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(tài)各異的臨時(shí)展館，融合了多種創(chuàng)意元素，兼具技術(shù)與藝術(shù)價(jià)值，具有一定的文化象征，日益成為城市的特色標(biāo)識和公眾的時(shí)代記憶，如：以“東方之冠”為構(gòu)思的中國國家館、以“創(chuàng)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(biāo)識性建筑的后續(xù)利用工作對延續(xù)世博精神、提升空間品質(zhì)具有重大意義?；趯?shí)際情況，多數(shù)世博展館為臨時(shí)建筑，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)對地震作用有所折減。因此，在改造利用展館的同時(shí)，需對場館的抗震能力進(jìn)行檢測和鑒定，并針對不滿足抗震要求的情況進(jìn)行適當(dāng)加固處理。本文將重點(diǎn)介紹上海世博會法國館改造項(xiàng)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(qū)，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(shè)有管理、快餐、紀(jì)念品出售等功能，入口位于房屋的南立面西側(cè)，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(dá)位于屋面的展館入口[1]。

場館外層的方鋼管網(wǎng)格是它最具特色的地方[1]。外層網(wǎng)格脫離于建筑主體約3.0 m，令場館外表呈現(xiàn)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(xù)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(cè)自動扶梯直達(dá)場館頂層，進(jìn)入展館入口；然后沿各層展示通道逐漸向下，到達(dá)位于二層的展館出口；再經(jīng)坡道到達(dá)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(wèi)浴、廚房等均分布于展館外側(cè)，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(dú)立[1]（圖2）。

1.2 結(jié)構(gòu)概況

本場館為鋼框架結(jié)構(gòu)房屋，其結(jié)構(gòu)體系由主體結(jié)構(gòu)、圍護(hù)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和屋面花園附屬結(jié)構(gòu)（現(xiàn)已拆除）組成。其中，主體結(jié)構(gòu)采用H 型鋼和方鋼管組成的多層多跨框架結(jié)構(gòu)，同時(shí)承受豎向荷載和水平荷載（風(fēng)和地震）；建筑四周的圍護(hù)為殼體結(jié)構(gòu)，其平面構(gòu)造相對穩(wěn)定，底部通過部分斜桿延伸形成的桁架與基礎(chǔ)相連，側(cè)向通過拉桿和壓桿與主體結(jié)構(gòu)鉸接相連，保證了平面外的穩(wěn)定性；為了提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，使附屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)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(shè)置水平桁架，確保水平力有效傳遞[2]。

世博會場館上部結(jié)構(gòu)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?；炷敛糠謴?qiáng)度等級為C30，鋼材主要為Q345B級鋼材。房屋結(jié)構(gòu)平面圖詳見圖3、4。

圖2 三層建筑平面示意圖

場館基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，地下室底板板底標(biāo)高為-6.20 m，其余區(qū)域底板板底標(biāo)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)概念，盡可能保留及恢復(fù)場館原有樣貌。在保留其世博文化屬性的同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)有公園景觀，使建筑更好地在新環(huán)境中煥發(fā)新的生機(jī)。改造后，建筑將主要用于展廳、咖啡廳、辦公等，其主要改造內(nèi)容及功能如下：①負(fù)一層低壓配電間、水處理間、灌溉水設(shè)備間改造為灌溉及生活水泵房；②一層主入口兩側(cè)原安保（消控中心）、團(tuán)體等候間改造為設(shè)備用房，東側(cè)商店改造為衛(wèi)生間；③二層北側(cè)展廳區(qū)域改造為咖啡廳，西側(cè)會議廳區(qū)域改造為展廳，西南側(cè)公共前區(qū)改造為展廳；④三層環(huán)向公共前區(qū)改造為展區(qū)；⑤四層環(huán)向公共前區(qū)改造為展區(qū)，西側(cè)辦公室改造為衛(wèi)生間及樓梯間，東側(cè)設(shè)備間改造為辦公室及樓梯間；⑥五層拆除屋頂東西側(cè)后期加建，恢復(fù)原有屋頂花園景色；⑦房屋東側(cè)及西側(cè)各增加兩部通高樓梯間。

3 結(jié)構(gòu)檢測

圖3 二層結(jié)構(gòu)平面示意圖

圖4 三層結(jié)構(gòu)平面示意圖

根據(jù)房屋設(shè)計(jì)施工圖紙，對場館建筑平面布置、結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行復(fù)核，并檢測結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸、鋼材材料強(qiáng)度、鋼構(gòu)件銹蝕率、鋼構(gòu)件焊縫質(zhì)量、結(jié)構(gòu)損壞情況、鋼框架柱垂直度及大跨度構(gòu)件撓度進(jìn)行現(xiàn)場檢測測量，得到場館的整體現(xiàn)狀。主要檢測結(jié)果如下：

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

（2）結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸與原設(shè)計(jì)圖紙基本相符。

（3）鋼材的強(qiáng)度基本滿足Q345B 的設(shè)計(jì)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(jīng)分析，房屋結(jié)構(gòu)構(gòu)件未見普遍銹蝕現(xiàn)象，對構(gòu)件承載力無明顯不利影響。

（5）對鋼柱、鋼梁抽檢的共計(jì)23 條對接焊縫進(jìn)行超聲檢測，發(fā)現(xiàn)有2 條對接焊縫不合格，其余21 條對接焊縫均未發(fā)現(xiàn)可記錄性缺陷。

（6）外立面主要外裝飾內(nèi)側(cè)設(shè)備蓋板普遍存在滲水銹蝕現(xiàn)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(yán)重，未發(fā)現(xiàn)因承載力不足或不均勻沉降引起的開裂或變形現(xiàn)象。

（7）柱垂直度偏差基本滿足《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50205—2001）允許偏差要求，抽測的大跨梁撓度基本滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）的要求。

4 抗震鑒定

4.1 抗震設(shè)防基本要求

按照《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50223—2008）、上海市工程建設(shè)規(guī)范《現(xiàn)有建筑抗震鑒定與加固 規(guī) 程》（DGJ 08—81—2015）、上海市工程建設(shè)規(guī)范《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī) 程》（DGJ 08—9—2013）、國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）的規(guī)定，法國館按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防（丙類）、抗震設(shè)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(xù)使用年限50 年），從地基和基礎(chǔ)、一般規(guī)定、抗震構(gòu)造措施等方面進(jìn)行抗震鑒定。

4.2 抗震構(gòu)造措施復(fù)核

對一般規(guī)定、抗震構(gòu)造措施的復(fù)核結(jié)果表明，法國館高度、高寬比、樓屋蓋等一般規(guī)定滿足要求；框架柱長細(xì)比、板件寬厚比、梁與柱的連接構(gòu)造等抗震構(gòu)造措施基本滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

4.3 結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算

根據(jù)房屋改造方案及建筑、結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀檢測結(jié)果，按照《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50068—2018）、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》（DGJ 08—9—2013）、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）等現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，采用3D3S 軟件計(jì)算，計(jì)算模型如圖5 所示。

（1）計(jì)算主要參數(shù)為：鋼框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件取設(shè)計(jì)值Q345B，彈性模量2.06×105N/mm2，泊松比0.30，線膨脹系數(shù)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(nèi)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(wèi)生間2.5 kN/m2、設(shè)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(fù)30℃。

（5）地震作用：設(shè)防烈度7度（相當(dāng)于0.1g，注：g 為重力加速度），設(shè)計(jì)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(fēng)荷載：基本風(fēng)壓取值0.55 kN/m2，地面粗糙度類別B 類。

在地震力作用下，結(jié)構(gòu)以扭轉(zhuǎn)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(zhì)量參與系數(shù)為91.40%，Y 方向質(zhì)量參與系數(shù)為93.14%，滿足規(guī)范要求。多遇地震作用下，存在局部鋼梁承載力不足、個(gè)別鋼梁長細(xì)比不足、個(gè)別鋼梁穩(wěn)定不足、個(gè)別鋼柱承載力不足等問題。

4.4 基礎(chǔ)承載力評估

選取典型的樁基進(jìn)行基礎(chǔ)承載力驗(yàn)算、考慮腐蝕情況下樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算、樁基抗震承載力復(fù)核。對柱底最不利處標(biāo)準(zhǔn)組合基礎(chǔ)承載力進(jìn)行驗(yàn)算復(fù)核，結(jié)果基本滿足要求。由于開口鋼管樁受地下水等微腐蝕環(huán)境影響，故對扣除腐蝕影響后的樁身強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算復(fù)核，在微腐蝕環(huán)境影響下，場館開口鋼管樁在目標(biāo)使用年限內(nèi)的樁身承載力滿足設(shè)計(jì)要求。在地震作用效應(yīng)和其他作用效應(yīng)的基本組合下，低承臺樁基抗震驗(yàn)算中的單樁豎向承載力滿足要求。

4.5 典型節(jié)點(diǎn)連接驗(yàn)算

法國館大部分連接節(jié)點(diǎn)均采用坡口全熔透焊的等強(qiáng)剛接，鉸接節(jié)點(diǎn)較少。為明確典型鉸接連接節(jié)點(diǎn)受力情況，選取受力特點(diǎn)具有普遍性、荷載最不利梁的梁節(jié)點(diǎn)，按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017），對節(jié)點(diǎn)板、單面受剪螺栓、螺栓群最大剪力、節(jié)點(diǎn)板焊縫、加勁板焊縫應(yīng)力進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算。

根據(jù)典型節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算結(jié)果，典型梁梁鉸接節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力、節(jié)點(diǎn)板承載力、螺栓單面受剪承載力、螺栓群最大剪力、節(jié)點(diǎn)板焊縫承載力、加勁板焊縫承載力均滿足要求，但梁鉸接節(jié)點(diǎn)處螺栓垂邊距、螺栓中心距不滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 鑒定結(jié)論及加固建議

根據(jù)改造方案，場館改造后主要作為展廳、咖啡廳、辦公等，結(jié)構(gòu)改動主要為房屋東側(cè)及西側(cè)各增建兩部通高樓梯間、拆除屋頂東西側(cè)后期加建部分，整體豎向荷載無明顯增大，僅個(gè)別區(qū)域因使用功能改變較原設(shè)計(jì)荷載有所增加。

綜合以上檢測鑒定結(jié)果，按照初步改造方案，場館主體結(jié)構(gòu)基本完好，局部鋼梁承載力不足、個(gè)別鋼梁長細(xì)比不足、個(gè)別鋼梁穩(wěn)定不足、個(gè)別鋼柱承載力不足，部分梁的梁鉸接節(jié)點(diǎn)處螺栓垂邊距、螺栓中心距不滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，初步改造方案可行，但應(yīng)采取措施對強(qiáng)度及穩(wěn)定性不足的構(gòu)件進(jìn)行加固，對節(jié)點(diǎn)處螺栓順邊距、垂邊距不足進(jìn)行處理，同時(shí)，應(yīng)對滲水、鋼構(gòu)件銹蝕等損壞對癥修繕。具體方案如下：

（1）對強(qiáng)度不足的構(gòu)件可采用增大截面法、粘貼鋼板等方法進(jìn)行加固；對穩(wěn)定性不足的構(gòu)件可采用增設(shè)加勁肋的方法進(jìn)行加固；對于結(jié)構(gòu)不規(guī)則部分，建議采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施，如采用加大周邊構(gòu)件剛度、加大樓層側(cè)向剛度等方法進(jìn)行加固。

（2）房屋存在局部鋼構(gòu)件銹蝕、涂層起皮脫落等損壞，應(yīng)結(jié)合此次改造，做好鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的除銹涂裝工作，定期對主要承重構(gòu)件進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)；對房屋出現(xiàn)的其它損壞現(xiàn)象，建議進(jìn)行對癥修繕。

圖5 計(jì)算模型圖

（3）因部分鋼結(jié)構(gòu)鉸接連接節(jié)點(diǎn)螺栓抗剪承載力富余量較小，后續(xù)使用過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制使用荷載。

（4）鋼結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計(jì)，應(yīng)與實(shí)際施工方法緊密結(jié)合，采取有效措施，保證新增構(gòu)件及部件與原結(jié)構(gòu)連接可靠、新增截面與原截面結(jié)合牢固，形成整體共同工作；并應(yīng)避免對未加固部分及相關(guān)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件和地基基礎(chǔ)造成不利影響。

（5）改造應(yīng)在充分考慮周圍建筑現(xiàn)狀的情況下優(yōu)化施工設(shè)計(jì)方案；施工過程中不得擾動原地基基礎(chǔ)；同時(shí)，應(yīng)注重對房屋原有結(jié)構(gòu)、填充墻體等圍護(hù)結(jié)構(gòu)完損狀況的巡查，及時(shí)制定施工中原有結(jié)構(gòu)出現(xiàn)意外損壞后的應(yīng)急處理措施。

6 結(jié)語

由于世博會期間的大部分場館是按照《世博會臨時(shí)建筑物、構(gòu)筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計(jì)，作為臨時(shí)建筑，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取為0.9，多遇地震作用下的截面抗震驗(yàn)算時(shí)，丙類建筑地震作用折減系數(shù)取為0.65，各方面設(shè)計(jì)指標(biāo)均有所放松。此次法國館作為保留建筑進(jìn)行改造，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)、地震作用等較原設(shè)計(jì)均有所提高，存在部分承重構(gòu)件承載力不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的情況，因此，在改造和利用展館的同時(shí)，對場館的抗震能力進(jìn)行檢測和鑒定，為后續(xù)改造設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)，也可對同類臨時(shí)建筑改造項(xiàng)目的檢測鑒定提供參考。