某文物保护建筑加固改造结构设计

陈曦

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092）

1 工程概况

杨浦区机关老行政办公楼位于杨浦区西南角，惠民路与怀德路交叉口。原建筑始建于1927年，建筑平面呈“凹”形，东西向长132m，南北向长28m，地上5 层（局部6 层），总高17.1m，有局部地下室，建筑面积8207m2。改造后的建筑立面效果见图1。

图1 改造后建筑效果图

2 结构现状及加固改造方案

原建筑由4 栋单体组成，均为内框架砌体结构，单体之间设置防震缝。外墙厚度为762～229mm，沿高度逐层减小；楼盖形式为密肋楼盖，肋高152mm，肋间距305mm，板面厚51mm；基础形式采用钢筋混凝土墙下条基加木桩，桩径203mm，桩长8.53m。根据抗震鉴定报告，房屋整体向西、向南倾斜，部分角部实测相对倾斜已超过7‰，超过砌体房屋倾斜率4‰的限值。南侧中间偏西区段外墙出现严重的开裂损坏，裂缝发展有恶化趋势。混凝土构件内大部分钢筋已开始锈蚀，且部分构件钢筋碳化严重。由于结构年久失修，既有建筑空间不能满足现代办公需求，因此，采用了保留建筑外墙、内部结构整体托换的加固改造方案。

3 关键技术路线

原建筑内部结构的整体托换过程实质上是新、旧结构体系的转换过程，因此，在设计时如何充分利用原有结构实现新、旧结构体系分步转换及协同作用，即如何协调内部旧结构拆除与新结构重建的矛盾，是本工程需要解决的主要问题。

3.1 内部结构整体托换

保留外墙进行内部结构托换（换胆工艺）是本工程的核心，主要分3个阶段：外墙加固→基础托换→上部结构托换。施工过程中须加强监测，如进行外墙测斜、沉降监测、邻近建筑物变形监测等，发现问题时及时采取措施。

3.1.1 外墙加固

外墙由普通烧结砖砌筑，主要损伤表现为墙面粉刷空鼓、起皮，部分粉刷层脱落，水迹严重，有开裂情况。对开裂的外墙先进行压力灌浆处理，并铲除原有墙体内粉刷，将灰缝剔除至5～10mm，用钢丝刷清理残灰，吹净表面，洒水湿润，喷洒界面剂（纯水泥浆）砂浆强度大于M10，采用喷射法施工，砂浆厚度为35～50mm，内配φ6mm@200mm 单层双向钢筋网片，设置扶壁柱【1】，外墙加固做法见图2。

图2 外墙加固做法

3.1.2 基础托换

新建基础形式采用梁筏+锚杆静压桩，锚杆桩截面尺寸为250mm×250mm，桩长17.5m。筏板底面置于老基础顶面之上，在外墙上切割400mm×400mm@1500mm 的孔，将新结构与外墙浇筑在一起【2】（见图3）。为避免连续大面积开挖引起的外墙失稳，应采用小挖机+人工配合的方式进行分段开挖，施工段长度控制在15～20m，一段基础施工完毕后，再进行下一施工段开挖。锚杆静压桩施工时应采取减小挤土效应的措施。

图3 基础剖面示意图

3.1.3 结构托换施工次序及主要工况验算

结构设计时将新、老结构的梁、柱平面位置完全错开，这样，在施工时无论是新结构还是保留部分都有相对完整的结构单元。施工次序及主要工况如下：基础托换→施工1、2 层支撑（工况1）→拆除原2 层梁板（工况2）→施工新2 层梁板（工况3）→施工3 层支撑并拆除1 层支撑（工况4）→拆除原3 层梁板（工况5）→施工新3 层梁板（工况6）→施工4 层支撑并拆除2 层支撑（工况7）→拆除原4 层梁板（工况8）→施工新4层梁板（工况9）→施工5 层支撑并拆除3 层支撑（工况10）→拆除原5 层梁板（工况11）→施工新5 层梁板（工况12）→拆除屋面梁板（工况13）→施工新屋面梁板（工况14）→从上而下拆除老结构及临时支撑（工况15）。施工期间主要受风荷载影响，取10a 期基本风压0.40kN/m2；地面粗糙度C 类；体型系数迎风面0.8，背风面-0.6。选取8个典型剖面，按照图4 的平面模型进行施工工况模拟验算，控制性工况为2、5、8 、11、13 工况，取包络结果作为柱间支撑设计依据，支撑截面采用2∠63×5（热轧等边双角钢）。经计算，工况2 下结构顶部位移最大，位移值19.01mm，为结构总高的1/900，所有构件强度均满足要求。

3.1.4 原结构无楼板承载力复核

内部结构置换过程中，柱间支撑与原有梁柱形成了2 道抗侧力防线。当结构遇到小概率的极端事件，如强台风，支撑体系作为第一道防线率先屈服，水平力将传递给原结构。因此，有必要对原结构在楼板拆除后的水平承载能力进行验算。经计算，95%的构件配筋均能满足设计要求，可见由支撑-原结构形成的抗侧力体系具有较高的安全度。

3.2 新老结构沉降差的控制

老结构拆除后土体回弹，新结构建成后土体重新压缩，新、老结构的重量差别导致沉降不一致，必然存在沉降差。通过控制新结构的最终绝对沉降量，间接控制沉降差。具体措施为：（1）采用补偿式基础（见图3），在±0.00 处设置架空板，减轻基础自重，减小附加压力；（2）采用锚杆静压桩减小沉降量。经计算，最大沉降量仅为27mm，外墙与相连内部结构沉降差4mm，满足规范要求。

3.3 外墙与新结构的可靠连接

外墙自重通过自身传递给原墙下条基，所以，外墙与新结构的连接主要考虑水平力的传递。考虑到结构超长，新建筑分为3个结构单元：W 区、S 区及E 区，采用刚度大、水平位移小的框架-剪力墙结构体系，见图5。抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7 度（0.10g），设计地震分组第二组，Ⅳ类场地【3，4】。经计算，新结构在地震作用下的层间位移角约1/2000，极小的层间位移降低了连接处的内力，使节点设计变得容易。根据前文3.2节，本工程总沉降量与差异沉降都比较小，因此，外墙与新结构之间采用刚性连接，典型连接节点见图6。

图4 施工次序及主要工况

图5 新结构模型轴测图

图6 外墙与新结构典型连接节点

4 结语

本工程是对文物保护建筑的加固改造，技术条件复杂，采用了保留外墙、内部结构整体托换的设计方法，得到以下结论：

1）通过施工次序的合理设计以及主要工况验算，可以保证结构整体托换的安全可靠，目前新大楼已投入使用；2）采用锚杆静压桩及补偿式基础将新、老结构的沉降差控制在一个较小的范围；

3）新结构采用刚度大、水平位移小的结构形式，保证外墙与新结构的连接可靠。