某近代歷史建筑的加固改造工程分析

張 凱 曹雙寅

(東南大學土木工程學院，江蘇南京 210096)

0 引言

近代歷史建筑廣泛分布在我國南京、上海、哈爾濱、天津等城市。這一時期的建筑，在保留我國古建筑風格特點的同時，通過逐步接納西方的建筑方式，采用新的建筑材料、設計理論和施工技術，是中國傳統建筑走向現代建筑的嘗試。這些建筑風格多樣，類型齊全，它們既是中西文化碰撞的智慧結晶，也是中國傳統建筑走向現代建筑的嘗試。保護好這些建筑，既是歷史賦予的責任，也是彰顯城市文化底蘊的重要途徑。

然而，由于近代歷史建筑設計建造于20世紀初期，在結構設計、構造、建筑材料等方面均存在不同程度的“先天缺陷”;其次，經過近100年的使用，結構大多出現了不同程度的老化和損傷;另外，戰爭創傷，以及產權所有者的恣意改造也使得這些建筑的安全性受到威脅。

對歷史建筑進行加固改造時必須遵循相應的保護原則(包括原真性、可逆性、可識別性、最小干預性等)，在提高其抗震性能、承載能力的同時，保留其原有的建筑風貌。

本文通過鑒定、加固工程實例，探討近代歷史建筑的結構特點以及加固保護方法。

1 工程概況

某公司21號樓位于南京長江大橋南橋頭堡南側，始建于1916年。該樓原為解放前南京最大的外資企業——和記洋行的冷庫，是南京重要的工業建筑遺存。該建筑由英國人設計，姚新記營造廠施工。建筑平面呈矩形，長約77.1m，寬約32.3 m，原來5層，解放后增加一層，總建筑面積14 000余平方米。建筑立面如圖1所示。

圖1 和記洋行21號樓外觀

該建筑主體結構采用現澆鋼筋混凝土框架結構，樓、屋面均為現澆鋼筋混凝土梁板結構，基礎采用(木樁)筏板基礎，外墻為磚砌體圍護。根據原設計資料顯示，該建筑建造時對地基采用木樁進行了加固處理。在該建筑的正面和側面都有獨立的現澆鋼筋混凝土樓梯與其相連。

該建筑原設計為倉庫，后作為生產車間使用至今。根據公司總體發展規劃，擬將該樓1層～5層改造為冷藏庫。因使用荷載大幅增大(增至20.0 kN/m2)，需要對該樓進行加固處理。鑒于該建筑建造年代久遠，原設計標準不詳，有關建造資料大部分缺失，為了改造工程的順利實施，確保改造后主體結構的安全使用，需要對該樓使用功能變更的結構可行性及變更后主體結構的安全性進行鑒定分析，為改造加固提供科學依據。

2 現場檢測

2.1 結構布置

柱網為 5.486 m ×5.385 m(18’×17’8”)，橫向為 6 跨，縱向14跨，縱向的中間有304mm(1’)的伸縮縫，結構以縱向框架承重為主。1層～4層樓面為每跨均布橫向3根次梁，5層樓面為每跨均布縱向2根次梁。在B—C跨和E—F跨有沿縱向全長的水槽(已不使用)各一個。

根據原設計圖紙，該建筑的基礎為樁筏基礎。其中，筏板基礎為梁板式，每個柱網內又有上肋式井字次梁。主梁高為1.26 m，次梁高1.0 m，筏板厚200 mm。每個中柱基礎下有9個木樁，邊柱基礎下有7個木樁。木樁的直徑和樁長不詳。

各層層高為:一層 5.47 m(18’);二層 5.168 m(17’);三層5.168 m(17’);四層6.0 m(20’);五層 5.168 m(17’)。樓板為現澆板，板厚76 mm。柱截面為矩形，主要尺寸有760×760，660×660，558×558和300×300。截面由下層至上層逐漸減小。

2.2 結構構件損傷

現場勘察發現，由于建造年代距今已有90年，該建筑主體結構存在明顯的耐久性損傷跡象，多數接近地面或樓面的柱身由于人為碰撞和自然腐蝕等都有不同程度的混凝土剝落，有些已經外包了一圈新混凝土來保護。一些板、主梁和次梁也有不同程度的混凝土剝落，有的區域已經能看到混凝土的骨料。靠近衛生間等長期潮濕區域的梁板腐蝕情況更為嚴重，有些由于鋼筋銹脹已經出現大面積混凝土崩落和露筋現象。

2.3 建筑傾斜情況

現場對建筑的總體傾斜情況進行了測量，初步測量結果表明，結構沿橫向(東西向)總傾斜量為7.2 cm，沿縱向(南北向)總傾斜量為15.4 cm，按照測量區域高度27 m計算，主體建筑橫向(東西向)的傾斜率為2.6‰，縱向(南北向)傾斜率為5.7‰。

2.4 主體結構材料檢測

現場對混凝土強度、鋼筋等進行了材料檢測。基礎混凝土立方體抗壓強度為18.3 MPa，框架柱的混凝土立方體抗壓強度在8.7 MPa～18.6 MPa之間，混凝土梁的混凝土立方體抗壓強度在10.2 MPa～18.4 MPa之間，混凝土樓板的混凝土立方體抗壓強度在19.8 MPa～27.0 MPa之間，強度離散性很大。

現場隨機截取鋼筋3根(分別位于梁、板、柱等構件)進行力學性能試驗，測得鋼筋抗拉強度平均值為495 MPa。

2.5 場地、地質條件

根據南京市區工程地質圖，該場地位于長江近岸漫灘之上，并且處于市區故道入江口地帶，屬于不均勻松軟土地基建筑場地。場地附近無影響建筑物安全的斷裂帶通過，也無不良地質作用分布，應屬于穩定場地。場內20 m深度以上，經判別為不液化土層。由勘察揭示，場地表層填土厚度為1.1 m～2.4 m之間，其下至12 m左右深度范圍內為具有“千層餅”結構的粉質粘土，中部為薄層狀的粉質粘土和粉砂互層，下部為稍密～中密的粉細砂。地下水位年變幅地區經驗值為0.5 m～1.0 m。

2.6 附屬結構情況

除了與該建筑懸挑部分相接的獨立鋼筋混凝土樓梯外，還在該建筑物中外加了一個電梯構筑物。此外，在該建筑物的后面還有一個新建的3層鋼筋混凝土框架結構與其相鄰。這個房屋的第3層曾經遭到火災，并殃及主體結構的第3層，部分梁的端部可看見彎剪斜裂縫。

3 主體結構計算復核

3.1 結構信息、荷載取值與計算依據

結構布置、構件幾何尺寸按照結構現狀調查圖取值;材料強度根據檢測報告，按照下列等級取值:混凝土:柱C10、梁C15、板C15;鋼筋:樓板、梁、柱均取為Ⅰ級。

Ⅲ類場地，7度抗震，抗震等級為二級。

風荷載標準值按0.4 kN/m2考慮。

外墻荷載按照240mm厚磚墻考慮，內墻荷載按照輕質墻考慮。

根據業主提出的變更后使用功能要求，樓面、屋面恒載根據測得的建筑做法，分別取3.5 kN/m2和4.5 kN/m2;樓面活載:1層 ～5層(冷庫)取 20.0 kN/m2，6 層(后加，一般生產車間)取3.5 kN/m2;屋面活載按上人屋面取為2.0 kN/m2。

結構計算依據以下設計標準:

1)GB 50011-2010，建筑抗震設計規范;

2)GB 50010-2010，混凝土結構設計規范;

3)GB 50009-2011，建筑結構荷載規范;

4)JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程。

采用中國建筑科學研究院PKPM系列結構計算軟件進行計算復核。

3.2 計算復核結果

經全面核查原設計資料和計算結果，按照新的使用功能要求，結構的規范符合性概括如下:

1)地基基礎。經計算，基礎梁的正截面承載力不滿足規范要求，部分主梁存在超筋現象。

2)框架柱。框架柱的正截面、斜截面承載力全部不滿足現行規范要求。各層邊柱正承載力缺口普遍在100%以上，最大甚至達到656%;各層中柱承載力缺口更大，最大者達到990%。斜截面承載力缺口:邊柱普遍在150%以上，最大達241%;中柱普遍在200%以上，最大達321%。框架柱的軸壓比，除角部柱滿足規范要求外，其余各層的軸壓比全部超標。由于第5層柱截面偏小，該層出現了超筋現象。

3)框架梁。框架柱的正截面、斜截面承載力全部不滿足現行規范要求。3層、4層的部分主梁出現超筋。

4)次梁。次梁正截面、斜截面承載力除第5層滿足規范要求外，其余4層全部不滿足現行規范要求。

5)樓板。樓板的承載力，除第5層基本滿足規范要求外，其余樓板均不滿足現行規范要求。

4 鑒定結論

根據現場檢測及結構復核結果可見:

1)該房屋主體結構的豎向布置比較均勻、規則，平面布置規則，構件類型單一，除由于年代較久出現的耐久性損傷外，主體結構現狀尚好，具有直接進行加固升級的可能性。

2)按照改造要求，1層～5層樓面活荷載將增至20.0 kN/m2，增幅很大，目前主體結構構件的承載能力遠不能滿足現行規范的要求。

綜上所述，應采取必要的措施對該建筑主體結構(構件)進行全面加固，以提高結構的承載能力，滿足改造后的使用要求。

5 結構加固方案

從提高結構整體性的角度，在保持結構體系、建筑立面不變的前提下，綜合考慮加固成本、加固效果等因素，選用加大截面法作為最終的加固方案，具體如下:

1)地基基礎。采用鉆孔灌注樁進行加固。原有木樁按照9根，直徑200的圓木估算;新加鋼筋混凝土樁按照摩擦樁，以彌補原有基礎的不足，如圖2所示。

圖2 基礎加固示意圖

2)次梁和樓板。由于改造后樓面荷載增加很大，采用卸載和疊合板的方法:在現有次梁間增加次梁，并考慮在疊合層適當增加負鋼筋;在現有板面增加50厚疊合層。

3)框架梁、柱。采用鋼筋混凝土加大截面法進行加固，解決材料強度等級不足、抗震構造缺陷和承載能力不足等缺陷。梁頂面(結合50厚疊合板)、側面各加大50 mm，底面加大100 mm;柱截面加大厚度100 mm～408 mm，如圖3～圖5所示。

圖3 梁加固示意圖

圖4 中柱加固示意圖

圖5 邊柱加固示意圖

該加固方案能夠很好地保護原有的結構體系不變，并能夠有效地提高結構的整體性能以及構件的剛度和承載能力。雖然加大截面法用于歷史建筑有“不可逆”的缺陷，但在截面增加不多的前提下，還是可以接受的。

采用PKPM軟件對加固后的結構進行了驗算，結果表明，加固后的結構整體性和構件的承載能力有了明顯提高。軸壓比等指標滿足現行規范的要求。

6 結語

1)目前我國在古建筑的維修方面，已經取得了豐碩的成果，相關的加固方法已經日趨成熟。而對于近代歷史建筑的加固修復目前尚無全面完整的技術規范可循。由于保護修復的技術策略長期以來一直未能得到應有的重視，近代建筑遺產保護的實際情況不容樂觀。

2)歷史建筑由于建造年代久遠，歷經滄桑，其原始的建筑、結構圖紙及相關資料往往不全甚至無從查起。因此，加固前對建筑進行詳細的調查(包括結構圖的測繪、結構歷次加固、改造情況的調查等)以及必要的實測(包括材料強度、變形的測量以及損傷的檢查等)是必要的。

3)近代歷史建筑大多未考慮抗震設防，存在抗震構造上的不足;且經過近百年的使用，混凝土碳化、鋼筋銹蝕等結構劣化現象嚴重。對這類結構的加固應從增加結構整體性的角度，提高結構的抗震性能。

4)不同的加固方法用于歷史建筑有其各自的優缺點，必須根據具體的工程實際、按照歷史建筑的特點和保護原則做出合理的選擇，而不能迷信某一種加固方案。

［1］ 盧海鳴，楊新華.南京民國建筑［M］.南京:南京大學出版社，2001.

［2］ 卜良桃.建筑結構加固工程設計與施工質量驗收手冊［M］.北京:建筑工業出版社，2008.

［3］ 陳 瑜，陸偉東，劉偉慶.某民國老文物庫房建筑的抗震鑒定［J］.結構工程師，2009，10(25):115-119.

［4］ 蔡春雷.某框架結構加固改造工程分析［J］.山西建筑，2010，36(34):73-75.