某優(yōu)秀歷史建筑改造加固實(shí)例分析

白永莉 樊跟牛

(1.中國(guó)建筑設(shè)計(jì)咨詢公司，北京 100120;2.北京金港機(jī)場(chǎng)建設(shè)有限責(zé)任公司，北京 100000)

一個(gè)城市的建筑，記錄著城市發(fā)展的滄桑歲月。其中，那些標(biāo)志著當(dāng)時(shí)文化和科學(xué)水準(zhǔn)，或者具有特殊人文意義的歷史建筑，會(huì)使人們看到城市綿延不斷的歷史，同時(shí)，也使一個(gè)城市永遠(yuǎn)煥發(fā)著魅力和光彩。采用科學(xué)合理可靠的方法對(duì)優(yōu)秀歷史建筑進(jìn)行鑒定和加固是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，具有重要的實(shí)際意義。本文以某優(yōu)秀歷史建筑鑒定與加固技術(shù)為工程背景，深入研究?jī)?yōu)秀歷史建筑的安全性評(píng)估技術(shù)和修繕加固技術(shù)，不僅具有較強(qiáng)的理論意義，而且具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)指導(dǎo)類(lèi)似工程具有重要意義。

1 工程概況

該優(yōu)秀歷史建筑在簡(jiǎn)潔中合理運(yùn)籌各項(xiàng)功能，建筑面積約5 050 m2，用作辦公樓。該樓建筑平面近似“H”形，主體為3層混凝土框架結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)底層層高4.1 m，其余均為3.9 m;建筑原主體結(jié)構(gòu)共分為五大結(jié)構(gòu)分區(qū)(A，B，C，D，E)，各結(jié)構(gòu)分區(qū)間設(shè)有沉降縫，各分區(qū)之間的上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)都相對(duì)獨(dú)立，基礎(chǔ)采用柱下鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，除A區(qū)外，底層的各地面架空層采用水泥砂漿砌短磚柱，短柱上架預(yù)制鋼筋混凝土梁，該區(qū)域地面架空層結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)分開(kāi)，A區(qū)的底層階梯下的柱子采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土短柱，現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁一部分支撐在短柱上，一部分支撐在主體結(jié)構(gòu)的折形連梁上。樓、屋面板為80 mm厚現(xiàn)澆板，板采用直徑6 mm～8 mm分離式配筋，原結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度均不詳，主體結(jié)構(gòu)分區(qū)如圖1所示。

圖1 主體結(jié)構(gòu)分區(qū)

現(xiàn)該建筑需進(jìn)行生態(tài)節(jié)能改造，需增加屋頂花園，部分房間功能的改變，都會(huì)使原結(jié)構(gòu)所承受荷載增加，從而使部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件在改造后不能夠滿足承載力的要求而需要加固，同時(shí)，該建筑使用年限已超過(guò)50年，使用過(guò)程中各種材料都會(huì)存在不同程度老化，材料強(qiáng)度一般都會(huì)變低，部分墻體粉刷層以及頂層的屋面梁還出現(xiàn)了裂縫?？紤]到在改造過(guò)程中需要增設(shè)通風(fēng)井道，這種情況下局部樓板需要開(kāi)孔，開(kāi)孔部位也需要進(jìn)行加固處理。

綜合考慮上述各種因素，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)妥善的加固修繕處理，以確保該優(yōu)秀歷史建筑順利改造，并保證改造后安全使用。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況與結(jié)果

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，該建筑主要存在如下問(wèn)題:被抽查結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋和保護(hù)層厚度總體上符合原設(shè)計(jì)要求，但保護(hù)層厚度略低于現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定要求;部分雨篷有微小裂縫;C區(qū)所有的屋面框架主梁以及部分屋面梁梁底都產(chǎn)生了不同程度的裂縫，縫寬在0.1 mm～0.5 mm不等;C區(qū)范圍內(nèi)的部分屋面板板底沿短跨方向出現(xiàn)裂縫，但裂縫沿整個(gè)截面高度范圍內(nèi)沒(méi)有貫穿，主要是由于屋面板板底的鋼筋銹蝕引起，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)鑿裂縫，發(fā)現(xiàn)裂縫處均有鋼筋，裂縫部位的鋼筋已經(jīng)有銹蝕現(xiàn)象;C區(qū)的屋面板的鋼筋局部有外露且銹蝕的現(xiàn)象;其他區(qū)域的屋面板以及其他樓層的樓板未見(jiàn)混凝土剝落、鋼筋外露、鋼筋銹蝕及混凝土裂縫等損傷現(xiàn)象;個(gè)別柱子的牛腿發(fā)生混凝土剝落以及個(gè)別屋面梁存在鋼筋外露與孔洞現(xiàn)象;混凝土碳化深度檢測(cè)結(jié)果顯示，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件碳化深度較深均在6 mm以上，部分填充墻出現(xiàn)不同程度裂縫，但是鑿開(kāi)墻體粉刷層后未見(jiàn)砌體裂縫貫穿。

現(xiàn)場(chǎng)采用光學(xué)經(jīng)緯儀進(jìn)行測(cè)量，該建筑南北方向向北的最大傾斜率為3.5%，東西方向向東最大傾斜率為2.3%，均在正常范圍之內(nèi)。主樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際截面尺寸與結(jié)構(gòu)布置情況與原設(shè)計(jì)基本吻合，被抽查結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配筋和保護(hù)層的厚度基本符合原設(shè)計(jì)的要求，但是保護(hù)層厚度略低于現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定要求?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件碳化深度均在6 mm以上，采用回彈法與鉆芯修正法進(jìn)行測(cè)試，推定混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C17，采用里氏硬度法推定鋼筋強(qiáng)度250 MPa，滿足原設(shè)計(jì)要求。

3 加固改造設(shè)計(jì)方案選擇

3.1 加固改造原因與要求

通過(guò)本文第一章介紹，該建筑改造過(guò)程中荷載增加，使用年限已超過(guò)50年，材料老化強(qiáng)度下降，墻體粉刷層和屋面梁出現(xiàn)裂縫，局部鋼筋裸露。原設(shè)計(jì)未考慮抗震設(shè)防，抗震性能較差，在改造過(guò)程中需要增設(shè)通風(fēng)井道，局部樓板需要開(kāi)孔，開(kāi)孔部位也需要進(jìn)行加固處理。綜合考慮上述各種因素，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)妥善的加固修繕處理，以確保該優(yōu)秀歷史建筑順利改造，并保證改造后安全使用。改造更新設(shè)計(jì)力圖做到不破壞原有建筑形式和結(jié)構(gòu)體系，繼承和延續(xù)原歷史建筑精神與內(nèi)涵，在當(dāng)代技術(shù)、文化背景下探討現(xiàn)代主義理念的表達(dá)，力求做到簡(jiǎn)潔和高效、美觀和經(jīng)濟(jì)、文化傳承與生態(tài)環(huán)保的統(tǒng)一。

3.2 加固改造計(jì)算分析

由于建筑進(jìn)行改造過(guò)程中，荷載有所增加，因此，根據(jù)建筑的現(xiàn)狀，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(2006年版)的規(guī)定，分別考慮改造前后正常使用極限狀態(tài)還是承載力極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算。

驗(yàn)算時(shí)，材料強(qiáng)度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果取為:混凝土強(qiáng)度等級(jí)按實(shí)測(cè)取為C17;粘土實(shí)心磚按照實(shí)測(cè)取為MU7.5;砌筑砂漿強(qiáng)度根據(jù)實(shí)測(cè)取為M2.5;原結(jié)構(gòu)中的圓鋼按照Ⅰ級(jí)鋼筋其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，原結(jié)構(gòu)中方鋼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)取280 MPa。構(gòu)件截面尺寸按照設(shè)計(jì)取值，抗震驗(yàn)算時(shí)按GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范抗震設(shè)防考慮，采用PKPM軟件對(duì)該建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。

經(jīng)驗(yàn)算，建筑在現(xiàn)使用情況下，上部結(jié)構(gòu)承載力均滿足要求，可以安全地使用。但考慮地震作用后，部分柱子實(shí)際配筋小于抗震計(jì)算要求配筋量，X方向最大層間位移角為1/242，Y方向的最大層間位移角為1/279，超過(guò)規(guī)范限值。建筑結(jié)構(gòu)極限承載力無(wú)法滿足要求，但可以采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧﹣?lái)提高結(jié)構(gòu)的承載能力。原設(shè)計(jì)未考慮抗震設(shè)防的要求，抗震構(gòu)造措施不符合現(xiàn)行規(guī)范要求，如框架梁柱截面尺寸偏小，配筋率偏小，填充墻，墻體砌筑砂漿強(qiáng)度不符合抗震標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定等，結(jié)構(gòu)屬于典型的“強(qiáng)梁弱柱”。

3.3 方案選擇

如果按照現(xiàn)行規(guī)范要求，建筑需進(jìn)行大規(guī)模改造，極有可能破壞建筑的原貌。參考國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀歷史建筑修繕改造做法，多是在保證建筑物安全性、適用性前提下，對(duì)其原有構(gòu)件不做重大改變適當(dāng)提高其承載力，保留其原有的建筑風(fēng)貌，達(dá)到保護(hù)優(yōu)秀歷史建筑的目的。因此，在進(jìn)行方案選擇時(shí)，不僅要考慮承載力的要求，還要考慮抗震構(gòu)造措施，使得加固后結(jié)構(gòu)的承載力和抗震性能都有所提高。

為保證該結(jié)構(gòu)順利改造并保證修繕改造后的安全使用，提出如下加固處理方案:

1)對(duì)于需增加屋頂花園的部位，由于屋頂花園的恒載與活載都較大，而原結(jié)構(gòu)相應(yīng)位置處的梁板截面的尺寸較小，而且配筋又較少，因此需要加固。

建議方案一:增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)架空層，鋼結(jié)構(gòu)架空層的支點(diǎn)直接作用在原結(jié)構(gòu)的框架柱頂上，屋頂花園上的所有荷載直接作用在架空層上，再由架空層傳到柱子及基礎(chǔ);該區(qū)域的框架柱建議采用單面(邊柱內(nèi)面)加大柱截面或濕式外包鋼的方法進(jìn)行加固。但是這種加固方案需要相應(yīng)抬高屋頂花園的標(biāo)高，鋼結(jié)構(gòu)部分的防腐處理和后期維護(hù)比較麻煩，造價(jià)比較高。建議方案二:反梁復(fù)合加固法。在梁的上部增加截面高度250 mm～300 mm左右，再在梁面現(xiàn)澆60 mm～80 mm厚的鋼筋混凝土架空層;梁底用碳纖維和角鋼復(fù)合加固;柱子的處理與方案一相同。該方案需要抬高屋頂?shù)臉?biāo)高，但是室內(nèi)凈空影響不大，后期維護(hù)費(fèi)用少;

2)中部(原結(jié)構(gòu)C區(qū))三樓屋面增加屋頂花園的部位在原屋面板上整澆一層現(xiàn)澆混凝土板或在板底粘貼鋼、碳纖維等材料進(jìn)行加固;承載力不滿足要求的柱可以采取單面增大截面法、濕式外包角鋼法或粘貼碳纖維的方法進(jìn)行加固;對(duì)于C區(qū)通風(fēng)井處各層柱建議采用增大截面法加固，此法還可以提高結(jié)構(gòu)的整體抗震能力;其他不滿足要求的梁可以采用粘貼碳纖維或粘貼鋼板的方法進(jìn)行加固;

3)在改造過(guò)程中局部部位需要增加通風(fēng)井道等設(shè)施進(jìn)行樓板開(kāi)洞，對(duì)于不超過(guò)300 mm的洞口采用粘貼鋼板或碳纖維的方法進(jìn)行加固，超過(guò)300 mm的洞口建議增加鋼梁加固;

4)原結(jié)構(gòu)墻體粉刷層裂縫只需做修繕處理即可，對(duì)于進(jìn)主廳入口部位圓柱頂四周的雨篷混凝土裂縫可以先用結(jié)構(gòu)膠灌實(shí)，再粘貼鋼板或碳纖維;對(duì)于原結(jié)構(gòu)C區(qū)屋面梁裂縫，雖為非受力裂縫，但為防止進(jìn)一步擴(kuò)展，建議對(duì)裂縫作灌縫處理，并在局部粘貼鋼板或碳纖維;

5)由于原設(shè)計(jì)中未考慮抗震設(shè)防的要求，構(gòu)造措施不符合現(xiàn)行規(guī)范要求，在本次改建過(guò)程中，可以在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高該建筑的抗震性能，如可以增大柱截面，在輕質(zhì)隔墻部位增加抗震耗能支撐或增加部分剪力墻，加強(qiáng)框架填充墻與框架梁柱之間的連接作用等;

6)由于建筑建造年代久遠(yuǎn)，建議對(duì)裸露混凝土表面進(jìn)行粉刷處理或涂刷其他具有保護(hù)作用的涂層，再進(jìn)行修復(fù)。

處理方案1)提出的兩種建議方案均需要抬高屋頂?shù)臉?biāo)高，對(duì)于原結(jié)構(gòu)的改動(dòng)較大，對(duì)于該歷史建筑的原有風(fēng)貌有比較大的影響，且方案一由于采用鋼結(jié)構(gòu)加固，其后期維護(hù)和防腐處理比較麻煩，造價(jià)也較高，不適合采用。

4 結(jié)語(yǔ)

優(yōu)秀歷史建筑加固方案的選擇十分重要。加固方案的優(yōu)劣，不僅影響資金的投入，更重要的是影響加固質(zhì)量。合理的加固方案應(yīng)該達(dá)到加固效果好，對(duì)使用功能影響小，技術(shù)可靠，施工簡(jiǎn)便，經(jīng)濟(jì)合理，外觀整齊。本文對(duì)某優(yōu)秀歷史建筑現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況、計(jì)算分析和加固方案選擇，得出如下結(jié)論:

1)優(yōu)秀歷史建筑改造工程中，需要盡量避免變動(dòng)建筑原有的外貌，在滿足委托方所提出的改造要求和現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范的前提下，選擇相對(duì)更合理、經(jīng)濟(jì)、安全的結(jié)構(gòu)加固方案，這不同于普通建筑的改建與擴(kuò)建。

2)盡管按照本加固方案加固后的優(yōu)秀歷史建筑抗震驗(yàn)算依然無(wú)法滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范的要求，但是，對(duì)于優(yōu)秀歷史建筑而言，基于其自身的特點(diǎn)，在保證建筑物歷史文化底蘊(yùn)和安全使用的前提下，保持其原有結(jié)構(gòu)體系不變，適當(dāng)提高其抗震承載能力，達(dá)到保護(hù)優(yōu)秀歷史建筑的目的。

3)通過(guò)本實(shí)例涉及到的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況、計(jì)算分析和加固方案選擇的總結(jié)，能夠指導(dǎo)同類(lèi)工程的設(shè)計(jì)和施工。

［1］ JGJ 120-99，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］ 衛(wèi)龍武，呂志濤，郭 彤.建筑物評(píng)估加固與改造［M］.第2版.南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

［3］ 唐業(yè)清，萬(wàn)墨林.建筑物改造與病害處理［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

［4］ 唐岱新，王鳳來(lái).土木工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定與加固改造新進(jìn)展及工程實(shí)例［M］.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2006.