某近代歷史建筑的加固改造工程分析

張 凱 曹雙寅

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京 210096)

0 引言

近代歷史建筑廣泛分布在我國南京、上海、哈爾濱、天津等城市。這一時(shí)期的建筑，在保留我國古建筑風(fēng)格特點(diǎn)的同時(shí)，通過逐步接納西方的建筑方式，采用新的建筑材料、設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)，是中國傳統(tǒng)建筑走向現(xiàn)代建筑的嘗試。這些建筑風(fēng)格多樣，類型齊全，它們既是中西文化碰撞的智慧結(jié)晶，也是中國傳統(tǒng)建筑走向現(xiàn)代建筑的嘗試。保護(hù)好這些建筑，既是歷史賦予的責(zé)任，也是彰顯城市文化底蘊(yùn)的重要途徑。

然而，由于近代歷史建筑設(shè)計(jì)建造于20世紀(jì)初期，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、構(gòu)造、建筑材料等方面均存在不同程度的“先天缺陷”;其次，經(jīng)過近100年的使用，結(jié)構(gòu)大多出現(xiàn)了不同程度的老化和損傷;另外，戰(zhàn)爭(zhēng)創(chuàng)傷，以及產(chǎn)權(quán)所有者的恣意改造也使得這些建筑的安全性受到威脅。

對(duì)歷史建筑進(jìn)行加固改造時(shí)必須遵循相應(yīng)的保護(hù)原則(包括原真性、可逆性、可識(shí)別性、最小干預(yù)性等)，在提高其抗震性能、承載能力的同時(shí)，保留其原有的建筑風(fēng)貌。

本文通過鑒定、加固工程實(shí)例，探討近代歷史建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及加固保護(hù)方法。

1 工程概況

某公司21號(hào)樓位于南京長江大橋南橋頭堡南側(cè)，始建于1916年。該樓原為解放前南京最大的外資企業(yè)——和記洋行的冷庫，是南京重要的工業(yè)建筑遺存。該建筑由英國人設(shè)計(jì)，姚新記營造廠施工。建筑平面呈矩形，長約77.1m，寬約32.3 m，原來5層，解放后增加一層，總建筑面積14 000余平方米。建筑立面如圖1所示。

圖1 和記洋行21號(hào)樓外觀

該建筑主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，樓、屋面均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用(木樁)筏板基礎(chǔ)，外墻為磚砌體圍護(hù)。根據(jù)原設(shè)計(jì)資料顯示，該建筑建造時(shí)對(duì)地基采用木樁進(jìn)行了加固處理。在該建筑的正面和側(cè)面都有獨(dú)立的現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓梯與其相連。

該建筑原設(shè)計(jì)為倉庫，后作為生產(chǎn)車間使用至今。根據(jù)公司總體發(fā)展規(guī)劃，擬將該樓1層～5層改造為冷藏庫。因使用荷載大幅增大(增至20.0 kN/m2)，需要對(duì)該樓進(jìn)行加固處理。鑒于該建筑建造年代久遠(yuǎn)，原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不詳，有關(guān)建造資料大部分缺失，為了改造工程的順利實(shí)施，確保改造后主體結(jié)構(gòu)的安全使用，需要對(duì)該樓使用功能變更的結(jié)構(gòu)可行性及變更后主體結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行鑒定分析，為改造加固提供科學(xué)依據(jù)。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

2.1 結(jié)構(gòu)布置

柱網(wǎng)為 5.486 m ×5.385 m(18’×17’8”)，橫向?yàn)?6 跨，縱向14跨，縱向的中間有304mm(1’)的伸縮縫，結(jié)構(gòu)以縱向框架承重為主。1層～4層樓面為每跨均布橫向3根次梁，5層樓面為每跨均布縱向2根次梁。在B—C跨和E—F跨有沿縱向全長的水槽(已不使用)各一個(gè)。

根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙，該建筑的基礎(chǔ)為樁筏基礎(chǔ)。其中，筏板基礎(chǔ)為梁板式，每個(gè)柱網(wǎng)內(nèi)又有上肋式井字次梁。主梁高為1.26 m，次梁高1.0 m，筏板厚200 mm。每個(gè)中柱基礎(chǔ)下有9個(gè)木樁，邊柱基礎(chǔ)下有7個(gè)木樁。木樁的直徑和樁長不詳。

各層層高為:一層 5.47 m(18’);二層 5.168 m(17’);三層5.168 m(17’);四層6.0 m(20’);五層 5.168 m(17’)。樓板為現(xiàn)澆板，板厚76 mm。柱截面為矩形，主要尺寸有760×760，660×660，558×558和300×300。截面由下層至上層逐漸減小。

2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷

現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，由于建造年代距今已有90年，該建筑主體結(jié)構(gòu)存在明顯的耐久性損傷跡象，多數(shù)接近地面或樓面的柱身由于人為碰撞和自然腐蝕等都有不同程度的混凝土剝落，有些已經(jīng)外包了一圈新混凝土來保護(hù)。一些板、主梁和次梁也有不同程度的混凝土剝落，有的區(qū)域已經(jīng)能看到混凝土的骨料?？拷l(wèi)生間等長期潮濕區(qū)域的梁板腐蝕情況更為嚴(yán)重，有些由于鋼筋銹脹已經(jīng)出現(xiàn)大面積混凝土崩落和露筋現(xiàn)象。

2.3 建筑傾斜情況

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)建筑的總體傾斜情況進(jìn)行了測(cè)量，初步測(cè)量結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)沿橫向(東西向)總傾斜量為7.2 cm，沿縱向(南北向)總傾斜量為15.4 cm，按照測(cè)量區(qū)域高度27 m計(jì)算，主體建筑橫向(東西向)的傾斜率為2.6‰，縱向(南北向)傾斜率為5.7‰。

2.4 主體結(jié)構(gòu)材料檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)混凝土強(qiáng)度、鋼筋等進(jìn)行了材料檢測(cè)?；A(chǔ)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為18.3 MPa，框架柱的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度在8.7 MPa～18.6 MPa之間，混凝土梁的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度在10.2 MPa～18.4 MPa之間，混凝土樓板的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度在19.8 MPa～27.0 MPa之間，強(qiáng)度離散性很大。

現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)截取鋼筋3根(分別位于梁、板、柱等構(gòu)件)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，測(cè)得鋼筋抗拉強(qiáng)度平均值為495 MPa。

2.5 場(chǎng)地、地質(zhì)條件

根據(jù)南京市區(qū)工程地質(zhì)圖，該場(chǎng)地位于長江近岸漫灘之上，并且處于市區(qū)故道入江口地帶，屬于不均勻松軟土地基建筑場(chǎng)地。場(chǎng)地附近無影響建筑物安全的斷裂帶通過，也無不良地質(zhì)作用分布，應(yīng)屬于穩(wěn)定場(chǎng)地。場(chǎng)內(nèi)20 m深度以上，經(jīng)判別為不液化土層。由勘察揭示，場(chǎng)地表層填土厚度為1.1 m～2.4 m之間，其下至12 m左右深度范圍內(nèi)為具有“千層餅”結(jié)構(gòu)的粉質(zhì)粘土，中部為薄層狀的粉質(zhì)粘土和粉砂互層，下部為稍密～中密的粉細(xì)砂。地下水位年變幅地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值為0.5 m～1.0 m。

2.6 附屬結(jié)構(gòu)情況

除了與該建筑懸挑部分相接的獨(dú)立鋼筋混凝土樓梯外，還在該建筑物中外加了一個(gè)電梯構(gòu)筑物。此外，在該建筑物的后面還有一個(gè)新建的3層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)與其相鄰。這個(gè)房屋的第3層曾經(jīng)遭到火災(zāi)，并殃及主體結(jié)構(gòu)的第3層，部分梁的端部可看見彎剪斜裂縫。

3 主體結(jié)構(gòu)計(jì)算復(fù)核

3.1 結(jié)構(gòu)信息、荷載取值與計(jì)算依據(jù)

結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件幾何尺寸按照結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查圖取值;材料強(qiáng)度根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，按照下列等級(jí)取值:混凝土:柱C10、梁C15、板C15;鋼筋:樓板、梁、柱均取為Ⅰ級(jí)。

Ⅲ類場(chǎng)地，7度抗震，抗震等級(jí)為二級(jí)。

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按0.4 kN/m2考慮。

外墻荷載按照240mm厚磚墻考慮，內(nèi)墻荷載按照輕質(zhì)墻考慮。

根據(jù)業(yè)主提出的變更后使用功能要求，樓面、屋面恒載根據(jù)測(cè)得的建筑做法，分別取3.5 kN/m2和4.5 kN/m2;樓面活載:1層 ～5層(冷庫)取 20.0 kN/m2，6 層(后加，一般生產(chǎn)車間)取3.5 kN/m2;屋面活載按上人屋面取為2.0 kN/m2。

結(jié)構(gòu)計(jì)算依據(jù)以下設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):

1)GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范;

2)GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范;

3)GB 50009-2011，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范;

4)JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程。

采用中國建筑科學(xué)研究院PKPM系列結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算復(fù)核。

3.2 計(jì)算復(fù)核結(jié)果

經(jīng)全面核查原設(shè)計(jì)資料和計(jì)算結(jié)果，按照新的使用功能要求，結(jié)構(gòu)的規(guī)范符合性概括如下:

1)地基基礎(chǔ)。經(jīng)計(jì)算，基礎(chǔ)梁的正截面承載力不滿足規(guī)范要求，部分主梁存在超筋現(xiàn)象。

2)框架柱。框架柱的正截面、斜截面承載力全部不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。各層邊柱正承載力缺口普遍在100%以上，最大甚至達(dá)到656%;各層中柱承載力缺口更大，最大者達(dá)到990%。斜截面承載力缺口:邊柱普遍在150%以上，最大達(dá)241%;中柱普遍在200%以上，最大達(dá)321%?？蚣苤妮S壓比，除角部柱滿足規(guī)范要求外，其余各層的軸壓比全部超標(biāo)。由于第5層柱截面偏小，該層出現(xiàn)了超筋現(xiàn)象。

3)框架梁?？蚣苤恼孛妗⑿苯孛娉休d力全部不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。3層、4層的部分主梁出現(xiàn)超筋。

4)次梁。次梁正截面、斜截面承載力除第5層滿足規(guī)范要求外，其余4層全部不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

5)樓板。樓板的承載力，除第5層基本滿足規(guī)范要求外，其余樓板均不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

4 鑒定結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及結(jié)構(gòu)復(fù)核結(jié)果可見:

1)該房屋主體結(jié)構(gòu)的豎向布置比較均勻、規(guī)則，平面布置規(guī)則，構(gòu)件類型單一，除由于年代較久出現(xiàn)的耐久性損傷外，主體結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀尚好，具有直接進(jìn)行加固升級(jí)的可能性。

2)按照改造要求，1層～5層樓面活荷載將增至20.0 kN/m2，增幅很大，目前主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

綜上所述，應(yīng)采取必要的措施對(duì)該建筑主體結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)進(jìn)行全面加固，以提高結(jié)構(gòu)的承載能力，滿足改造后的使用要求。

5 結(jié)構(gòu)加固方案

從提高結(jié)構(gòu)整體性的角度，在保持結(jié)構(gòu)體系、建筑立面不變的前提下，綜合考慮加固成本、加固效果等因素，選用加大截面法作為最終的加固方案，具體如下:

1)地基基礎(chǔ)。采用鉆孔灌注樁進(jìn)行加固。原有木樁按照9根，直徑200的圓木估算;新加鋼筋混凝土樁按照摩擦樁，以彌補(bǔ)原有基礎(chǔ)的不足，如圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)加固示意圖

2)次梁和樓板。由于改造后樓面荷載增加很大，采用卸載和疊合板的方法:在現(xiàn)有次梁間增加次梁，并考慮在疊合層適當(dāng)增加負(fù)鋼筋;在現(xiàn)有板面增加50厚疊合層。

3)框架梁、柱。采用鋼筋混凝土加大截面法進(jìn)行加固，解決材料強(qiáng)度等級(jí)不足、抗震構(gòu)造缺陷和承載能力不足等缺陷。梁頂面(結(jié)合50厚疊合板)、側(cè)面各加大50 mm，底面加大100 mm;柱截面加大厚度100 mm～408 mm，如圖3～圖5所示。

圖3 梁加固示意圖

圖4 中柱加固示意圖

圖5 邊柱加固示意圖

該加固方案能夠很好地保護(hù)原有的結(jié)構(gòu)體系不變，并能夠有效地提高結(jié)構(gòu)的整體性能以及構(gòu)件的剛度和承載能力。雖然加大截面法用于歷史建筑有“不可逆”的缺陷，但在截面增加不多的前提下，還是可以接受的。

采用PKPM軟件對(duì)加固后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)算，結(jié)果表明，加固后的結(jié)構(gòu)整體性和構(gòu)件的承載能力有了明顯提高。軸壓比等指標(biāo)滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

6 結(jié)語

1)目前我國在古建筑的維修方面，已經(jīng)取得了豐碩的成果，相關(guān)的加固方法已經(jīng)日趨成熟。而對(duì)于近代歷史建筑的加固修復(fù)目前尚無全面完整的技術(shù)規(guī)范可循。由于保護(hù)修復(fù)的技術(shù)策略長期以來一直未能得到應(yīng)有的重視，近代建筑遺產(chǎn)保護(hù)的實(shí)際情況不容樂觀。

2)歷史建筑由于建造年代久遠(yuǎn)，歷經(jīng)滄桑，其原始的建筑、結(jié)構(gòu)圖紙及相關(guān)資料往往不全甚至無從查起。因此，加固前對(duì)建筑進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查(包括結(jié)構(gòu)圖的測(cè)繪、結(jié)構(gòu)歷次加固、改造情況的調(diào)查等)以及必要的實(shí)測(cè)(包括材料強(qiáng)度、變形的測(cè)量以及損傷的檢查等)是必要的。

3)近代歷史建筑大多未考慮抗震設(shè)防，存在抗震構(gòu)造上的不足;且經(jīng)過近百年的使用，混凝土碳化、鋼筋銹蝕等結(jié)構(gòu)劣化現(xiàn)象嚴(yán)重。對(duì)這類結(jié)構(gòu)的加固應(yīng)從增加結(jié)構(gòu)整體性的角度，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4)不同的加固方法用于歷史建筑有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，必須根據(jù)具體的工程實(shí)際、按照歷史建筑的特點(diǎn)和保護(hù)原則做出合理的選擇，而不能迷信某一種加固方案。

［1］ 盧海鳴，楊新華.南京民國建筑［M］.南京:南京大學(xué)出版社，2001.

［2］ 卜良桃.建筑結(jié)構(gòu)加固工程設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量驗(yàn)收手冊(cè)［M］.北京:建筑工業(yè)出版社，2008.

［3］ 陳 瑜，陸偉東，劉偉慶.某民國老文物庫房建筑的抗震鑒定［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2009，10(25):115-119.

［4］ 蔡春雷.某框架結(jié)構(gòu)加固改造工程分析［J］.山西建筑，2010，36(34):73-75.