn)算。經(jīng)計(jì)算，95%的構(gòu)件配筋均能滿足設(shè)計(jì)要求，可見由支撐-原結(jié)構(gòu)形成的抗側(cè)力體系具有較高的安全度。

3.2 新老結(jié)構(gòu)沉降差的控制

老結(jié)構(gòu)拆除后土體回彈，新結(jié)構(gòu)建成后土體重新壓縮，新、老結(jié)構(gòu)的重量差別導(dǎo)致沉降不一致，必然存在沉降差。通過控制新結(jié)構(gòu)的最終絕對沉降量，間接控制沉降差。具體措施為：（1）采用補(bǔ)償式基礎(chǔ)（見圖3），在±0.00 處設(shè)置架空板，減輕基礎(chǔ)自重，減小附加壓力；（2）采用錨桿靜壓樁減小沉降量。經(jīng)計(jì)算，最大沉降量僅為27mm，外墻與相連內(nèi)部結(jié)構(gòu)沉降差4mm，滿足規(guī)范要求。

3.3 外墻與新結(jié)構(gòu)的可靠連接

外墻自重通過自身傳遞給原墻下條基，所以，外墻與新結(jié)構(gòu)的連接主要考慮水平力的傳遞。考慮到結(jié)構(gòu)超長，新建筑分為3個(gè)結(jié)構(gòu)單元：W 區(qū)、S 區(qū)及E 區(qū)，采用剛度大、水平位移小的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，見圖5。抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7 度（0.10g），設(shè)計(jì)地震分組第二組，Ⅳ類場地【3，4】。經(jīng)計(jì)算，新結(jié)構(gòu)在地震作用下的層間位移角約1/2000，極小的層間位移降低了連接處的內(nèi)力，使節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)變得容易。根據(jù)前文3.2節(jié)，本工程總沉降量與差異沉降都比較小，因此，外墻與新結(jié)構(gòu)之間采用剛性連接，典型連接節(jié)點(diǎn)見圖6。

圖4 施工次序及主要工況

圖5 新結(jié)構(gòu)模型軸測圖

圖6 外墻與新結(jié)構(gòu)典型連接節(jié)點(diǎn)

4 結(jié)語

本工程是對文物保護(hù)建筑的加固改造，技術(shù)條件復(fù)雜，采用了保留外墻、內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體托換的設(shè)計(jì)方法，得到以下結(jié)論：

1）通過施工次序的合理設(shè)計(jì)以及主要工況驗(yàn)算，可以保證結(jié)構(gòu)整體托換的安全可靠，目前新大樓已投入使用；2）采用錨桿靜壓樁及補(bǔ)償式基礎(chǔ)將新、老結(jié)構(gòu)的沉降差控制在一個(gè)較小的范圍；

3）新結(jié)構(gòu)采用剛度大、水平位移小的結(jié)構(gòu)形式，保證外墻與新結(jié)構(gòu)的連接可靠。