上海世博俄羅斯館改造前抗震鑒定

0 引言

隨著世博會的落幕，世博建筑服務于世博會的功能已圓滿完成。但世博建筑不只是承載一場盛會的絢爛而短暫的煙火，更可以通過后續利用促進城市發展、實現城市功能的提升[1]。根據上海市政府《關于同意〈浦東新區耀華地塊Z000101單元（黃浦江沿岸ES2單元）世博文化公園（暫定名）控制性詳細規劃（實施深化）〉的批復》，建設世博文化公園，是上海完善生態系統，提升空間品質，延續世博精神，建設卓越全球城市的重大舉措之一。世博文化公園突出生態性、文化性與公共性，定位為生態自然永續的大公園、文化融合創新的大公園、市民歡聚共享的大公園[2]。由于大部分展館都是按照臨時建筑設計，若要作為保留建筑進行改造，根據相關規范要求，應首先按C類建筑、后續使用50年的現行設計規范要求進行抗震鑒定。本文將結合上海世博俄羅斯館的改造項目，介紹該場館改造前的抗震鑒定工作。

1 工程概況

1.1 設計理念

上海世博俄羅斯館的設計靈感來源于蘇聯兒童文學作家尼古拉·諾索夫的三部曲童話作品《小無知歷險記》，力求呈現一個美麗、精湛、充滿童話色彩的兒童花園城。以“小無知漫游未來”為主題構思，將展館劃分為童年城、青年城、大世界3部分，分別展示“花的城市”“太陽城”“月亮城”3個主題，在充滿詼諧、童趣的布景下，使參觀者在館內隱秘的小路上感受到許多神秘又有趣的發現[3]。

1.2 建筑概況

俄羅斯館位于原世博會C片區，建造于2010年，占地面積為6 000 m2，建筑面積約6 480.9 m2，建筑外包總尺寸為70.00 m×70.00 m，主要作為展館使用。其建筑平面由12個充滿俄羅斯風情的“花瓣”塔樓和“懸浮在空中”的立方體組成，外形設計類似古代斯拉夫人的小村落，象征著生命之花、太陽和世界樹（斯拉夫人枝葉繁茂的橡樹）的根。展館建筑既似花朵，又似“生命樹”，頂部的鏤空圖案則表現了俄羅斯各民族的裝飾特色。房屋外立面塔樓由白、金、紅三種顏色構成，白色和金色塑造了俄羅斯建筑的歷史形象，而紅色底色加上富有俄羅斯各民族元素的圖案，則賦予了塔樓頂部鏤空部分以生命力。

房屋中部立方體部分為2層（外圈設檢修馬道）的鋼框架結構房屋；外圍12座塔樓圍繞中部立方體環向布置，且各塔樓都近似呈L形，水平部分連接到標高5.20 m處的巨大中央廣場。中央廣場與象征摩天大廈的塔樓、周圍的自然景觀一起，共同構成現代大都市的“三位一體”。

房屋中部立方體部分主屋面高18 m，其中，一層層高5.2 m，二層層高12.8 m；塔樓部分一層層高主要為3.6 m，二層層高主要為3.65～4.52 m，三層層高主要為2.88～5.95 m等。

房屋原設計中，①將中央立方體部分一層作為展覽廳使用，中部為象征貝加爾湖的水景（圖1）；②二層作為展覽廳使用；③各塔樓主要用作商店、展廳、餐廳、辦公、控制室等（圖2）；④共設7部鋼結構樓梯、1部扶梯、1部垂直電梯，且鋼結構樓梯分別位于各塔樓，扶梯位于1#塔樓，垂直電梯位于中部立方體東北角。房屋典型剖面見圖3。

1.3 結構概況

圖1 一層建筑平面圖

圖2 二層建筑平面圖

圖3 典型剖面圖

本次鑒定場館為主體2層（外圈設檢修馬道）的鋼框架結構房屋。其外圍12座塔樓圍繞主體環向布置，主要為4～5層的鋼框架結構；塔樓結構與主體區域主要采用底層結構相連、上部脫開的結構做法，底層采用共用柱的方式與主體結構相連。房屋主體中部設有3個鋼筒體結構，并依托中部筒體設置環向走道，連接室內地面與二層展廳。二層展廳為大空間，其豎向依靠圓鋼管柱承重，水平向為型鋼梁、壓型鋼板混凝土組合樓板承重；二層展廳內圈不規則弧形區域為懸挑結構，部分弧形梁采用H型截面，兩端為鉸接連接（圖4）；屋面采用鋼網架結構，屋架擱置于主體結構及中部筒體頂部。

上部結構鋼柱主要采用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；鋼梁主要采用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；樓面主要采用壓型鋼板混凝土組合樓面，型號為YXB51-226-678，板厚主要為130 mm、波高51 mm。屋面采用鋼網架結構坡屋面，桿件截面尺寸主要有98 mm×5 mm、114 mm×5 mm等；主體部分采用壓型鋼板巖棉夾芯板屋面，塔樓部分屋面為壓型鋼板鋼筋混凝土組合屋面。鋼材強度除圓管柱采用Q345B外，其余均采用Q235級鋼材。

圖4 主體5.05 m標高樓面結構平面圖

該場館基礎采用樁基礎，承臺底標高主要為-2.00 m；抗壓樁主要采用PHC-AB400-80-18，樁長18 m，單樁豎向抗壓承載力特征值為500 kN。矩形承臺截面尺寸主要有：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 形承臺截面尺寸主要有：2 210 mm× 2 534 mm、2 610 mm×2 534 mm、1 000 mm×2 800 mm等；承臺厚度以800 mm為主。

2 初步改造方案

本次改造方案以原有建筑設計概念為基礎，在盡可能保留和恢復原場館樣貌的同時，結合世博文化屬性及現有公園景觀規劃，重新使世博場館煥發新的生機和活力。改造后建筑主要用于歡聚VENUE、商店、餐廳等，主要改造內容及功能如下。

（1）將一層主體區域展演廳改造為歡聚VENUE。其中，2#、3#、4#塔樓局部購餐間改造為后廚，7#、9#塔樓展廳改造為主題手工坊，10#塔樓接待處改造為辦公區，12#塔樓商店改造為主題手工坊。

（2）將二層主體區域展演廳改造為歡聚VENUE。主體四角改造為設備間，2#、3#塔樓局部改造為后廚，10#塔樓改造為辦公區，11#塔樓改造為衛生間。

（3）拆除二層以上中庭區域，保留走道，并將與走道無關的穿層柱拆除；拆除原中庭上方網架屋蓋，重新設計為采光屋頂。

（4）在二層及屋頂的四個角部增加設備機房。

（5）在2#塔樓5.07 m（結構標高）處增加樓梯夾層。

3 結構檢測

根據俄羅斯館的原設計施工圖紙，對該館建筑結構圖紙進行復核，主要包括建筑平面尺寸、樓層層高、結構構件尺寸、承重構件材料強度、鋼構件銹蝕率、連接焊縫質量、結構損傷情況、型鋼構件變形及撓度測量等，明確現階段情況。其主要檢測結果如下。

（1）建筑平面布置與原設計圖紙基本相符，存在局部區域增設分隔墻及取消樓梯的情況。

（2）結構體系、結構構件布置及截面尺寸與原設計圖紙基本相符。

（3）圓管柱鋼材的強度基本滿足Q345B的設計要求；框架梁鋼材強度均滿足Q235B的設計要求。

（4）對銹蝕較為明顯的鋼構件進行抽測，其銹蝕深度平均值為0.6 mm，鋼材銹蝕率平均值為4.3%。經分析，房屋抽測的主體結構銹蝕深度較輕微，對構件承載力無明顯不利影響。

（5）對鋼柱、鋼梁抽測的共計6條對接焊縫進行超聲檢測，均未發現可記錄性缺陷。

（6）外立面主要存在裝飾蓋板局部老化缺損、有墜落隱患等問題。室內主要存在設備、連接節點、幕墻龍骨普遍銹蝕，分隔墻滲水受潮等損壞現象，其中，鋼構件、連接節點等普遍銹蝕，部分鋼構件涂裝老化，未發現因承載力不足或不均勻沉降引起的開裂或變形現象。

（7）抽測柱垂直度偏差基本滿足《鋼結構工程施工質量驗收規范》（GB 50205—2001）允許的偏差要求，抽測的大跨梁及懸挑梁撓度基本滿足《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）的要求。

（8）對主樓二層樓面進行相對高差測量，結果表明：主樓傾斜方向無明顯一致性，僅個別存在一定規律性；其相對傾斜率較小，介于0.4‰～0.7‰。

4 抗震鑒定

4.1 抗震設防基本要求

根據《建筑工程抗震設防分類標 準》（GB 50223—2008）、上海市工程建設規范《現有建筑抗震鑒定與加固規程》（DGJ 08—81—2015）、上海市工程建設規范《建筑抗震設計規程》（DGJ 08—9—2013）、國家標準《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）的規定，被鑒定場館按照標準設防（丙類）、抗震設防烈度7度、基本地震加速度0.10g、地震分組第二組、場地類別IV類、抗震鑒定分類C類建筑（后續使用年限50年）等，從地基和基礎、一般規定、抗震構造措施等方面進行抗震鑒定。

4.2 抗震構造措施復核

對被鑒定場館進行一般規定及抗震構造措施復核，結果表明：該館整體高度、建筑高寬比、樓屋蓋等一般規定均滿足規范要求；框架柱長細比、梁與柱的連接構造等抗震構造措施等基本滿足現行規范要求，但在現有荷載作用下，局部鋼梁高厚比不滿足規范要求。

4.3 結構承載力驗算

根據改造方案及建筑、結構現狀檢測結果，按照《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB 50068—2018）、《建筑抗震設計規程》（DGJ 08—9—2013）、《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）、《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）、《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）等現行標準，采用YJK軟件計算，計算模型如圖5所示。

4.3.1 主要參數

（1）圓管柱取設計值Q345B，其余構件取設計值Q235；彈性模量為2.06×105 N/mm2，泊松比0.30，線膨脹系數為1.20×10-5，質量密度為7 850 kg/m3。

（2）恒載：屋面恒載0.3 kN/m2（不含網架自重，此次屋面網架采用3D3S單獨計算，支座反力以點荷載形式加到主結構上），樓面附加恒荷載1.5 kN/m2，主體建筑外墻荷載1.0 kN/m2（按墻面面積），主體建筑外墻鱗片荷載0.5 kN/m2（按墻面面積），塔樓玻璃幕墻荷載1.5 kN/m2（按墻面面積），塔樓外皮和金屬網荷載1.0 kN/m2（包括找形、固定用鋼支架）。

（3）活荷載：辦公2.0 kN/m2、后廚4.0 kN/m2、樓梯及樓梯間4.0 kN/m2、洗手間3.5 kN/m2、設備間7.0 kN/m2、歡聚AVENUE3.5 kN/m2、馬道1.5 kN/m2、屋面0.5kN/m2。

（4）溫度荷載取值為30℃。

（5）地震作用：設防烈度7度（0.1g），設計地震分組二組，場地類別IV類，特征周期0.9s，鋼框架抗震等級四級。

（6）風荷載：基本風壓取值0.55 kN/m2，地面粗糙度類別B類。

4.3.2 主要計算結果

（1）在地震力作用下，主樓結構以扭轉為主的第一自振周期與以平動為主的第一自振周期之比為：0.9397/1.0840=0.87<0.9，滿足規范要求。

（2）在X向地震作用下，主樓結構樓層的最小剪重比為5.449%（有效質量系數為99.98%）；在Y向地震作用下，結構樓層的最小剪重比為5.408%（有效質量系數為99.85%）。兩者均大于規范要求的最小剪重比1.6%，故滿足規范要求。

（3）在地震力作用下，主樓X方向偶然偏心作用下的最大樓層位移比為1.14，Y方向偶然偏心作用下的樓層最大位移比為1.12，均小于1.2，且位移角均小于規范限值1/250，滿足規范要求。

圖5 計算模型

（4）根據抗震驗算結果，被鑒定場館主樓及12座塔樓構件的強度除部分構件外，均滿足要求；但主樓抗風柱的穩定應力不滿足要求。根據《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）第5.4 節規定，對其進行考慮初始缺陷的整體屈曲分析，結果表明：各階模態屈曲因子均大于1.0，表明構件穩定承載力均滿足要求；主樓除個別抗風柱強度有不足外，其余抗風柱均可以滿足要求；主樓屋面在現有網架屋面荷載作用下，存在局部鋼梁高厚比不滿足規范要求。

4.4 基礎承載力評估

選取該場館典型樁基，進行基礎承載力及樁基抗震承載力復核。經驗算，在標準組合下，柱底最不利處基礎承載力基本滿足要求；在地震作用效應和其他作用效應的基本組合下，低承臺樁基抗震驗算中的單樁豎向承載力滿足要求。

4.5 典型節點連接驗算

為明確典型鉸接連接節點受力情況，對受力特點具有普遍性、荷載較為不利梁的梁連接節點進行復核驗算。結果表明：典型梁梁鉸接節點的梁抗剪、節點板、螺栓單面受剪、螺栓群最大剪力、節點板焊縫、加勁板焊縫承載力均滿足要求，但梁鉸接節點處的螺栓垂邊距、螺栓中心距不滿足現行標準要求。

5 鑒定結論

根據檢測鑒定情況，按照初步改造方案，被鑒定場館主體結構無明顯損壞現象，存在部分梁強度不足、部分梁穩定不滿足要求、個別柱強度不足、局部鋼梁高厚比不足的情況；大部分構件的強度及穩定性滿足要求，一般規定及抗震構造措施基本滿足現行設計規范要求，初步改造方案可行。

場館外立面外皮及外墻鱗片存在多處老化缺損且局部存在墜落隱患，應采取措施對外墻裝飾進行全面修復保養，確保房屋使用安全；對于普遍存在鋼構件銹蝕、涂層起皮脫落等損壞，應結合此次改造，做好鋼結構構件的除銹涂裝工作，定期對主要承重構件進行維護保養。對于二層懸挑區域存在的安全隱患，建議維持目前使用現狀，不宜作為主要承重構件。后續屋面改造過程中對擱置點支座反力進行精確計算，充分考慮對主體結構及相關基礎受力的不利影響，減小鋼梁水平軸力。

6 加固建議

（1）建議對強度不足或穩定性不足的構件，采取適當的方法進行加固。

（2）場館主樓屋面在現有網架屋面荷載作用下，存在局部鋼梁高厚比不滿足規范要求，建議在后續屋面改造過程中，對擱置點支座反力進行精確計算，減小鋼梁水平軸力；同時，充分考慮對原結構基礎的不利影響，必要時，對原結構基礎進行加固處理。

（3）根據初步改造方案，建議屋面改造設計充分考慮原有屋面擱置點及對主體結構受力的不利影響。加固工程應保證新增構件及部件與原結構的可靠連接，新增構件與原結構結合牢固，形成整體共同工作，避免對其余為加固構件及基礎產生不利影響。

7 結語

上海世博會雖然已經落幕。對于那些尚未拆除的特色場館建筑，在后續改造利用的過程中，不僅應考慮其作為展館建筑的使用價值，更要讓其代表的世博精神得以延續并發揚。根據現行規范，場館的荷載分項系數等較原設計均有所提高，可能會存在部分承重構件承載力不滿足現行規范要求。因此，在改造前對場館進行抗震鑒定工作是非常必要的，能夠提供房屋的整體現狀及抗震性能，為后續改造設計提供技術依據。