上海世博俄罗斯馆改造前抗震鉴定

0 引言

随着世博会的落幕，世博建筑服务于世博会的功能已圆满完成。但世博建筑不只是承载一场盛会的绚烂而短暂的烟火，更可以通过后续利用促进城市发展、实现城市功能的提升[1]。根据上海市政府《关于同意〈浦东新区耀华地块Z000101单元（黄浦江沿岸ES2单元）世博文化公园（暂定名）控制性详细规划（实施深化）〉的批复》，建设世博文化公园，是上海完善生态系统，提升空间品质，延续世博精神，建设卓越全球城市的重大举措之一。世博文化公园突出生态性、文化性与公共性，定位为生态自然永续的大公园、文化融合创新的大公园、市民欢聚共享的大公园[2]。由于大部分展馆都是按照临时建筑设计，若要作为保留建筑进行改造，根据相关规范要求，应首先按C类建筑、后续使用50年的现行设计规范要求进行抗震鉴定。本文将结合上海世博俄罗斯馆的改造项目，介绍该场馆改造前的抗震鉴定工作。

1 工程概况

1.1 设计理念

上海世博俄罗斯馆的设计灵感来源于苏联儿童文学作家尼古拉·诺索夫的三部曲童话作品《小无知历险记》，力求呈现一个美丽、精湛、充满童话色彩的儿童花园城。以“小无知漫游未来”为主题构思，将展馆划分为童年城、青年城、大世界3部分，分别展示“花的城市”“太阳城”“月亮城”3个主题，在充满诙谐、童趣的布景下，使参观者在馆内隐秘的小路上感受到许多神秘又有趣的发现[3]。

1.2 建筑概况

俄罗斯馆位于原世博会C片区，建造于2010年，占地面积为6 000 m2，建筑面积约6 480.9 m2，建筑外包总尺寸为70.00 m×70.00 m，主要作为展馆使用。其建筑平面由12个充满俄罗斯风情的“花瓣”塔楼和“悬浮在空中”的立方体组成，外形设计类似古代斯拉夫人的小村落，象征着生命之花、太阳和世界树（斯拉夫人枝叶繁茂的橡树）的根。展馆建筑既似花朵，又似“生命树”，顶部的镂空图案则表现了俄罗斯各民族的装饰特色。房屋外立面塔楼由白、金、红三种颜色构成，白色和金色塑造了俄罗斯建筑的历史形象，而红色底色加上富有俄罗斯各民族元素的图案，则赋予了塔楼顶部镂空部分以生命力。

房屋中部立方体部分为2层（外圈设检修马道）的钢框架结构房屋；外围12座塔楼围绕中部立方体环向布置，且各塔楼都近似呈L形，水平部分连接到标高5.20 m处的巨大中央广场。中央广场与象征摩天大厦的塔楼、周围的自然景观一起，共同构成现代大都市的“三位一体”。

房屋中部立方体部分主屋面高18 m，其中，一层层高5.2 m，二层层高12.8 m；塔楼部分一层层高主要为3.6 m，二层层高主要为3.65～4.52 m，三层层高主要为2.88～5.95 m等。

房屋原设计中，①将中央立方体部分一层作为展览厅使用，中部为象征贝加尔湖的水景（图1）；②二层作为展览厅使用；③各塔楼主要用作商店、展厅、餐厅、办公、控制室等（图2）；④共设7部钢结构楼梯、1部扶梯、1部垂直电梯，且钢结构楼梯分别位于各塔楼，扶梯位于1#塔楼，垂直电梯位于中部立方体东北角。房屋典型剖面见图3。

1.3 结构概况

图1 一层建筑平面图

图2 二层建筑平面图

图3 典型剖面图

本次鉴定场馆为主体2层（外圈设检修马道）的钢框架结构房屋。其外围12座塔楼围绕主体环向布置，主要为4～5层的钢框架结构；塔楼结构与主体区域主要采用底层结构相连、上部脱开的结构做法，底层采用共用柱的方式与主体结构相连。房屋主体中部设有3个钢筒体结构，并依托中部筒体设置环向走道，连接室内地面与二层展厅。二层展厅为大空间，其竖向依靠圆钢管柱承重，水平向为型钢梁、压型钢板混凝土组合楼板承重；二层展厅内圈不规则弧形区域为悬挑结构，部分弧形梁采用H型截面，两端为铰接连接（图4）；屋面采用钢网架结构，屋架搁置于主体结构及中部筒体顶部。

上部结构钢柱主要采用A 500 mm ×12 mm、A 400 mm× 12 mm、A 35 mm×12 mm、H 200 mm×200 mm×8 mm× 10 mm等；钢梁主要采用H 1 000 mm×300 mm×12 mm× 16 mm、H550 mm×200 mm× 8 mm×12 mm、H400 mm× 200 mm×6 mm×12 mm、H550 mm ×250 mm×8 mm×16 mm等；楼面主要采用压型钢板混凝土组合楼面，型号为YXB51-226-678，板厚主要为130 mm、波高51 mm。屋面采用钢网架结构坡屋面，杆件截面尺寸主要有98 mm×5 mm、114 mm×5 mm等；主体部分采用压型钢板岩棉夹芯板屋面，塔楼部分屋面为压型钢板钢筋混凝土组合屋面。钢材强度除圆管柱采用Q345B外，其余均采用Q235级钢材。

图4 主体5.05 m标高楼面结构平面图

该场馆基础采用桩基础，承台底标高主要为-2.00 m；抗压桩主要采用PHC-AB400-80-18，桩长18 m，单桩竖向抗压承载力特征值为500 kN。矩形承台截面尺寸主要有：1 000 mm×1 000 mm、1 000 mm× 2 400 mm、1 000 mm×2 800 mm、1 000 mm×3 200 mm等；三 角 形承台截面尺寸主要有：2 210 mm× 2 534 mm、2 610 mm×2 534 mm、1 000 mm×2 800 mm等；承台厚度以800 mm为主。

2 初步改造方案

本次改造方案以原有建筑设计概念为基础，在尽可能保留和恢复原场馆样貌的同时，结合世博文化属性及现有公园景观规划，重新使世博场馆焕发新的生机和活力。改造后建筑主要用于欢聚VENUE、商店、餐厅等，主要改造内容及功能如下。

（1）将一层主体区域展演厅改造为欢聚VENUE。其中，2#、3#、4#塔楼局部购餐间改造为后厨，7#、9#塔楼展厅改造为主题手工坊，10#塔楼接待处改造为办公区，12#塔楼商店改造为主题手工坊。

（2）将二层主体区域展演厅改造为欢聚VENUE。主体四角改造为设备间，2#、3#塔楼局部改造为后厨，10#塔楼改造为办公区，11#塔楼改造为卫生间。

（3）拆除二层以上中庭区域，保留走道，并将与走道无关的穿层柱拆除；拆除原中庭上方网架屋盖，重新设计为采光屋顶。

（4）在二层及屋顶的四个角部增加设备机房。

（5）在2#塔楼5.07 m（结构标高）处增加楼梯夹层。

3 结构检测

根据俄罗斯馆的原设计施工图纸，对该馆建筑结构图纸进行复核，主要包括建筑平面尺寸、楼层层高、结构构件尺寸、承重构件材料强度、钢构件锈蚀率、连接焊缝质量、结构损伤情况、型钢构件变形及挠度测量等，明确现阶段情况。其主要检测结果如下。

（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取消楼梯的情况。

（2）结构体系、结构构件布置及截面尺寸与原设计图纸基本相符。

（3）圆管柱钢材的强度基本满足Q345B的设计要求；框架梁钢材强度均满足Q235B的设计要求。

（4）对锈蚀较为明显的钢构件进行抽测，其锈蚀深度平均值为0.6 mm，钢材锈蚀率平均值为4.3%。经分析，房屋抽测的主体结构锈蚀深度较轻微，对构件承载力无明显不利影响。

（5）对钢柱、钢梁抽测的共计6条对接焊缝进行超声检测，均未发现可记录性缺陷。

（6）外立面主要存在装饰盖板局部老化缺损、有坠落隐患等问题。室内主要存在设备、连接节点、幕墙龙骨普遍锈蚀，分隔墙渗水受潮等损坏现象，其中，钢构件、连接节点等普遍锈蚀，部分钢构件涂装老化，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）抽测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）允许的偏差要求，抽测的大跨梁及悬挑梁挠度基本满足《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）的要求。

（8）对主楼二层楼面进行相对高差测量，结果表明：主楼倾斜方向无明显一致性，仅个别存在一定规律性；其相对倾斜率较小，介于0.4‰～0.7‰。

4 抗震鉴定

4.1 抗震设防基本要求

根据《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，被鉴定场馆按照标准设防（丙类）、抗震设防烈度7度、基本地震加速度0.10g、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）等，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

对被鉴定场馆进行一般规定及抗震构造措施复核，结果表明：该馆整体高度、建筑高宽比、楼屋盖等一般规定均满足规范要求；框架柱长细比、梁与柱的连接构造等抗震构造措施等基本满足现行规范要求，但在现有荷载作用下，局部钢梁高厚比不满足规范要求。

4.3 结构承载力验算

根据改造方案及建筑、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YJK软件计算，计算模型如图5所示。

4.3.1 主要参数

（1）圆管柱取设计值Q345B，其余构件取设计值Q235；弹性模量为2.06×105 N/mm2，泊松比0.30，线膨胀系数为1.20×10-5，质量密度为7 850 kg/m3。

（2）恒载：屋面恒载0.3 kN/m2（不含网架自重，此次屋面网架采用3D3S单独计算，支座反力以点荷载形式加到主结构上），楼面附加恒荷载1.5 kN/m2，主体建筑外墙荷载1.0 kN/m2（按墙面面积），主体建筑外墙鳞片荷载0.5 kN/m2（按墙面面积），塔楼玻璃幕墙荷载1.5 kN/m2（按墙面面积），塔楼外皮和金属网荷载1.0 kN/m2（包括找形、固定用钢支架）。

（3）活荷载：办公2.0 kN/m2、后厨4.0 kN/m2、楼梯及楼梯间4.0 kN/m2、洗手间3.5 kN/m2、设备间7.0 kN/m2、欢聚AVENUE3.5 kN/m2、马道1.5 kN/m2、屋面0.5kN/m2。

（4）温度荷载取值为30℃。

（5）地震作用：设防烈度7度（0.1g），设计地震分组二组，场地类别IV类，特征周期0.9s，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。

4.3.2 主要计算结果

（1）在地震力作用下，主楼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：0.9397/1.0840=0.87<0.9，满足规范要求。

（2）在X向地震作用下，主楼结构楼层的最小剪重比为5.449%（有效质量系数为99.98%）；在Y向地震作用下，结构楼层的最小剪重比为5.408%（有效质量系数为99.85%）。两者均大于规范要求的最小剪重比1.6%，故满足规范要求。

（3）在地震力作用下，主楼X方向偶然偏心作用下的最大楼层位移比为1.14，Y方向偶然偏心作用下的楼层最大位移比为1.12，均小于1.2，且位移角均小于规范限值1/250，满足规范要求。

图5 计算模型

（4）根据抗震验算结果，被鉴定场馆主楼及12座塔楼构件的强度除部分构件外，均满足要求；但主楼抗风柱的稳定应力不满足要求。根据《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）第5.4 节规定，对其进行考虑初始缺陷的整体屈曲分析，结果表明：各阶模态屈曲因子均大于1.0，表明构件稳定承载力均满足要求；主楼除个别抗风柱强度有不足外，其余抗风柱均可以满足要求；主楼屋面在现有网架屋面荷载作用下，存在局部钢梁高厚比不满足规范要求。

4.4 基础承载力评估

选取该场馆典型桩基，进行基础承载力及桩基抗震承载力复核。经验算，在标准组合下，柱底最不利处基础承载力基本满足要求；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

为明确典型铰接连接节点受力情况，对受力特点具有普遍性、荷载较为不利梁的梁连接节点进行复核验算。结果表明：典型梁梁铰接节点的梁抗剪、节点板、螺栓单面受剪、螺栓群最大剪力、节点板焊缝、加劲板焊缝承载力均满足要求，但梁铰接节点处的螺栓垂边距、螺栓中心距不满足现行标准要求。

5 鉴定结论

根据检测鉴定情况，按照初步改造方案，被鉴定场馆主体结构无明显损坏现象，存在部分梁强度不足、部分梁稳定不满足要求、个别柱强度不足、局部钢梁高厚比不足的情况；大部分构件的强度及稳定性满足要求，一般规定及抗震构造措施基本满足现行设计规范要求，初步改造方案可行。

场馆外立面外皮及外墙鳞片存在多处老化缺损且局部存在坠落隐患，应采取措施对外墙装饰进行全面修复保养，确保房屋使用安全；对于普遍存在钢构件锈蚀、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。对于二层悬挑区域存在的安全隐患，建议维持目前使用现状，不宜作为主要承重构件。后续屋面改造过程中对搁置点支座反力进行精确计算，充分考虑对主体结构及相关基础受力的不利影响，减小钢梁水平轴力。

6 加固建议

（1）建议对强度不足或稳定性不足的构件，采取适当的方法进行加固。

（2）场馆主楼屋面在现有网架屋面荷载作用下，存在局部钢梁高厚比不满足规范要求，建议在后续屋面改造过程中，对搁置点支座反力进行精确计算，减小钢梁水平轴力；同时，充分考虑对原结构基础的不利影响，必要时，对原结构基础进行加固处理。

（3）根据初步改造方案，建议屋面改造设计充分考虑原有屋面搁置点及对主体结构受力的不利影响。加固工程应保证新增构件及部件与原结构的可靠连接，新增构件与原结构结合牢固，形成整体共同工作，避免对其余为加固构件及基础产生不利影响。

7 结语

上海世博会虽然已经落幕。对于那些尚未拆除的特色场馆建筑，在后续改造利用的过程中，不仅应考虑其作为展馆建筑的使用价值，更要让其代表的世博精神得以延续并发扬。根据现行规范，场馆的荷载分项系数等较原设计均有所提高，可能会存在部分承重构件承载力不满足现行规范要求。因此，在改造前对场馆进行抗震鉴定工作是非常必要的，能够提供房屋的整体现状及抗震性能，为后续改造设计提供技术依据。