某历史文化建筑的加固设计

2018-11-22吴善能杨小草

结构工程师 2018年5期

李厂吴善能杨小草

(1.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海 200092;2.同济大学建筑工程系,上海 200092; 3.中石化上海工程公司,上海 200120)

0 引言

历史文化建筑是人类社会发展与变迁的见证,具有特定的时代背景,是一部凝固的历史。新中国成立初期的一些建筑恰好是特定历史背景下的产物,在我国占有重要的地位,为社会的发展做出很大贡献,是一笔丰富的建筑文化遗产,其中有些更是成为增强民族凝聚力的“心桥”。

这些建筑经历了半个多世纪的风吹雨打,大多数外表出现老化、剥蚀现象。有些由于使用功能的改变和结构的不合理改造,结构也受到了不同程度的破坏。这些对建筑物的承载力都会产生显著影响。更严重的是,这些建筑受制于当时建筑技术水平以及建造材料短缺,绝大部分没有考虑抗震设防要求,缺少必要的抗震构造措施。即使在当时进行了抗震设计的建筑物,以现行的抗震设防标准来看,大部分都不满足要求。由于我国是一个地震多发的国家,尤其是最近的汶川地震、玉树地震以及雅安地震,各种建筑都遭受到了不同程度的破坏,特别是一些无构造柱、无圈梁的砌体结构。这些结构的整体性差,延性低,很容易发生脆性破坏,在地震中倒塌造成大量的财产损失和人员伤亡。因此,对现存的历史文化建筑进行抗震加固处理是很迫切的和很有必要的。

本文以齐齐哈尔市某砖混结构历史文化建筑为案例,结合工程实际情况,在传统加固方法的基础上进行改进,针对此工程提出了合适的加固方案以及施工流程,为以后类似历史文化建筑的加固提供借鉴和参考。

1 工程概况

该建筑为体育馆和部分辅楼,结构总体平面呈“L”形(如图1),长54.6 m,宽53.2 m,总建筑面积12 000 m2。体育馆前厅和右侧主楼均为三层,层高4.2 m,体育馆看台观众座位下部有一层配套用房。建筑总高度为12.7 m。该建筑为砖混结构,建于1958年,外墙厚度490 mm,内墙厚度370 mm,现浇楼板厚100 mm。该建筑曾在2007年进行过改造,但是仅限于将原屋面更换为钢结构屋面。根据现场检测报告,砖的推定强度等级为MU7.5,砂浆的推定强度等级为M10,所有结构均没有圈梁和构造柱。该建筑加固后抗震设防烈度为7度,场地类别为Ⅱ类,地基承载力140 kPa,基础均为毛石基础。本次加固改造设计后续使用年限为30年。

图1 结构平面图(单位:mm) Fig.1 Structure plan view (Unit:mm)

2 方案选择

根据建筑使用要求和现场情况,拆除体育馆看台和原有的角钢桁架屋顶。考虑到尽量不增加或者减小屋面荷载,新增加的屋面均采用钢结构。

根据检测报告,该建筑结构没有采取相应的抗震设防措施。根据现有实测数据,采用YJK-M软件对结构进行建模计算,结果显示砌体在地震作用下的抗剪、抗弯和高厚比均满足要求。由于部分房间改成了健身房和拳击馆,活荷载增加较大,该部分的梁板柱承载力不满足。

考虑到该建筑无抗震构造措施,加固设计需新增加构造柱、圈梁(图2)。对于梁板柱承载力不满足,则采用粘贴碳纤维布的方法进行加固。

本建筑是文化类建筑,甲方要求“修旧如旧”,不能破坏外墙面。传统的设置钢筋混凝土构造柱、圈梁、内横墙加钢拉杆的抗震加固方法(即捆绑式抗震加固法),安全可靠,明显提高结构抗连续性倒塌能力。然而,该加固方法需要现场支模、绑扎钢筋、浇筑混凝土等,工序复杂,施工周期长,使用过程中拉杆容易出现锈蚀和松弛而失去承载能力,且外露结构严重影响了建筑物的原有风貌和景观。综合分析各种加固方案并根据工程实际情况,对砖混结构的传统捆绑式加固方法进行改进,采用装配嵌入式方形钢管混凝土构造柱、圈梁和拉杆的做法。采用这种改进的加固方法,不但可以减小构造柱的尺寸,而且不影响外墙立面。由于本工程外墙厚度均为490 mm,内墙厚度均为370 mm,这样新增结构对原结构的影响相对较轻。这种加固砌体结构的方法,采用低度预应力张拉保证新老构件共同工作,能够充分发挥各抗震构件的抗震能力,保证结构的整体安全。

3 加固方法概述

装配嵌入式方形钢管混凝土构造柱、圈梁和拉杆的加固方法增强了结构之间的相互约束,提高砌体结构房屋的刚度,进而提高结构的抗倒塌能力。新增的圈梁除了加强楼屋盖整体性以外,还兼具改善纵横墙连接的可靠性作用。

1) 嵌入式构造柱

构造柱是约束和改善砖混结构变形、提高结构的延性、提高结构的抗震抗剪能力的关键构件。

图2 圈梁、构造柱布置图(单位:mm)Fig.2 Layout diagram of ring beams and structural columns (Unit:mm)

方形薄壁钢管混凝土构造柱是将混凝土灌入封闭的钢管中形成的一种组合。具有承载力高、耗能性强、延性好的特点。薄壁钢管受压易发生屈曲变形破坏,临界承载力不稳定。在钢管中灌注混凝土则起到了对钢管变形的约束作用,在受压荷载作用下,延缓了受压时纵向开裂破坏,同时由于混凝土的存在,也避免或延缓了薄壁钢管变形发生屈曲破坏,这两种材料结合既能够避免彼此的弱点也充分发挥了各自的优势。“扬长避短”大大的改善了混凝土的塑性和韧性,结构抗震性能的提高也非常明显。同等情况下,与钢筋混凝土构造柱相比,可以适当减小钢管混凝土构造柱的截面尺寸,但却不会减小承载力和变形性能。嵌入式构造柱相对于传统外加式的最大优点是构造柱嵌进墙体内,不会对原建筑物的风貌和美观造成严重影响。尤其适合应用于要求“修旧如旧”的历史文化建筑。而且这种加固方法也缩短了施工周期,简化了施工程序。

嵌入式构造柱(图3)施工重难点是按设计图纸在外墙上相应的位置开嵌入槽。为了便于将方钢管柱放进去,并留有灌胶缝隙,一般开槽尺寸比构造柱截面大2～3 mm。这样的施工处理使柱与墙牢固地连在一起,两者能够很好的共同工作。

施工时按照开槽、嵌入方钢管、圈梁与墙体连接、灌注构造柱混凝土的程序进行。方钢管嵌入后直接灌注结构用改性环氧树脂胶,将柱与墙粘为一体。在方钢管下部留混凝土排气孔,混凝土的浇筑按照轴线分段分区交互施工。混凝土采用C30干拌原料自密实性豆石混凝土,这种混凝土早强、高强,现场加水搅拌即可使用,不用振捣就可自行填满全部空隙,具有微膨胀性,灌注后无收缩,能保证钢管与混凝土的密切接触和共同工作。5 mm厚方钢管长度按照6 m一节,钢管接长采用外套接长方法,套管与原钢管端口连续角焊缝焊接,套管长度为300 mm (图4)。钢管每4 m高度开100 mm×150 mm洞口用于灌注自密实混凝土,灌注到洞口下端300 mm处再把洞口焊上(图5)。

图3 钢管混凝土柱立面示意图(单位:mm)Fig.3 Elevation schematic diagram of concrete-filled steel tube column (Unit:mm)

图4 钢管接长示意图(单位:mm)Fig.4 Steel tube connection schematic diagram (Unit:mm)

图5 钢管开洞示意图(单位:mm)Fig.5 Steel tube opening schematic diagram (Unit:mm)

由于该建筑已经使用了60年左右,而且本次加固增加的荷载很小,根据相关文献[2],地基基础承载力增加10%～20%,因此本项目地基不用加固。方形钢管混凝土构造柱直接落在地圈梁上,地圈梁以下基础保留不动。

2) 圈梁和拉杆

为了减小对建筑立面的影响,墙体内外侧均采用扁钢组成圈梁。扁钢圈梁每层设置一道并与体育馆部分拉通(图2)。扁钢圈梁在墙内侧紧贴楼板布置,用环氧树脂胶粘贴在墙面上,墙外部用100 mm×10 mm钢板连续粘贴在与内侧扁钢相对应位置,再用M16螺栓穿墙,把两侧钢板连接在一起,螺栓间距500 mm (图6)。在进行注胶前进行扁钢圈梁与方形钢管混凝土构造柱的焊接(图7),防止焊接产生的温度对结构胶的破坏。通长钢板接长采用45°倾斜对接剖口焊缝。搁置钢结构桁架的墙体,顶端直接浇筑490 mm×400 mm的混凝土圈梁作为桁架的支座。

图6 外墙与圈梁的连接(单位:mm)Fig.6 The connection between exterior wall and ring beam (Unit:mm)

横墙拉杆也使用扁钢(图8)。扁钢贴墙铺设,采用防锈砂浆保护,对扁钢施加一定的应力使其拉直。这增强了扁钢拉杆与墙体的协同工作,减小了后加构件的应力滞后现象,也加强了新旧结构的协同工作能力,保证地震时能马上进入工作状态。

图7 外墙圈梁与构造柱的连接(单位:mm)Fig.7 Connection between exterior wall and structural column (Unit:mm)

图8 纵横墙交接处的拉杆加固详图(单位:mm)Fig.8 Reinforcement detail of intersection between vertical and horizontal wall (Unit:mm)

扁钢材料选用Q235B,100 mm×10 mm截面,两端用M20的螺杆连接。为了施工和张拉方便,在扁钢两端焊接底座(图9),支座板上开Φ22孔,在扁钢支座两端的横墙上每端开240 mm×180 mm×60 mm孔。扁钢布置在楼板下100 mm处,剔除砖墙墙面抹灰层,沿扁钢拉结方向开180 mm×25 mm槽,扁钢置入其中,使用扭力扳手拧紧螺栓张紧扁钢后,用防锈砂浆抹面(图10)。扁钢沿横墙方向拉通,遇有纵墙阻隔则设置M20的连接螺杆(图11)。