某歷史文化建筑的加固設計

李 廠 吳善能 楊小草

(1.同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司,上海 200092;2.同濟大學建筑工程系,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,其中有些更是成為增強民族凝聚力的“心橋”。

這些建筑經歷了半個多世紀的風吹雨打,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構的不合理改造,結構也受到了不同程度的破壞。這些對建筑物的承載力都會產生顯著影響。更嚴重的是,這些建筑受制于當時建筑技術水平以及建造材料短缺,絕大部分沒有考慮抗震設防要求,缺少必要的抗震構造措施。即使在當時進行了抗震設計的建筑物,以現(xiàn)行的抗震設防標準來看,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,特別是一些無構造柱、無圈梁的砌體結構。這些結構的整體性差,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構歷史文化建筑為案例,結合工程實際情況,在傳統(tǒng)加固方法的基礎上進行改進,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,結構總體平面呈“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。該建筑為磚混結構,建于1958年,外墻厚度490 mm,內墻厚度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構屋面。根據現(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,所有結構均沒有圈梁和構造柱。該建筑加固后抗震設防烈度為7度,場地類別為Ⅱ類,地基承載力140 kPa,基礎均為毛石基礎。本次加固改造設計后續(xù)使用年限為30年。

圖1 結構平面圖(單位:mm) Fig.1 Structure plan view (Unit:mm)

2 方案選擇

根據建筑使用要求和現(xiàn)場情況,拆除體育館看臺和原有的角鋼桁架屋頂?？紤]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構。

根據檢測報告,該建筑結構沒有采取相應的抗震設防措施。根據現(xiàn)有實測數(shù)據,采用YJK-M軟件對結構進行建模計算,結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造措施,加固設計需新增加構造柱、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)的設置鋼筋混凝土構造柱、圈梁、內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,明顯提高結構抗連續(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,且外露結構嚴重影響了建筑物的原有風貌和景觀。綜合分析各種加固方案并根據工程實際情況,對磚混結構的傳統(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,內墻厚度均為370 mm,這樣新增結構對原結構的影響相對較輕。這種加固砌體結構的方法,采用低度預應力張拉保證新老構件共同工作,能夠充分發(fā)揮各抗震構件的抗震能力,保證結構的整體安全。

3 加固方法概述

裝配嵌入式方形鋼管混凝土構造柱、圈梁和拉桿的加固方法增強了結構之間的相互約束,提高砌體結構房屋的剛度,進而提高結構的抗倒塌能力。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) 嵌入式構造柱

構造柱是約束和改善磚混結構變形、提高結構的延性、提高結構的抗震抗剪能力的關鍵構件。

圖2 圈梁、構造柱布置圖(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,結構抗震性能的提高也非常明顯。同等情況下,與鋼筋混凝土構造柱相比,可以適當減小鋼管混凝土構造柱的截面尺寸,但卻不會減小承載力和變形性能。嵌入式構造柱相對于傳統(tǒng)外加式的最大優(yōu)點是構造柱嵌進墻體內,不會對原建筑物的風貌和美觀造成嚴重影響。尤其適合應用于要求“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。

嵌入式構造柱(圖3)施工重難點是按設計圖紙在外墻上相應的位置開嵌入槽。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、灌注構造柱混凝土的程序進行。方鋼管嵌入后直接灌注結構用改性環(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)場加水攪拌即可使用,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)

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

2) 圈梁和拉桿

為了減小對建筑立面的影響,墻體內外側均采用扁鋼組成圈梁。扁鋼圈梁每層設置一道并與體育館部分拉通(圖2)。扁鋼圈梁在墻內側緊貼樓板布置,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)粘貼在與內側扁鋼相對應位置,再用M16螺栓穿墻,把兩側鋼板連接在一起,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造柱的焊接(圖7),防止焊接產生的溫度對結構膠的破壞。通長鋼板接長采用45°傾斜對接剖口焊縫。擱置鋼結構桁架的墻體,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,采用防銹砂漿保護,對扁鋼施加一定的應力使其拉直。這增強了扁鋼拉桿與墻體的協(xié)同工作,減小了后加構件的應力滯后現(xiàn)象,也加強了新舊結構的協(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,遇有縱墻阻隔則設置M20的連接螺桿(圖11)。

4 施工流程

圖9 拉結扁鋼底座(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) 按照設計圖紙要求準備好加固用構件。薄壁方形鋼管、組合圈梁鋼板、拉結螺栓等,還有高流動微膨脹自密實豆石混凝土、粘結用結構膠及相關的施工機具。

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

(3) 墻體鑿槽成型。在外墻外側依照設計圖紙標定構造柱位置。按照構造柱嵌入墻體內的尺寸,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。清孔后注入結構膠,插入連接螺桿,待結構膠固化后再擰緊螺栓,完成方形鋼管柱與承重墻的拉結。

(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 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造柱、扁鋼圈梁和拉桿的加固方案,有效增強了砌體結構的抗倒塌能力,提高了結構的整體延性。而且建筑外立面在施工完成后,稍加處理即可恢復,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造柱和圈梁,內部只是增設鋼拉桿,施工過程中室內設備、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格的加固措施。

通過采用本文的設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、改善抗震性能和內部升級改造的目的,使這座老建筑得以重新恢復甚至超越其往日的風采。本文所述加固方法可供今后砌體結構歷史文化建筑抗震加固借鑒。