某近代文物建筑增层改造加固设计及方案探讨.doc

岩 土 力 学 2003年
文章编号（黑体加粗）：

某近代文物建筑增层改造加固设计及方案探讨

陈建华 张德智 王有军 朱磊 石开明 尹冬岭
（ 黑龙江省寒地建筑科学研究院、哈尔滨、150080 ）

摘 要：某近代混合结构建筑为哈尔滨市文物保护建筑，投入使用已超过100年，因建成年代久远，部分结构构件已严重老化。为了满足增层改造使用功能要求，并保证建筑物的安全使用，按照保持原有建筑风貌的原则对其进行加固改造。结构加固时主要采取了桩式托换法结合抬墙梁法进行基础托换，使加固后的建筑在使用功能上得到改善，结构上安全可靠。
关 键 词：文物建筑；增层改造；基础托换；加固
中图分类号：****** 文献标识码：*

STORY-INCREASING DESIGN AND PLAN OF DISCUSSION FOR
ONE MODERN BUILDING OF CULTURE RELICS

CHEN Jianhua ZHANG Dezhi WANG Youjun ZHU Lei SHI Kaiming YIN Dongling
(Heilongjiang Province Cold Region Constructure Science Research Institute,Harbin,150080)

Abstract： One old masonry building which has been used for more than 100 years is a national modern building of culture relics.After a long time service the structure is aging.In order to meet the requirements of the using function transformation and using it safety,the structure needs to be strengthened.According to the principle that keep former architectural features.The strengthening methods mainly adopted pile underpinning method ombined with carried wall beam method for the foundation underpinning.The renovated building is safe and applicable for function requirements.
Key words： modern building of culture relics；story-increasing；foundation underpinning；strengthening

1 建筑物概况
某文物建筑物位于哈尔滨市道里区爱建路与上海街交汇处，该建筑物为原东省铁路哈尔滨总工厂锻造分厂厂房。该厂房建于二十世纪初，属“俄罗斯风貌”建筑。该厂房建筑平面呈“⊥”字形布局,平面示意图详见图1，纵肢区域为主厂房、横肢区域为副厂房，主厂房总长度为66.82m，总宽度为22.99m，副厂房总长度为17.94m，总宽度为15.40m，主、副厂房层数均为1层，檐口高度为6.50m，总建筑面积为1812.74㎡。
该厂房结构体系为排架结构。主厂房为双跨钢-砌体混合排架结构（有吊车、有天窗），中柱为格构式铆接组合型钢柱，边柱为普通砖砌体结构扶壁柱，排架水平构件为下撑式型钢梁。副厂房为单跨砌体排架结构（无吊车、无天窗），排架柱为普通砖砌体结构扶壁柱，排架水平构件为三角形轻钢屋架；主、副厂房屋盖均采用轻型屋面系统——薄壁型钢檩条上铺复合夹芯彩钢板。基础形式采用天然地基浅基础，墙下为毛石条形基础，柱下为毛石独立基础。部分结构现状照片详见图2、图3。
图1 厂房平面示意图

图2 厂房外观

图3 厂房内部
2 改造设计要求
该建筑物属于哈尔滨市Ⅲ类保护建筑，现已闲置多年，为了有效地对其进行保护以及利用，拟将该厂房改造成音乐博物馆和私人银行。为此，根据改造后使用功能要求，需对其进行地下增层和室内增层改造。
由于建造年代久远，投入使用至今已经100余年，远远超过其结构的合理使用年限，属超期服役。受当时的设计、施工水平限制，以及使用方式、时间等因素的影响，该厂房在结构上存在的薄弱环节逐步显现，其材料、构件和结构已经出现老化、损伤等现象，其功能将逐渐减弱；因建筑物地基发生不均匀沉降等原因，造成局部墙体及砖拱结构开裂破坏等现象；砌体的砂浆强度较低，厂房结构的整体性较差。
经有关工程技术人员检测鉴定，该楼应采取维修加固措施进行补强处理。因此，本着“保持风貌、修旧如旧、站稳脚跟、强身健骨”的原则[1]，对该厂房进行加固改造以及托换改造，以延缓结构损伤的进程，达到延长结构使用寿命的目的，并满足改造后音乐博物馆和私人银行的使用功能要求。
3 改造加固设计方案选择
由于该建筑物具有历史文物保护价值，一切加固改造都要在保持建筑物外观风貌不变的前提下进行，体现文物属性的部位及构件应妥善保护，根据这一原则，并考虑到结构老化、损伤的现状以及使用功能要求，提出以下改造加固方案。
3.1 地下增层方案
本改造工程根据使用功能要求，采用延伸式地下增层法[2]。延伸式增层法也叫直接增层法，是将建筑物地下室通过地下增层技术直接在建筑物底部向下延伸的一种改造方法。该方法的优点是：不占用建筑物周边的地下空间；缺点是：增层方式受建筑物本身原结构条件的制约，增层空间受到建筑物的限制，而且工程造价较高。
地下增层技术主要包括逆作法技术和托换法技术。
逆作法是建造多层地下室、多层地下结构的有效施工方法，在国内外工程施工中已广泛得到运用。逆作法施工的一般顺序是先构筑主体结构中间的柱和基坑周边的柱列式灌注桩或地下连续墙围护结构，然后做好地下一层顶板，往下开挖地下一层并构筑地下一层楼板，浇筑该层侧墙（或侧墙衬套），继续往下开挖完成下层结构直至底板。地下室逆作法施工是充分利用地下室的梁、板、柱和外墙结构作为基坑围护结构的水平支撑体系和围护体系。逆作法的优点是：安全可靠，适用范围广，尤其适用于基坑周围环境特别困难的情况下；其缺点是：挖土、出土有不少阻碍，施工工期较长，节点构造及施工缝的质量要求严格，工程造价较高，当考虑抗浮设计时，底板与竖向构件连接处受力很大，施工构造复杂，施工质量要求严格。
托换法是一种基础加固方法。在既有建筑物附近或其下，要修建地下工程时，为防止这些地下工程的实施对既有建筑物造成损害，要预先做好防护性加固处理，如采用地下连续墙、抬墙梁法、桩式托换法以及合适的基坑支护方法等，来保护既有建筑物的安全。根据本工程的地质情况、上部结构现状以及使用功能要求，本工程托换改造适合采用桩式托换-夹墙梁（或抬墙梁）组合法。该方法的优点是：承载力提高的幅度大，受力比较明确，控制建筑物的沉降变形效果好；缺点是：施工需要较大的作业面，施工成活后结构厚度较大，新增地下室可利用空间受限制。
由于本工程所处场区地下水蕴藏较丰富，房屋改造后的使用功能对防水要求较高，同时为了缩短施工工期以及降低工程造价，并综合考虑逆作法与托换法的优缺点，最终选择桩式托换法技术作为地下增层改造的首选方法。托换桩型选用泥浆护壁潜水钻孔灌注桩，该桩型施工时占地面积小，操作灵活，适合在室内进行施工作业。
采用托换法加固原有基础后，原结构基础形式由浅基础变成深基础，控制建筑物的沉降变形能力增强了。一方面，可以保证地下增层改造的正常顺序施工，另一方面，也能防止日后周边地下工程的施工对既有建筑物产生不利影响，达到长久保护的目的。
由于本建设场地地下水蕴藏较丰富，地下水位较高（高于新增地下室底板2m左右），根据《建筑物移位纠倾增层改造技术规范》[3]第7.5.9条相关要求，本工程地下室应采用结构外包防水和结构自身防水的双重防水措施。为此，新增地下室与既有建筑托换结构采取分离式设计。同时，为了满足新增地下室的抗浮稳定性要求，在地下室筏板基础底部增设抗浮桩，即满足了抗浮设计要求，又降低了新增结构的沉降变形，对调整新旧结构的不均匀沉降变形起到了很好的控制作用。
3.2 室内增层方案
由于本厂房属于保护性建筑物，外立面和围护结构必须原样保护，内部可实施结构改造。为了与原建筑物统一风格，新增结构体系采用钢框架结构。对于音乐博物馆区域，由于新增钢构件绝大多数为外露方式布置，所以材料选型时尽量与既有结构统一型钢类型及型钢组合、连接方式；对于私人银行区域，由于新增钢构件多数为暗藏在隔墙、天棚内，故材料选型时可以灵活一些，主要根据结构受力合理的原则进行选型。
由于既有建筑外墙为砌体结构，新增夹层采用钢结构体系，二者的动力特性差异较大，为此新增结构与既有建筑外墙连接部位采用分离式设计方式，而与室内钢结构排架柱连接部位可采用整体式设计。
4 改造加固设计
本工程所采用的结构改造方案，除节约造价，便于施工，提供较大空间外，还有一个特点就是结构受力合理、直接。每道原承重墙及排架柱基础底部均设抬墙梁（或基底拉梁）及夹墙梁（或外包梁），承托原有结构荷载，并将该荷载传递至新增托换桩上，这种基础结构体系的转换，保证了原有上部结构受力状态不变，基础荷载传递均匀，结构整体性好，能够共同受力。
4.1 桩式托换法相关验算
4.1.1 托换桩布置验算
（1）单桩承载力验算
由于既有建筑系单层空旷建筑物，荷载较小，且室内空间受限制，为了减小托换结构构件截面尺寸，本工程托换桩拟采用直径为300㎜的中等直径桩；为了减少基桩数量，缩短工期，降低施工难度，桩长拟按12m左右计算，同时保证桩端全断面进入粗砂持力层不小于1.5d（d为桩身直径）。根据本工程《岩土工程勘察报告》提供的地质剖面图及桩基参数估算，单根基桩竖向承载力特征值为。
（2）既有建筑基底荷载验算及布桩验算
根据实际测绘图纸及相关检测鉴定结果，采用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部开发的PKPM系列结构辅助设计软件对本工程进行结构整体建模计算。共建立三个结构模型：现状结构模型、室内增层后结构模型以及地下室独立结构模型。根据电算结果以及单桩竖向承载力计算结果进行桩位布置；由于地下增层采用分离式设计，故基础托换时可以不考虑新增地下室的荷载，采用模型的计算结果进行布桩设计，实际布桩结果详见图4。
图4 桩位布置图
4.1.2 托换连接部位基础受力验算
由于新增托换桩无法在既有建筑基础底部直接设置，故原有外墙下基础采用基底拉梁与两侧条形承台梁相结合的托换加固方法，结构托换方式如图5所示。
图5 桩式托换法计算简图
本工程桩式托换法基本传力路线为：原结构基底荷载G通过基梁挑耳传递给两侧新增通长基础梁，然后由基础梁传递给新增托换桩。基底荷载G与托换桩顶反力R形成逆时针（或顺时针）力偶，该力偶使两侧基础梁产生逆时针（或顺时针）转动趋势，为了防止基础梁转动导致托换结构失效，可通过设置基底拉梁，使拉梁内的拉力与原毛石基础侧面对基础梁侧面产生的压力形成反向力偶来平衡该正向力偶，进而使托换结构内力保持平衡状态。
通过上述荷载传递方式及力的平衡分析，可以初步估算新增通长基础梁的高度。正向力偶即承台梁所受最大扭矩按R=Ra=300KN计算：

原有基础毛石强度等级为MU100，砌筑砂浆实测强度为3.0MPa，查《砌体结构设计规范》[4]（GB50003-2001）表3.2.1-7，查得原有毛石基础砌体抗压强度设计值为0.98MPa。
型钢拉梁的纵向间距为3m，考虑到承台梁的应力滞后情况，对毛石的平面外受压区域进行一定的折减，取受压区的纵向分布长度为2m。算得。

建立平衡方程1，计算基础梁最小高度。
（1）

按拉梁套管高度为计算，求得，故基础梁最小高度为：，取。
建立平衡方程2，计算拉梁最小截面尺寸。
（2）

按，计算，求得，
拉结钢梁选用Q235-B型钢材，其抗拉强度为，钢梁截面积最小值为：

可选用宽翼缘H型钢HW150×150×7×10。
4.2 新增地下室抗浮验算
根据《建筑地基基础设计规范》[5]GB50007-2011第5.4.3条相关规定，建筑物基础存在浮力作用时应进行抗浮稳定性验算。基础抗浮稳定性应符合下式要求：

式中：——建筑物自重及压重之和（kN）；
——浮力作用值（kN）；
——抗浮稳定安全系数，一般情况下可取1.05。
4.2.1 浮力作用值计算
地下室总面积为1070㎡，侧墙长度为371.85m，地下室底板板厚按600mm考虑，根据地勘报告要求，取抗浮设计水位为地下室全高，即h=4.2m。
排水总体积为；
排水总质量为；
浮力作用值为：

4.2.2 建筑自重及压重之和计算
（1）地下室底板自重：

（2）地下室侧墙自重：

（3）地下室顶板自重：

（4）地下室底板面层自重：

（5）地下室顶板面层自重：

故建筑自重及压重之和为：

4.2.3 抗浮稳定性验算

不满足规范要求，需采取抗浮措施，本工程拟采用增设抗拔桩来达到抗浮稳定性要求。
抗浮桩需提供的抗力（拉力）按下式计算：

根据《建筑桩基技术规范》[6] JGJ94-2008第5.4.5条规定，单根基桩抗拔承载力为：

抗浮桩桩长取，得基桩自重为：

基桩抗拔极限承载力标准值为：。
桩身周长： 。
抗拔系数：取0.6（砂土）。
取钻探孔最不利状况进行计算： 。
。
所需抗拔桩根数为：
根。
5 改造加固施工方案建议
5.1 基础托换加固施工
5.1.1 施工应遵循的原则
为确保基础托换施工安全，应遵循先试挖后展开、先里后外、先高后低、先墙基后柱基、先基底拉梁后扩大基础的原则。
基础托换改造施工顺序为：既有结构支护→沉降观测全程跟踪→防雨、排水措施→试开挖→方案优化调整→托换桩施工→基底拉梁跳隔施工→两侧承台梁分段施工。
5.1.2 基础加固施工应注意事项
（1）既有建筑物基础下为粉质粘土夹粉砂，泡水易软化，因此基础土方开挖时应采取严格防水措施，首先将建筑物四周排水沟改道，外侧基础土方开挖时，除搭设防护棚外，还应加设油毡、彩条布防雨棚，基础坑外侧应设砖砌拦水坎。
（2）基础土方开挖后应立即验槽，并采用100㎜厚细石混凝土封底，除保留少量好土回填外，其余残土一律及时运出场外。
（3）泥浆护壁托换桩施工时，应根据地质情况以及施工要求，合理控制不同土层中泥浆的性能指标，既要防止成桩时发生塌孔现象，又不能使泥浆易沉淀并增加泥皮厚度；既能悬浮钻渣，又要使钻渣在泥浆池中循环时迅速下沉；既能有利施工，又能减少对桩基承载性能的不利影响。
（4）托换桩、基底拉梁以及两侧扩大通长基础梁的施工均应逐条检查、逐条隐蔽并做好记录。
5.2 室内增层改造施工
室内增层部分施工内容基本是常规的钢结构施工，需要注意的施工事项主要有两方面：第一，新增钢结构框架与原结构外墙采用分离式设计方式，施工至该部位时应严格按照设计要求预留足够宽度的分隔缝（亦起到防震缝的作用），应对交接部位既有墙体采取临时保护措施，防止施工期间对其磕碰产生损伤。第二，新增钢结构框架与原结构中间排架柱采用整体式设计方式，新旧结构采用焊接连接，连接部位施工之前应仔细核查、测量原结构连接点构造及尺寸，尽量避开铆钉连接点，节点焊接连接时应分段施焊，并对焊接影响区域采取有效的降温措施，防止焊接温度影响原有铆钉连接强度，减少焊接残余应力，及杆件的局部变形。
5.3 施工难点、重点和加强措施
本工程加固施工难点在于基础托换的施工安全和既有结构安全。本工程加固施工重点在于：托换桩、基底拉梁、基侧承台梁的施工质量控制。由于该建筑物具有历史文物保护价值，因此，在加固施工过程中对原有完好构件不得有任何损坏，为此，必须注意考虑以下加强措施：
5.3.1 必须由有相关改造经验的专业队伍进行加固施工；所有进场的原材料必须符合国家标准；严格执行国家现行有关规范、标准和施工规程，对于国家没有明确规定的项目在施工前要制定明确的质量控制指标。
5.3.2 本建筑物加固过程中局部构件拆除及开挖基槽时，必须随拆随运，决不允许将拆除物、残土等堆积在室内地面上，墙体加固过程中施工器具必须轻拿轻放，不得使用振动较大的设备；室内修缮、加固施工过程中，厂房内现有设施应注意采取防水，防撞等保护措施。
5.3.3 必须对进场操作工人进行改造加固工程的专门交底，除常规施工安全事项外，特别对基槽的开挖、砌体压力灌浆、块体嵌补，成品半成品的保护，以及施工过程中任何异常情况的注意，建立及时汇报反馈机制。
5.3.4 为确保施工安全、减小振动，砌体裂缝加固时应采用机械切割成槽或水钻排孔成槽，不得使用重锤、风镐等振动较大的工具，也不得用力过猛。
5.3.5 现场巡视、沉降观测跟踪、关键部位石膏灰饼辅助观察，作为整个加固施工过程的管理重点不容忽视。
5.3.6 建立气象预警系统、做好防灾害天气措施。
6 结语
近现代文物建筑常用砖、木，砖、石，砖、钢或砖、混凝土构成，限于当时的设计建造水平，其砌体强度一般都很低，结构布置也比较随意，钢构件截面相对偏小。对此类建筑的保护最好是“使用性”的保护，即不单是作为纪念性建筑供人们参观，还要按照现代的需求供人们使用。不仅要进行改造维修，还要进行必要的加固。采用桩基托换加固技术进行地下增层改造，既可以保持建筑的外观风貌，又可以提高基础结构的整体稳定性，达到长久保护建筑物的目的。本文介绍的托换改造设计对类似工程的加固改造有一定的参考价值。

参 考 文 献

[1] 吴鹭生, 许文杰, 李巧军. 黎明楼加固改造综合技术[C]//土木工程结构鉴定、加固与改造技术的新进展, 重庆: 重庆出版社, 2004.
[2] 唐业清, 林立岩, 崔江余. 建筑物移位纠倾与增层改造[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008.
[3] 中国工程建设标准化协会. CECS 225: 2007 建筑物移位纠倾增层改造技术规范[S]. 北京: 中国计划出版社, 2008.
[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50003-2001 砌体结构设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2002.
[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50007-2011 建筑地基基础设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2011.
[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ94-2008 建筑桩基技术规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008.