上海世博会法国馆改造前抗震鉴定

■ 陈小杰 CHEN Xiaojie

0 引言

2010 年，以“城市，让生活更美好”为主题的世博会在上海成功举办。盛会中建成的一大批形态各异的临时展馆，融合了多种创意元素，兼具技术与艺术价值，具有一定的文化象征，日益成为城市的特色标识和公众的时代记忆，如：以“东方之冠”为构思的中国国家馆、以“创意之馆”为主题的英国馆、以“亦小亦美”为主题的卢森堡馆、以“城市与人”为主题的俄罗斯馆、以“生命的活力”为主题的沙特馆等。随着世博会的落幕，世博标识性建筑的后续利用工作对延续世博精神、提升空间品质具有重大意义。基于实际情况，多数世博展馆为临时建筑，结构计算时对地震作用有所折减。因此，在改造利用展馆的同时，需对场馆的抗震能力进行检测和鉴定，并针对不满足抗震要求的情况进行适当加固处理。本文将重点介绍上海世博会法国馆改造项目的抗震鉴定工作。

1 工程概况

1.1 建筑概况

法国馆位于原世博会C 片区，建造于2010 年，占地面积864 m2，建筑面积约7 620 m2，建筑外包总尺寸64.4 m×70.4 m。房屋局部地下1 层，地上4 层（局部5 层），主要作为展馆使用。

场馆底层设有管理、快餐、纪念品出售等功能，入口位于房屋的南立面西侧，参观者可以沿着底部过道绕中央庭院参观，也可以沿着南立面的自动扶梯直达位于屋面的展馆入口[1]。

场馆外层的方钢管网格是它最具特色的地方[1]。外层网格脱离于建筑主体约3.0 m，令场馆外表呈现出更加贴近城市的亲切肌理。

场馆的展览空间由一段段围绕着中央庭院的连续折线状上升空间组成，展览流线布局清晰。其整体流线为：由南侧自动扶梯直达场馆顶层，进入展馆入口；然后沿各层展示通道逐渐向下，到达位于二层的展馆出口；再经坡道到达地面出口（图1）。展厅各段折线状展示空间均为有坡度的展廊形式[1]，坡度较缓，使观者如履平地，其三层建筑平面图见图2。

展馆的辅助空间如办公、储藏、卫浴、厨房等均分布于展馆外侧，并通过位于建筑四角的疏散楼梯形成其专门的交通流线。相对于展示空间，该空间较为独立[1]（图2）。

1.2 结构概况

本场馆为钢框架结构房屋，其结构体系由主体结构、围护网格结构和屋面花园附属结构（现已拆除）组成。其中，主体结构采用H 型钢和方钢管组成的多层多跨框架结构，同时承受竖向荷载和水平荷载（风和地震）；建筑四周的围护为壳体结构，其平面构造相对稳定，底部通过部分斜杆延伸形成的桁架与基础相连，侧向通过拉杆和压杆与主体结构铰接相连，保证了平面外的稳定性；为了提高结构的抗侧刚度，使附属网格结构与主体结构共同抵抗水平荷载作用，在建筑平面各边中部沿水平方向的各楼层位置设置水平桁架，确保水平力有效传递[2]。

世博会场馆上部结构钢柱主要采用H450×300×14×32、H300×300 ×12×30等，钢梁主要采用H450 ×300×12×20、H400×300×12 ×20、H350×300 ×10×16、H500 ×300×12×25等，楼屋面主要采用压型钢板混凝土组合楼面，型号为YXB51-305-915，板厚100 mm、131 mm等。混凝土部分强度等级为C30，钢材主要为Q345B级钢材。房屋结构平面图详见图3、4。

图2 三层建筑平面示意图

场馆基础采用桩筏基础，地下室底板板底标高为-6.20 m，其余区域底板板底标高为-0.63 m。工程桩采用开口钢管桩，钢管桩尺寸为D508×11、D325×6，桩长主要为13 m、18 m，单桩竖向抗压承载力设计值约为740 kN、410 kN；单桩承台截面尺寸主要有800 mm×800 mm、1 000 mm ×1 000 mm 两种，两桩承台截面尺寸为1 000 mm ×2 500 mm，三桩承台截面尺寸为2 300 mm×2 654 mm（三角形布桩），四桩承台截面尺寸为2 500 mm×2 500 mm，承台厚度为1 000 mm；地下室底板厚度主要为500 mm，水池底板厚度为250 mm等。

2 初步改造方案

本次对法国馆的改造将遵循原有建筑设计概念，尽可能保留及恢复场馆原有样貌。在保留其世博文化属性的同时，结合现有公园景观，使建筑更好地在新环境中焕发新的生机。改造后，建筑将主要用于展厅、咖啡厅、办公等，其主要改造内容及功能如下：①负一层低压配电间、水处理间、灌溉水设备间改造为灌溉及生活水泵房；②一层主入口两侧原安保（消控中心）、团体等候间改造为设备用房，东侧商店改造为卫生间；③二层北侧展厅区域改造为咖啡厅，西侧会议厅区域改造为展厅，西南侧公共前区改造为展厅；④三层环向公共前区改造为展区；⑤四层环向公共前区改造为展区，西侧办公室改造为卫生间及楼梯间，东侧设备间改造为办公室及楼梯间；⑥五层拆除屋顶东西侧后期加建，恢复原有屋顶花园景色；⑦房屋东侧及西侧各增加两部通高楼梯间。

3 结构检测

图3 二层结构平面示意图

图4 三层结构平面示意图

根据房屋设计施工图纸，对场馆建筑平面布置、结构体系进行复核，并检测结构构件截面尺寸、钢材材料强度、钢构件锈蚀率、钢构件焊缝质量、结构损坏情况、钢框架柱垂直度及大跨度构件挠度进行现场检测测量，得到场馆的整体现状。主要检测结果如下：

（1）建筑平面布置与原设计图纸基本相符，存在局部区域增设分隔墙及屋面搭建的情况。

（2）结构体系及结构构件截面尺寸与原设计图纸基本相符。

（3）钢材的强度基本满足Q345B 的设计要求。

（4）抽检的钢柱锈蚀较为明显，锈蚀深度平均值为0.3 mm，钢材锈蚀率平均值为1.0%。经分析，房屋结构构件未见普遍锈蚀现象，对构件承载力无明显不利影响。

（5）对钢柱、钢梁抽检的共计23 条对接焊缝进行超声检测，发现有2 条对接焊缝不合格，其余21 条对接焊缝均未发现可记录性缺陷。

（6）外立面主要外装饰内侧设备盖板普遍存在渗水锈蚀现象，且外立面局部型钢涂层开裂、局部钢柱根部锈蚀、部分钢柱锈蚀严重，未发现因承载力不足或不均匀沉降引起的开裂或变形现象。

（7）柱垂直度偏差基本满足《钢结构工程施工质量验收规范》（GB 50205—2001）允许偏差要求，抽测的大跨梁挠度基本满足《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）的要求。

4 抗震鉴定

4.1 抗震设防基本要求

按照《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223—2008）、上海市工程建设规范《现有建筑抗震鉴定与加固 规 程》（DGJ 08—81—2015）、上海市工程建设规范《建筑抗震设计规 程》（DGJ 08—9—2013）、国家标准《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）的规定，法国馆按照标准设防（丙类）、抗震设防烈度7度、基本地震加速度0.1 g、地震分组第二组、场地类别IV 类、抗震鉴定分类C 类建筑（后续使用年限50 年），从地基和基础、一般规定、抗震构造措施等方面进行抗震鉴定。

4.2 抗震构造措施复核

对一般规定、抗震构造措施的复核结果表明，法国馆高度、高宽比、楼屋盖等一般规定满足要求；框架柱长细比、板件宽厚比、梁与柱的连接构造等抗震构造措施基本满足现行规范要求。

4.3 结构承载力验算

根据房屋改造方案及建筑、结构现状检测结果，按照《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB 50068—2018）、《建筑抗震设计规程》（DGJ 08—9—2013）、《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）、《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）、《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）等现行标准，采用3D3S 软件计算，计算模型如图5 所示。

（1）计算主要参数为：钢框架结构构件取设计值Q345B，弹性模量2.06×105N/mm2，泊松比0.30，线膨胀系数1.20×10-5，密度为7 850 kg/m3。

（2）恒载：楼面及屋面附加恒载4.0 kN/m2，屋面绿化15 kN/m2，绿化吊挂内圈钢梁布置10 kN/m 线荷载等。

（3）活荷载：钢平台3.5 kN/m2、楼梯3.5 kN/m2、展厅3.5 kN/m2、会议室2.0 kN/m2、咖啡厅2.5 kN/m2、卫生间2.5 kN/m2、设备间7.0 kN/m2、厨房4.0 kN/m2、餐厅2.5 kN/m2，餐厅屋面2.0 kN/m2、屋顶花园3.0 kN/m2。

（4）温度荷载：温度荷载取值为正负30℃。

（5）地震作用：设防烈度7度（相当于0.1g，注：g 为重力加速度），设计地震分组二组，场地类别IV 类，特征周期0.9 s，钢框架抗震等级四级。

（6）风荷载：基本风压取值0.55 kN/m2，地面粗糙度类别B 类。

在地震力作用下，结构以扭转为主的第一自振周期与以平动为主的第一自振周期之比为：1.31828/1.52171 =0.87<0.9，X 方向质量参与系数为91.40%，Y 方向质量参与系数为93.14%，满足规范要求。多遇地震作用下，存在局部钢梁承载力不足、个别钢梁长细比不足、个别钢梁稳定不足、个别钢柱承载力不足等问题。

4.4 基础承载力评估

选取典型的桩基进行基础承载力验算、考虑腐蚀情况下桩身结构强度验算、桩基抗震承载力复核。对柱底最不利处标准组合基础承载力进行验算复核，结果基本满足要求。由于开口钢管桩受地下水等微腐蚀环境影响，故对扣除腐蚀影响后的桩身强度进行验算复核，在微腐蚀环境影响下，场馆开口钢管桩在目标使用年限内的桩身承载力满足设计要求。在地震作用效应和其他作用效应的基本组合下，低承台桩基抗震验算中的单桩竖向承载力满足要求。

4.5 典型节点连接验算

法国馆大部分连接节点均采用坡口全熔透焊的等强刚接，铰接节点较少。为明确典型铰接连接节点受力情况，选取受力特点具有普遍性、荷载最不利梁的梁节点，按照《钢结构设计标准》（GB 50017—2017），对节点板、单面受剪螺栓、螺栓群最大剪力、节点板焊缝、加劲板焊缝应力进行复核验算。

根据典型节点验算结果，典型梁梁铰接节点的抗剪承载力、节点板承载力、螺栓单面受剪承载力、螺栓群最大剪力、节点板焊缝承载力、加劲板焊缝承载力均满足要求，但梁铰接节点处螺栓垂边距、螺栓中心距不满足现行标准要求。

5 鉴定结论及加固建议

根据改造方案，场馆改造后主要作为展厅、咖啡厅、办公等，结构改动主要为房屋东侧及西侧各增建两部通高楼梯间、拆除屋顶东西侧后期加建部分，整体竖向荷载无明显增大，仅个别区域因使用功能改变较原设计荷载有所增加。

综合以上检测鉴定结果，按照初步改造方案，场馆主体结构基本完好，局部钢梁承载力不足、个别钢梁长细比不足、个别钢梁稳定不足、个别钢柱承载力不足，部分梁的梁铰接节点处螺栓垂边距、螺栓中心距不满足现行标准要求，初步改造方案可行，但应采取措施对强度及稳定性不足的构件进行加固，对节点处螺栓顺边距、垂边距不足进行处理，同时，应对渗水、钢构件锈蚀等损坏对症修缮。具体方案如下：

（1）对强度不足的构件可采用增大截面法、粘贴钢板等方法进行加固；对稳定性不足的构件可采用增设加劲肋的方法进行加固；对于结构不规则部分，建议采取适当的加强措施，如采用加大周边构件刚度、加大楼层侧向刚度等方法进行加固。

（2）房屋存在局部钢构件锈蚀、涂层起皮脱落等损坏，应结合此次改造，做好钢结构构件的除锈涂装工作，定期对主要承重构件进行维护保养；对房屋出现的其它损坏现象，建议进行对症修缮。

图5 计算模型图

（3）因部分钢结构铰接连接节点螺栓抗剪承载力富余量较小，后续使用过程中，应严格控制使用荷载。

（4）钢结构的加固设计，应与实际施工方法紧密结合，采取有效措施，保证新增构件及部件与原结构连接可靠、新增截面与原截面结合牢固，形成整体共同工作；并应避免对未加固部分及相关结构、构件和地基基础造成不利影响。

（5）改造应在充分考虑周围建筑现状的情况下优化施工设计方案；施工过程中不得扰动原地基基础；同时，应注重对房屋原有结构、填充墙体等围护结构完损状况的巡查，及时制定施工中原有结构出现意外损坏后的应急处理措施。

6 结语

由于世博会期间的大部分场馆是按照《世博会临时建筑物、构筑物设计标准》设计，作为临时建筑，结构重要性系数取为0.9，多遇地震作用下的截面抗震验算时，丙类建筑地震作用折减系数取为0.65，各方面设计指标均有所放松。此次法国馆作为保留建筑进行改造，根据现行规范要求，结构重要性系数、地震作用等较原设计均有所提高，存在部分承重构件承载力不满足现行规范要求的情况，因此，在改造和利用展馆的同时，对场馆的抗震能力进行检测和鉴定，为后续改造设计提供技术依据，也可对同类临时建筑改造项目的检测鉴定提供参考。