北川县曲山小学遗址保护性加固策略与实践

翟文娟 古 松 褚云朋

(西南科技大学土木工程与建筑学院 四川绵阳 621010)

2008年5月12日汶川县发生里氏8.0级地震，造成了四川省中北部及周边地区巨大的社会经济损失和人员伤亡，使得北川羌族自治县整个县城夷为废墟[1]。

随着国家对地震遗址文物保护意识的提高，北川县城具有典型震害现象和重要代表意义的工程结构都被列为永久性保护范畴[2]。地震遗址作为一种特殊的文化遗产形式，既要长久保留遗址文物的震损现象，保证遗址原有风貌和形象特征，同时也需确保遗址结构的稳定承重。然而，纵观县城遗址灾难区，大多数震损结构仅采用室外钢结构防倾覆临时支撑体系，并未对结构受地震破坏后的内部空间进行永久性加固。现阶段，国内针对地震遗址研究较少，尚无理论方法可依，因此急需寻找一套较为完整的加固理论体系，为后续遗址文物的保护提供技术参考。

基于“以人为本”的理念，现针对曲山小学遗址的破坏现状，借鉴文物古迹保护准则，参考文献[3-6]中古建筑文物的修缮原则及文献[7-9]中近代地震建筑遗址的加固措施，提出了针对曲山小学遗址的保护性加固策略及施工流程，并将其应用于实践，取得了良好的加固效果。

1 项目概况

1.1 地震破坏前

曲山小学教学楼为外廊式3层建筑，砖混纵横混合承重结构，总高度约12 m，总长约74 m，层高约3.3 m。教室楼板采用预制楼板，过厅采用现浇楼板，楼梯为现浇板式楼梯，是一栋具有禹羌文化的民族建筑。图1为地震破坏前的教学楼，图2为教学楼平面图。

图1 地震前的曲山小学Fig.1 Fore-seismic Qushan Primary School

图2 原曲山小学二层平面图Fig.2 The second floor plan for the former Qushan Primary School

1.2 地震破坏后

5·12汶川地震导致东西两侧教学楼一层完全坍塌，二、三层房间损毁严重，-轴夷为废墟；梁体大多保持完整，但有较大移位和开裂；预制楼板塌落；竖向承力壁柱多数倒塌，失去承载力；外纵墙几乎完全坍塌，横墙多数倾斜，裂缝多而宽。图3为曲山小学破坏现状。

2 遗址保护性加固策略

2.1 加固原则

针对地震建筑遗址的保护性加固，目前尚未形成一套完整的加固体系。由于地震遗址属于文物范畴，可借鉴文物古迹保护准则[10]：

(1)最小干预原则。避免过度干预，保证遗址结构的完整。

(2)原真性原则。加固构件和体系不得损坏或改变原有结构和体系，确保遗址原有风貌和形象特征。

图3 曲山小学破环现状Fig.3 Damaged status of Qushan Primary School

(3)可识别原则。加固后遗存本体须清晰明了，新增措施与遗存本体为两个不同的结构体系。

(4)可逆性原则。任何新增措施均可逆，方便随时拆除和替换。

由于古建筑遗存时间较长，结构基本趋于稳定，而地震建筑遗址持续时间较短，结构还处于“危而不倒”的临界状态，轻微扰动都可导致结构整体性坍塌，因此还需遵循以下加固原则：

(1)抗倒塌优先原则。加固时应以整体抗倒塌能力加固为主，局部抗倒塌能力修复为辅。

(2)设计优化原则。由于遗址前期存在一定的风险，设计人员未能详细了解遗址内部情况，需在后续施工中对设计方案及时进行优化调整。

(3)动态化监测原则。对施工中可能发生变形、开裂和损坏部位，设置监测点，注意观测记录，确保遗址结构和工作人员的安全[11]。

2.2 加固要求

不同于普通建筑结构加固工程[12-13]，对地震建筑遗址的加固，需维持结构受地震破坏后的空间状态，保证结构稳定承重和常遇地震作用下不倒塌及大块掉落。针对曲山小学遗址的加固，应考虑以下加固性要求：

(1)遵循文物保护的“最小干预原则”。遗址加固尽量在其内部或隐蔽部位完成，减少对外观的损坏。

(2)“原真性原则”。加固后的遗址应保证在未来较长时间内能够清晰、完整的展现遗址风貌。

(3)“可逆性原则和可识别原则”。采用易于区分且随时可进行拆除和替换的加固构件。

(4)“抗倒塌优先原则”。地震破坏后的遗址结构，大多已不具备稳定承载能力，处于不稳定状态。其加固的首要目的就需提高结构抗倒塌能力。

(5)地震导致遗址的排水、保温等基本性围护构件损坏，暴露在外的构件易受环境侵蚀[14]。为保证遗址安全，还需对加固构件进行防腐、防侵蚀及防水处理，如为整个遗址设置遮棚等举措。

2.3 加固设计思路

针对遗址结构加固前所处损伤状态，按照以上所提出的保护性加固原则及要求，考虑到现场实际施工环境，综合分析“进度、成本、质量、安全”四大施工因素后，拟采取以下加固性设计思路。

基于先整体后局部原则，针对遗址整体的加固采用内置钢框架结构体系，使砖混-梁板结构转变为砖混-钢支撑结构，共同受力形成双重结构体系(图4)。具体加固采用同济大学提出的“拐杖理论”，即针对开裂的梁采用“撑”，有一定倾斜度的楼板采用“顶”，失去承载力的柱采用“挑”，存在裂缝但保持完整的墙体采用“靠”，呈悬挂状的附属构件采用“拉”的方式进行局部构件的加固，总结为“撑、顶、挑、靠、拉”5个关键点。加固构件采用操作简单、施工方便且易于区分的钢结构。

3 整体加固

3.1 墙体加固

教学楼砖墙破坏形式有斜裂缝、水平裂缝以及外纵墙倒塌，内横墙存在通裂缝，轴墙体有较大位移和错位，轴端部山墙倾斜。墙体破坏形式如图5所示，加固措施见表1。

3.2 稳定空间的加固

图4 曲山小学二层平面加固图Fig.4 The second floor reinforcement plan for Qushan Primary School

图5 墙体破坏形式Fig.5 Wall damaged situation

部位破坏特征加固措施纵墙①-④轴后勤办公室外纵墙基本完全倒塌,梁柱节点处剩余两个残余砖墙垛。在剩余的两个墙垛处,焊接4根L100×10的角钢立柱,外挂 10 mm的铁丝网,将残余的墙垛包裹,并在铁丝网内填充卵石。为防止卵石受挤压而向外凸出影响美观及加固性能,可在铁丝网外部焊接两道型钢。-轴教室外纵墙完全倒塌,轴Ⓓ处横梁保持完整。在轴与轴墙体的外侧以及挑出倒塌柱体一定距离的山体处固定3根工字型钢,共同作用于梁柱节点处,3根型钢采用结点板的方式进行焊接连接,形成三角支撑稳定体系。横墙轴⑨与轴处内横墙均存在较宽通裂缝,最大裂缝为20 mm。在原有墙体两侧固定外贴等边角钢L100×10,长螺栓穿过墙体裂缝进行连接,并采用槽钢对墙体进行有效拉结,后对墙体裂缝进行封缝、灌浆,增强墙体耐久性。山墙轴①处端部墙体外倾3.83°。采用钢管在墙体外侧的横梁处进行支顶处理。其它墙体斜裂缝、水平裂缝以及墙体倾斜、错位等。(1)裂缝小于0.3 mm,不做任何处理。(2)有裂缝但保持相对完整的横纵墙体,采用压力灌浆法处理,提高其耐久性。(3)采用HPB300级 20 mm钢筋或打入膨胀螺栓将其拉结到稳定承重结构主体上。

3.3 大开间房屋的加固

①-④轴为3开间的大教室，横梁采用矩形梁，楼板为预制楼板，墙体处设有承力壁柱，共同形成砖混纵横混合承重体系。靠近走廊处的墙体上开有大窗体和前后门，方便教室采光和学生进出。

②轴与③轴的花篮梁均保持完整，①-②轴预制楼板部分坍落，②-④轴楼板保持完整，轴外纵墙及靠近节点处的两个壁柱均已倒塌，①轴与④轴处的内横墙均保持完整(图7)。

针对大开间房屋的加固，主要采用“顶”、“撑”的方式。即先将Q235B型钢立柱焊接一定厚度的钢板后，支顶在紧临墙体的楼板处，后在φ120×2钢管立柱顶部焊接槽钢支撑在花篮梁下侧，立柱间均采用L100×6角钢进行上下两道横向焊接连接，横梁间均焊接φ12钢筋的斜拉索，形成内置钢框架结构加固体系。

图6 ⑦-轴过厅落板Fig.6 Dropped floors of Hallway in ⑦- axis

图7 ①-④轴部分楼板塌落Fig.7 Partial floors slump in ①-④ axis

3.4 走廊的加固

外廊是在楼主体墙外悬挑的走廊结构，具有良好的采光和通风功能。

由于走廊处的梁体基本完整，加固时可采用“撑”的方式。即将Q235B型钢立柱在其顶部焊接凹槽后支撑在梁体下侧，立柱间均采用L100×6的角钢进行上下两道焊接连接，并在立柱底部垫有一定厚度的混凝土基础。

3.5 附属构件的加固

附属结构的加固采用“拉”的方式。即针对女儿墙的倾斜、预制楼板的移位、混凝土块及钢筋的掉落等破坏构件(图9)，可在其隐蔽部位采用拉索卡扣绑紧后拉结到主体结构上。对于-轴残存的独立建筑，采用HPB300级φ20的钢筋将其拉结到右侧完整结构上。

图8 ①-⑦轴走廊处的破坏Fig.8 Damaged corridor in ①-⑦ axis

图9 悬挂着的混凝土块Fig.9 Hanging concrete blocks

3.6 局部修复

为保证地震遗址的完整性，除对结构内部空间形态加固外，还需对局部区域进行补强修复。借鉴古建筑文物“修旧如旧”的原则，对曲山小学遗址局部进行补强修复。

(1)由于地震以及长时间的环境侵蚀，标语及其支架都已松动、折断或掉落在废墟，仅剩“向世界”字体(图10)。①对于已经折断的标语，采用黏结法拼接完整后，使用与原支架易于区分的钢构件进行焊接、架固，并拉结到稳定结构主体。②对于完整标语表面以及被严重锈蚀的固定支架，重新喷镀金属保护层进行防腐处理或采用玻璃罩附着在表面。

(2)为与遗址整体环境相协调，对部分倾覆或散落于路面的废墟及周边深根性杂草、灌木等进行清理，但不得对房屋楼层面及临近-轴处的废墟(图11)进行清理铲除，以免引起房屋倒塌。为防止遗址遭到人为破坏，还需在四周设置围栏隔离，避免参观人员近距离接触。

图10 损坏的标语及支架Fig.10 Damaged slogan and supports

图11 -轴处的废墟Fig.11 Ruins in - axis

4 施工应用

基于以上所提出的遗址保护性加固策略与加固措施，将其应用于北川县曲山小学遗址保护性加固工程。该教学楼处于严重震损状态，二层结构塌落于一层楼面，房屋内部损毁严重，施工场地狭窄，地基不稳定、结构物的掉落等工程特点都导致了现场施工难度大、施工环境复杂、施工风险大等问题，使得加固性设计与实际施工稍有差异。目前，该加固工程已基本完工，根现场施工情况整体取得了不错的加固效果，可确保遗址在若干年内基本风貌和受力状态不发生较大改变。

本工程遵循“先二层、后三层”的加固原则，整个加固顺序按照教学楼东侧往西侧依次推进。虽然单个空间的震损现状不尽相同，但其加固理念与加固目标类似。本文仅以东侧教学楼-轴教室、-轴走廊加固的施工现场为例，详细介绍加固设计方案的实施情况以及钢结构的施工流程及其注意事项。

4.1 大开间房屋的施工

图12 -轴教室破坏现状Fig.12 Damaged situation in - axis classroom

采用内置型钢框架对其进行加固，现场整体施工如图13所示，局部节点施工如图14所示。具体施工步骤如下：(1)确定轴与轴梁柱节点处立柱的位置与高程，拧紧螺栓固定立柱垫脚及立柱，焊接横梁。(2)固定-轴教室墙体四周以及梁体中心立柱位置，立柱顶部焊接梁体卡槽，靠近墙体侧的立柱顶部焊接3 mm厚的钢板。(3)采用焊接方式对立柱与横梁进行横向连接。(4)立柱与横梁间安装斜拉索，形成内置型钢框架结构体系。

注意事项如下：(1)为保证施工人员在进行施工操作时具有一定的工作面，立柱的位置一般确定为距离墙体30～50 mm左右。(2)为保证下横梁的安放位置，可对地面物做适当处理，但应保证地基的稳定性，尽量不去扰动大体积混凝土块等主体结构掉落物。(3)斜拉索端部钢筋弯曲形成内径为13 mm的圆，中间部分为JW3303型UU花篮螺栓。(4)针对倾斜的梁体，可调整卡槽位置后，在卡槽与梁体缝隙处浇筑细石混凝土或嵌插砖块，保证楼层梁体压紧下层型钢框架，使其共同承重。

4.2 走廊处的施工

图13 -轴教室内部整体施工图Fig.13 Internal overall construction drawings in - axis classroom

图14 -轴教室局部节点施工图Fig.14 Local node construction drawings in - axis classroom

图15 ①-⑦轴走廊内部整体施工图Fig.15 Internal overall construction drawings in ①-⑦ axis corridor

图16 ①-⑦轴走廊局部施工图Fig.16 Local construction drawings in ①-⑦ axis corridor

5 结论

通过对曲山小学遗址破坏现状的实地调查，整理了相关古建筑文物以及近代地震建筑遗址的加固原则及措施，借鉴文物古迹保护准则，结合地震遗址保护性加固要求，提出了针对曲山小学遗址加固设计思路及相应的加固技术方案，即整体采用内置钢框架加固体系，局部构件的加固采用“撑、顶、挑、靠、拉”5种方式，保证了遗存本体的原貌，对北川县城遗址房屋以及类似地震建筑遗址的保护性加固提供了技术借鉴，具有一定的示范意义。