近代历史建筑结构加固设计

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0引言

汕头市小公园开埠区位于汕头市金平区,是20世纪30年代以来汕头市的商业中心和文化中心,沿街骑楼建筑是潮汕建筑文化的代表,是汕头“百年商埠”的历史标志。历经百年沧桑,小公园开埠区因道路狭窄,交通拥挤,市政建设落后,功能混杂,楼栋结构老化严重、残破不堪,已难以满足现代城市发展需要。为保护汕头近代中西合璧的骑楼建筑风格,尊重和延续原有的城市空间形态和历史文化特征,使小公园开埠区的历史元素能得以保留和升华,适应现代化社会发展,重振“百年商埠”特有的影响力和魅力,恢复开埠区历史人文风貌,需对临街建筑和其他配套设施进行修复改造。

1工程概况

《汕头经济特区小公园开埠区保护条例》[1]要求小公园开埠区遵循统一规划,保护开埠区历史文化风貌和历史建筑的真实性、完整性。《汕头经济特区小公园开埠区保护规划》[2]将开埠区的所有建筑分为文物保护类建筑、非文物保护类建筑、风貌控制类建筑、保留类建筑、更新类建筑和拆除类建筑六大类。本改造设计范围位于小公园核心区,涉及13条街道两侧约200栋风貌控制类骑楼建筑的风貌修缮及结构加固设计,楼栋具体布置见图1中的红色区块。设计范围内改造建筑以低层和多层为主,2~3层建筑居多,少量为4层及5层建筑,均为混凝土框架结构。结构加固设计须遵循两大原则,一是修旧如旧,即不擅自改变建筑空间格局;二是整体性保护及精准修缮[3],即对改造范围内的楼栋按层数、破旧程度和原始商埠性质进行分类,实事求是,按类别进行不同的保护和修缮措施,对较完整的具有一定特色的建筑进行全貌保护,对较破旧难以修复的建筑,进行民间寻访和史料深查,找寻历史的痕迹,最大限度地还原当年的历史记忆。项目改造前后实景对比见图2。

2可靠性鉴定结果

根据《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB50292—2015)[4],结合本项目范围现状,建筑地基评定为非危险状态,基础评为B级,上部结构评为D级,房屋整体危险性评级为Ⅳ级,即为“整幢危房”,应对房屋整体进行加固。

(1)地基基础。经现场调查,房屋室内外地坪暂未发现开裂、下沉等现象,房屋一层填充墙及各层混凝土梁柱均未发现沉降裂缝。房屋倾斜值未达《危险房屋鉴定标准》(JGJ125—2016)[5]危险状态。

(2)框架柱。房屋各层混凝土柱普遍因主筋锈蚀导致主筋方向产生竖向或斜裂缝(图3)、保护层剥落、钢筋外露,保护层疏松,影响房屋结构安全性、使用性、耐久性。

(3)框架梁。房屋各层梁普遍因主筋锈蚀导致混凝土破损、脱落(图4);端节点连接松动,且伴有明显的裂缝;部分坍塌、缺失。

(4)混凝土楼、屋盖混凝土楼、屋面板普遍因板底钢筋锈蚀(图5)导致板底产生开裂,混凝土脱落。

(5)木楼盖。房屋木楼板及木格栅普遍霉变、腐朽,见图6。

(6)围护结构。房屋围护墙普遍破损、粉刷层脱落,立面门窗破损,见图7。

3抗震鉴定结果

根据《建筑抗震鉴定标准》(GB50023—2009)[6],本项目后续使用年限为30年,为A类建筑。由于建筑年代久远,无法提供原设计图纸,建造时遵循的设计标准已不可考,且必与国家现行规范的抗震构造措施存在较大差距,不满足第一级鉴定的要求。混凝土梁、板、柱普遍开裂、保护层脱落、钢筋锈蚀,无法进行第二级鉴定的抗震验算。评定本项目建筑物不满足抗震鉴定要求,需对房屋采取抗震加固措施。

4结构加固设计

4.1加固改造原则

小公园开埠区改造将遵循以下几项原则:

(1)安全可靠。在满足建筑使用功能的基础上,必须确保结构安全,安全可靠是结构的生命线。

(2)经济合理。在结构安全可靠的基础上,对结构方案进行优化,节约材料,以较小的经济代价达到本次修缮的目的。

(3)本次改造以保护原有建筑,还原、修缮建筑为主,原则上不应增加结构荷载,原有楼板拆除后按原楼板材料恢复。

(4)不改变原有建筑使用功能。

(5)不得破坏原有主体结构。

(6)根据《汕头经济特区小公园开埠区建设管理指引(试行)》[7],本工程根据建筑物及相邻建筑具体情况增加抗震措施,提高建筑综合抗震能力。按抗震设防烈度7度(0.1g)抗震设防。并考虑风荷载、正常使用荷载整体建模计算。

4.2加固改造方案

结构加固后续使用年限不少于30年。对于Ⅳ级危房,有以下处理方案:方案1:房屋整体拆除重建,其外墙采用建新如旧方式使其保留原建筑风格;方案2:保留修葺房屋外立面,内部架设临时支撑,重新设计,拆改其内部结构,以新建框架或钢结构体系承重;方案3:减小结构使用荷载,对上部危险构件进行加固或置换处理(具体加固方法根据每个危险构件的情况而定,如加大截面、贴钢板、外包钢等),对其余开裂、风化、老化等的构件进行修缮处理。根据经济合理、不破坏原有主体结构原则,选择方案3作为实施方案。

4.3加固后结构类型的转换

以方案3进行加固设计,对框架柱、框架梁采用外包钢加固,形成钢管柱、格构钢柱、格构钢梁,楼层处格构钢柱的四角再设置竖向加强角钢,此角钢与柱加固角钢互焊连接,在梁顶和梁底设水平加强角钢,此角钢与竖向加强角钢互焊连接,见图8。设置加强角钢用以保证梁柱节点钢板的连接和强节点弱构件的抗震构造要求。原混凝土框架结构转化为格构式钢框架结构。典型上部结构加固平面布置图见图9。结构类型的转化需要满足计算和构造要求。建模计算时,框架柱、框架梁按四角为角钢+缀板的格构式组合截面输入,不考虑原有混凝土结构的承载能力,原结构构件仅作为荷载输入。按钢框架结构采取整体计算设计指标,钢结构的抗震等级为四级,构造措施需满足《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)(2016年版)[8]第8.3节的要求。结构类型转化前后的计算参数和设计指标对比详见表1。混凝土框架转化为钢框架后,抗震等级可降低一级,层间位移指标有较大放宽,阻尼比和构件的承载力抗震调整系数稍有变化,柱轴压比控制更严格。典型楼栋加固后抗震验算指标详见表2。钢框架结构的剪重比、周期比、有效质量系数、位移等指标均满足抗规要求。

4.4原混凝土构件的修缮

(1)裂缝处理技术。混凝土裂缝宽度不小于0.2mm时,采用环氧树脂浆液灌注处理;裂缝宽度小于0.2mm时,采取表面封闭法处理。采用环氧树脂浆液灌注处理时,应先将裂缝表面清理干净;裂缝表面封缝可靠,灌胶嘴安装间距合适;灌胶顺序和操作要求规范,确保灌胶密实。采用表面封闭法处理时,可以采用有良好渗透性、较强抗剥离能力和很小收缩性的修补胶封闭裂缝通道。对于非承重砌体墙体的裂缝采用水泥聚合物砂浆灌缝处理,灌缝前应清除粉刷层并冲洗干净,构造及施工要点参照《房屋建筑抗震加固(一)》(09SG619-1)[9],采用填缝密封修补法和配筋填缝密封修补法。在墙体两侧每隔4~5皮砖剔凿一道长约800mm、深约35mm的砖缝,埋入一根ϕ6钢筋,端部弯直钩并嵌入砖墙竖缝,然后用强度等级为M10的水泥砂浆嵌填严实。

(2)混凝土缺陷处理技术。原混凝土出现疏松、破损、严重碳化等缺陷时进行修复处理。首先清理缺陷部位至坚实基层并清洗干净;经充分湿润后采用修补砂浆进行修复。对大体积缺陷,采用注浆料浇筑进行修复。混凝土保护层不足时对保护层进行修复;出现露筋、钢筋锈蚀等现象,首先清除钢筋周边破损混凝土,对钢筋进行除锈和清洁处理,再采用修补砂浆进行修复。

4.5原结构构件的加固设计

(1)基础加固设计:根据《既有建筑地基基础加固技术规范》(JGJ123—2012)[10],典型基础加固平面布置图见图10。在原独立柱基础之上,增设筏板基础,柱和筏板之间增设型钢抗剪键(图11),增强基础的整体性,减小软土地基区域结构的沉降及沉降差。

(2)混凝土柱加固设计:原混凝土梁修缮后,不考虑原混凝土柱承载力,矩形柱外包格构钢柱,按格构钢柱设计,见图12。骑楼圆柱外包钢管,按钢管柱设计,见图13~15。

(3)混凝土梁加固设计:原混凝土梁修缮后,梁表面外包格构式钢梁,不考虑原混凝土梁承载力,按格构钢梁设计,见图16。

(4)混凝土板加固设计:混凝土楼板均拆除并按原厚度恢复。

(5)木楼板加固设计:木楼板拆除后再按原貌恢复。木龙骨固定在梁侧的角钢上,木楼板用钢钉固定在木龙骨上。木构件进行防火处理,增强建筑构件的耐火能力。因木楼板水平刚度很弱,增加水平支撑传递水平作用,见图17。

(6)节点加固设计:节点设计复杂,包括混凝土外包格构钢梁柱节点、钢格构柱及钢管柱与筏板基础连接节点、钢格构柱上新增混凝土柱节点、木楼板及水平支撑与钢格构柱连接节点等。

(7)普通砖砌墙体加固设计:沿街正立面、侧立面墙体需要原位保留。采用挂钢丝网抹水泥砂浆、楼板处设配筋加强带、墙体设对穿钢筋及钢筋两侧塞焊钢板等方式加固,见图18。

5结语

本项目改造内容多、涉及范围广,在修复改造中采用将混凝土框架结构转换为格构式钢框架结构的加固方法,坚持贯彻“修旧如旧”的改造理念,以保持和延续其历史文化风貌、传统格局、街巷肌理、空间尺度,维护历史文化遗产的真实性和完整性。

参考文献

[1]汕头经济特区小公园开埠区保护条例[A].汕头:汕头市人大,2014.

[2]汕头经济特区小公园开埠区保护规划[A].汕头:汕头市城乡规划局,2017.

[3]周广强,张芳,陈国斌,等.某近现代历史建筑的鉴定与加固[J].建筑结构,2020,50(6):25-28.

[4]民用建筑可靠性鉴定标准:GB50292—2015[S].北京:中国建筑工业出版社,2016.

[5]危险房屋鉴定标准:JGJ125—2016[S].北京:中国建筑工业出版社,2016.

[6]建筑抗震鉴定标准:GB50023—2009[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[7]汕头经济特区小公园开埠区建设管理指引(试行)[A].汕头:汕头经济特区小公园开埠区保护管理委员会,2017.

[8]建筑抗震设计规范:GB50011—2010[S].2016年版.北京:中国建筑工业出版社,2016.

[9]房屋建筑抗震加固(一):09SG619-1[S].北京:中国计划出版社,2009.

[10]既有建筑地基基础加固技术规范:JGJ123—2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

作者:易广智 王四清 邓晓春 杨晓 刘建文 张忠喜 单位:湖南省建筑设计院集团股份有限公司