上海世博會法國館改造前抗震鑒定

■ 陳小杰 CHEN Xiaojie

0 引言

2010 年，以“城市，讓生活更美好”為主題的世博會在上海成功舉辦。盛會中建成的一大批形態各異的臨時展館，融合了多種創意元素，兼具技術與藝術價值，具有一定的文化象征，日益成為城市的特色標識和公眾的時代記憶，如：以“東方之冠”為構思的中國國家館、以“創意之館”為主題的英國館、以“亦小亦美”為主題的盧森堡館、以“城市與人”為主題的俄羅斯館、以“生命的活力”為主題的沙特館等。隨著世博會的落幕，世博標識性建筑的后續利用工作對延續世博精神、提升空間品質具有重大意義。基于實際情況，多數世博展館為臨時建筑，結構計算時對地震作用有所折減。因此，在改造利用展館的同時，需對場館的抗震能力進行檢測和鑒定，并針對不滿足抗震要求的情況進行適當加固處理。本文將重點介紹上海世博會法國館改造項目的抗震鑒定工作。

1 工程概況

1.1 建筑概況

法國館位于原世博會C 片區，建造于2010 年，占地面積864 m2，建筑面積約7 620 m2，建筑外包總尺寸64.4 m×70.4 m。房屋局部地下1 層，地上4 層（局部5 層），主要作為展館使用。

場館底層設有管理、快餐、紀念品出售等功能，入口位于房屋的南立面西側，參觀者可以沿著底部過道繞中央庭院參觀，也可以沿著南立面的自動扶梯直達位于屋面的展館入口[1]。

場館外層的方鋼管網格是它最具特色的地方[1]。外層網格脫離于建筑主體約3.0 m，令場館外表呈現出更加貼近城市的親切肌理。

場館的展覽空間由一段段圍繞著中央庭院的連續折線狀上升空間組成，展覽流線布局清晰。其整體流線為：由南側自動扶梯直達場館頂層，進入展館入口；然后沿各層展示通道逐漸向下，到達位于二層的展館出口；再經坡道到達地面出口（圖1）。展廳各段折線狀展示空間均為有坡度的展廊形式[1]，坡度較緩，使觀者如履平地，其三層建筑平面圖見圖2。

展館的輔助空間如辦公、儲藏、衛浴、廚房等均分布于展館外側，并通過位于建筑四角的疏散樓梯形成其專門的交通流線。相對于展示空間，該空間較為獨立[1]（圖2）。

1.2 結構概況

本場館為鋼框架結構房屋，其結構體系由主體結構、圍護網格結構和屋面花園附屬結構（現已拆除）組成。其中，主體結構采用H 型鋼和方鋼管組成的多層多跨框架結構，同時承受豎向荷載和水平荷載（風和地震）；建筑四周的圍護為殼體結構，其平面構造相對穩定，底部通過部分斜桿延伸形成的桁架與基礎相連，側向通過拉桿和壓桿與主體結構鉸接相連，保證了平面外的穩定性；為了提高結構的抗側剛度，使附屬網格結構與主體結構共同抵抗水平荷載作用，在建筑平面各邊中部沿水平方向的各樓層位置設置水平桁架，確保水平力有效傳遞[2]。

世博會場館上部結構鋼柱主要采用H450×300×14×32、H300×300 ×12×30等，鋼梁主要采用H450 ×300×12×20、H400×300×12 ×20、H350×300 ×10×16、H500 ×300×12×25等，樓屋面主要采用壓型鋼板混凝土組合樓面，型號為YXB51-305-915，板厚100 mm、131 mm等。混凝土部分強度等級為C30，鋼材主要為Q345B級鋼材。房屋結構平面圖詳見圖3、4。

圖2 三層建筑平面示意圖

場館基礎采用樁筏基礎，地下室底板板底標高為-6.20 m，其余區域底板板底標高為-0.63 m。工程樁采用開口鋼管樁，鋼管樁尺寸為D508×11、D325×6，樁長主要為13 m、18 m，單樁豎向抗壓承載力設計值約為740 kN、410 kN；單樁承臺截面尺寸主要有800 mm×800 mm、1 000 mm ×1 000 mm 兩種，兩樁承臺截面尺寸為1 000 mm ×2 500 mm，三樁承臺截面尺寸為2 300 mm×2 654 mm（三角形布樁），四樁承臺截面尺寸為2 500 mm×2 500 mm，承臺厚度為1 000 mm；地下室底板厚度主要為500 mm，水池底板厚度為250 mm等。

2 初步改造方案

本次對法國館的改造將遵循原有建筑設計概念，盡可能保留及恢復場館原有樣貌。在保留其世博文化屬性的同時，結合現有公園景觀，使建筑更好地在新環境中煥發新的生機。改造后，建筑將主要用于展廳、咖啡廳、辦公等，其主要改造內容及功能如下：①負一層低壓配電間、水處理間、灌溉水設備間改造為灌溉及生活水泵房；②一層主入口兩側原安保（消控中心）、團體等候間改造為設備用房，東側商店改造為衛生間；③二層北側展廳區域改造為咖啡廳，西側會議廳區域改造為展廳，西南側公共前區改造為展廳；④三層環向公共前區改造為展區；⑤四層環向公共前區改造為展區，西側辦公室改造為衛生間及樓梯間，東側設備間改造為辦公室及樓梯間；⑥五層拆除屋頂東西側后期加建，恢復原有屋頂花園景色；⑦房屋東側及西側各增加兩部通高樓梯間。

3 結構檢測

圖3 二層結構平面示意圖

圖4 三層結構平面示意圖

根據房屋設計施工圖紙，對場館建筑平面布置、結構體系進行復核，并檢測結構構件截面尺寸、鋼材材料強度、鋼構件銹蝕率、鋼構件焊縫質量、結構損壞情況、鋼框架柱垂直度及大跨度構件撓度進行現場檢測測量，得到場館的整體現狀。主要檢測結果如下：

（1）建筑平面布置與原設計圖紙基本相符，存在局部區域增設分隔墻及屋面搭建的情況。

（2）結構體系及結構構件截面尺寸與原設計圖紙基本相符。

（3）鋼材的強度基本滿足Q345B 的設計要求。

（4）抽檢的鋼柱銹蝕較為明顯，銹蝕深度平均值為0.3 mm，鋼材銹蝕率平均值為1.0%。經分析，房屋結構構件未見普遍銹蝕現象，對構件承載力無明顯不利影響。

（5）對鋼柱、鋼梁抽檢的共計23 條對接焊縫進行超聲檢測，發現有2 條對接焊縫不合格，其余21 條對接焊縫均未發現可記錄性缺陷。

（6）外立面主要外裝飾內側設備蓋板普遍存在滲水銹蝕現象，且外立面局部型鋼涂層開裂、局部鋼柱根部銹蝕、部分鋼柱銹蝕嚴重，未發現因承載力不足或不均勻沉降引起的開裂或變形現象。

（7）柱垂直度偏差基本滿足《鋼結構工程施工質量驗收規范》（GB 50205—2001）允許偏差要求，抽測的大跨梁撓度基本滿足《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）的要求。

4 抗震鑒定

4.1 抗震設防基本要求

按照《建筑工程抗震設防分類標準》（GB 50223—2008）、上海市工程建設規范《現有建筑抗震鑒定與加固 規 程》（DGJ 08—81—2015）、上海市工程建設規范《建筑抗震設計規 程》（DGJ 08—9—2013）、國家標準《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）的規定，法國館按照標準設防（丙類）、抗震設防烈度7度、基本地震加速度0.1 g、地震分組第二組、場地類別IV 類、抗震鑒定分類C 類建筑（后續使用年限50 年），從地基和基礎、一般規定、抗震構造措施等方面進行抗震鑒定。

4.2 抗震構造措施復核

對一般規定、抗震構造措施的復核結果表明，法國館高度、高寬比、樓屋蓋等一般規定滿足要求；框架柱長細比、板件寬厚比、梁與柱的連接構造等抗震構造措施基本滿足現行規范要求。

4.3 結構承載力驗算

根據房屋改造方案及建筑、結構現狀檢測結果，按照《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB 50068—2018）、《建筑抗震設計規程》（DGJ 08—9—2013）、《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）、《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）、《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）等現行標準，采用3D3S 軟件計算，計算模型如圖5 所示。

（1）計算主要參數為：鋼框架結構構件取設計值Q345B，彈性模量2.06×105N/mm2，泊松比0.30，線膨脹系數1.20×10-5，密度為7 850 kg/m3。

（2）恒載：樓面及屋面附加恒載4.0 kN/m2，屋面綠化15 kN/m2，綠化吊掛內圈鋼梁布置10 kN/m 線荷載等。

（3）活荷載：鋼平臺3.5 kN/m2、樓梯3.5 kN/m2、展廳3.5 kN/m2、會議室2.0 kN/m2、咖啡廳2.5 kN/m2、衛生間2.5 kN/m2、設備間7.0 kN/m2、廚房4.0 kN/m2、餐廳2.5 kN/m2，餐廳屋面2.0 kN/m2、屋頂花園3.0 kN/m2。

（4）溫度荷載：溫度荷載取值為正負30℃。

（5）地震作用：設防烈度7度（相當于0.1g，注：g 為重力加速度），設計地震分組二組，場地類別IV 類，特征周期0.9 s，鋼框架抗震等級四級。

（6）風荷載：基本風壓取值0.55 kN/m2，地面粗糙度類別B 類。

在地震力作用下，結構以扭轉為主的第一自振周期與以平動為主的第一自振周期之比為：1.31828/1.52171 =0.87<0.9，X 方向質量參與系數為91.40%，Y 方向質量參與系數為93.14%，滿足規范要求。多遇地震作用下，存在局部鋼梁承載力不足、個別鋼梁長細比不足、個別鋼梁穩定不足、個別鋼柱承載力不足等問題。

4.4 基礎承載力評估

選取典型的樁基進行基礎承載力驗算、考慮腐蝕情況下樁身結構強度驗算、樁基抗震承載力復核。對柱底最不利處標準組合基礎承載力進行驗算復核，結果基本滿足要求。由于開口鋼管樁受地下水等微腐蝕環境影響，故對扣除腐蝕影響后的樁身強度進行驗算復核，在微腐蝕環境影響下，場館開口鋼管樁在目標使用年限內的樁身承載力滿足設計要求。在地震作用效應和其他作用效應的基本組合下，低承臺樁基抗震驗算中的單樁豎向承載力滿足要求。

4.5 典型節點連接驗算

法國館大部分連接節點均采用坡口全熔透焊的等強剛接，鉸接節點較少。為明確典型鉸接連接節點受力情況，選取受力特點具有普遍性、荷載最不利梁的梁節點，按照《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017），對節點板、單面受剪螺栓、螺栓群最大剪力、節點板焊縫、加勁板焊縫應力進行復核驗算。

根據典型節點驗算結果，典型梁梁鉸接節點的抗剪承載力、節點板承載力、螺栓單面受剪承載力、螺栓群最大剪力、節點板焊縫承載力、加勁板焊縫承載力均滿足要求，但梁鉸接節點處螺栓垂邊距、螺栓中心距不滿足現行標準要求。

5 鑒定結論及加固建議

根據改造方案，場館改造后主要作為展廳、咖啡廳、辦公等，結構改動主要為房屋東側及西側各增建兩部通高樓梯間、拆除屋頂東西側后期加建部分，整體豎向荷載無明顯增大，僅個別區域因使用功能改變較原設計荷載有所增加。

綜合以上檢測鑒定結果，按照初步改造方案，場館主體結構基本完好，局部鋼梁承載力不足、個別鋼梁長細比不足、個別鋼梁穩定不足、個別鋼柱承載力不足，部分梁的梁鉸接節點處螺栓垂邊距、螺栓中心距不滿足現行標準要求，初步改造方案可行，但應采取措施對強度及穩定性不足的構件進行加固，對節點處螺栓順邊距、垂邊距不足進行處理，同時，應對滲水、鋼構件銹蝕等損壞對癥修繕。具體方案如下：

（1）對強度不足的構件可采用增大截面法、粘貼鋼板等方法進行加固；對穩定性不足的構件可采用增設加勁肋的方法進行加固；對于結構不規則部分，建議采取適當的加強措施，如采用加大周邊構件剛度、加大樓層側向剛度等方法進行加固。

（2）房屋存在局部鋼構件銹蝕、涂層起皮脫落等損壞，應結合此次改造，做好鋼結構構件的除銹涂裝工作，定期對主要承重構件進行維護保養；對房屋出現的其它損壞現象，建議進行對癥修繕。

圖5 計算模型圖

（3）因部分鋼結構鉸接連接節點螺栓抗剪承載力富余量較小，后續使用過程中，應嚴格控制使用荷載。

（4）鋼結構的加固設計，應與實際施工方法緊密結合，采取有效措施，保證新增構件及部件與原結構連接可靠、新增截面與原截面結合牢固，形成整體共同工作；并應避免對未加固部分及相關結構、構件和地基基礎造成不利影響。

（5）改造應在充分考慮周圍建筑現狀的情況下優化施工設計方案；施工過程中不得擾動原地基基礎；同時，應注重對房屋原有結構、填充墻體等圍護結構完損狀況的巡查，及時制定施工中原有結構出現意外損壞后的應急處理措施。

6 結語

由于世博會期間的大部分場館是按照《世博會臨時建筑物、構筑物設計標準》設計，作為臨時建筑，結構重要性系數取為0.9，多遇地震作用下的截面抗震驗算時，丙類建筑地震作用折減系數取為0.65，各方面設計指標均有所放松。此次法國館作為保留建筑進行改造，根據現行規范要求，結構重要性系數、地震作用等較原設計均有所提高，存在部分承重構件承載力不滿足現行規范要求的情況，因此，在改造和利用展館的同時，對場館的抗震能力進行檢測和鑒定，為后續改造設計提供技術依據，也可對同類臨時建筑改造項目的檢測鑒定提供參考。