历史建筑加固改造设计

来源：职称阁分类：建筑论文时间：2020-07-09 10:35热度：

　　对历史建筑进行保护修缮和赋予其新的使用功能是古城保护与开发过程中一个崭新的课题，尤其是对于砖混结构的历史建筑进行保护修缮和加固改造，应着眼于建筑物的实际情况和改造后的功能需求，从施工的难易、安全性及经济性上考虑尽量不拆除或少拆除原主体承重结构。但本工程的历史建筑因历史久远、主体结构构件破损严重，在原主体结构基础上加固改造基本没有可行性，同时文物部门又要求建筑物的的外貌不能改变，所以采用“外墙保留+全脱开的内部加层”的加固改造方法便成了合理方案之一。这种加固改造方法重点在于对保留外墙的加固改造，通过在保留外墙的室内一侧增加扶壁框架(扶壁柱+水平系梁)、钢筋混凝土面层及圈梁等措施加固墙体。从工程实例出发，分析并系统梳理了“外墙保留+全脱开的内部加层”的加固改造方法，在方案选择、模型建立、参数确定等方面进行了细致的推导和演示，得到了完整的设计方法和合理的经验数值，可为工程技术人员参考。

历史建筑加固改造设计

　　［关键词］历史建筑;加固改造;设计方法;砖混结构;扶壁框架

　　历史建筑能反映历史风貌和地方时代印记，建筑本身承载了诸多当地的生存、奋斗和发展、变迁历程，具有一定的保护价值。然而，由于历史建筑大多已有五六十年甚至近百年的历史，经过长时间自然环境的腐蚀和人为因素的破坏等，这些建筑早已存在不同程度的损伤，有些历史建筑已成为危房，在结构上存在极大的安全隐患。另外，其室内原有布局也很难满足现代建筑对使用功能的要求，需要对其进行加固改造后才能继续使用。

　　1工程概况

　　商丘市某历史建筑位于商丘古城内，原为针织厂一号厂房。根据鉴定检测报告［1］和现场调研，该建筑为二层混合结构，外墙以青砖实砌为主，局部设有砖柱;内部结构首层为预制梁、预制柱+预制空心楼板，楼屋盖与外墙的连接较弱，柱网4.5m×4.5m;二层为大空间，屋盖系统为三角形木屋架，歇山式屋顶。建筑平面呈矩形，长60.4m，宽25.6m，檐口高度9.36m，屋脊高度约为10.5m;原外墙基础为砖砌条形基础，有放大脚，基础埋深0.9m左右。改造前该建筑已多年废弃不用(图1)，房屋空置。其主体结构由于年久失修、保护不善，室内预制梁柱、空心楼板和三角形木屋架等均老化且破损严重，无法再利用。根据当地政府古城保护开发规划要求，该建筑拟改造为华商博物馆对社会免费开放，因此需对其进行修缮和加固改造。

　　2结构加固改造方案确定

　　加固改造设计前，业主请专业检测鉴定机构对该工程做了可靠性鉴定，鉴定检测报告［1］主要结论如下:1)该工程木质构件和屋顶木屋架腐朽老化，破损严重，部分木梁断折，已失去承载能力，需拆除置换;2)对风化和松动的墙体局部置换，对开裂及倾斜的墙体拆除重砌;3)对墙体粉刷层严重脱落、砖体及砂浆风化较重的部位重新进行抹灰保护处理;4)室内预制梁、柱和空心板等老化破损严重，混凝土强度很低且梁板柱连接较弱，不适于继续承载。该建筑作为古城内的保留建筑，根据当地文物部门的要求，其外貌(外墙及外立面)不能改变，以保留原建筑的历史印记;同时，该建筑拟改造为华商博物馆，原首层4.5m的小柱网满足不了建筑功能的需求。根据鉴定检测报告［1］和现场调研的实际情况，如果在原有主体结构基础上加固改造，一则因原有构件老化破损严重、强度太低而意义不大，且施工难度大、费用高，性价比太低;二则无论从抗震构造上还是从结构计算分析上，在原结构基础上加固都很难满足现行规范的要求。综合分析考虑后，确定本工程结构加固改造方案为:1)保留外墙结构及外立面不变，通过在室内一侧增加扶壁框架(扶壁柱+水平系梁)、钢筋混凝土面层及圈梁等措施加固墙体，理论上由经加固后的复合墙体承担墙体抗压和平面内水平地震作用下的抗剪，由增设的钢筋混凝土扶壁框架承担墙体平面外的弯矩，这样使保留墙体经改造加固后满足现行规范的要求;2)室内原主体结构构件包括木屋架及屋面全部拆除，新建室内建筑采用钢框架结构，楼板采用压型钢板组合混凝土楼(屋)盖的形式，以满足建筑使用功能和抗震设防的要求;新建部分与原外墙完全脱开，新、旧结构主体间设置100mm宽防震缝(图2);3)改造后建筑结构安全等级为二级，室内新增部分设计使用年限为50年，保留外墙加固后使用年限为30年，30年后须进行可靠性鉴定，根据实际鉴定结果确定是否可以继续使用。

　　2.1保留外墙体加固方案

　　结合本工程的实际情况，经过对比分析研究，保留外墙体采取如下加固方案:(1)增设扶壁框架(图3):在窗间墙内侧两边(间距不大于2.5m)增设600mm×500mm混凝土扶壁柱(图4)，在原有砖柱基础上设置增强柱套(图5)，新增柱与墙体的连接大样如图6所示;在标高4.5m和标高9.36m(檐口)处设置600mm×400mm水平系梁(图7)，与扶壁柱共同构成外墙扶壁框架，为外墙提供平面外刚度(图8)。(2)增设钢筋混凝土面层:外墙内侧增设60mm厚的钢筋混凝土面层，以提高保留外墙的承载力和刚度(图9)。墙体内侧钢筋混凝土面层加固有两个目的:一是增强墙体的整体性，在平面外对墙体进行约束;二是经过外侧修补和内侧面层加固后的墙体应能承担墙体平面内水平荷载的作用。(3)增设通长圈梁:在窗户上、下口位置增设截面为180mm×180mm的通长圈梁(图10)，与扶壁框架、钢筋混凝土面层形成统一整体，共同增强外墙的承载能力和刚度。

　　2.2保留外墙体结构验算

　　(1)墙体平面内验算:平面内验算主要是依据抗震规范［2］和砌体规范［3］相关要求验算加固后墙体抗压和水平地震作用下的抗剪能力，加固后组合柱典型平面见图11。经验算，加固后墙体(组合柱)满足现行规范要求。(2)墙体平面外验算:平面外验算假定扶壁框架所属区域墙体平面外水平荷载均由扶壁框架承担，墙体不承担平面外的荷载，在此假定基础上验算扶壁框架的强度和刚度(抗弯、抗剪和变形能力等)是否满足抗震规范［2］和混凝土规范［4］的相关规定。本地区基本风压为0.45kN/m2，水平地震影响系数最大值αmax取0.16(比本地区设防烈度提高一度取值)，在此条件下验算扶壁框架的强度和刚度。(3)扶壁框架强度验算:经过计算，水平地震作用下，扶壁柱底部最大弯矩为315.10kN·m，抗弯纵筋计算面积1645mm2(实配525)，最大水平剪力为44.88kN，小于扶壁柱斜截面混凝土受剪承载力设计值280.28kN，扶壁柱箍筋按构造配置;水平系梁计算最大弯矩为20.79kN·m，纵筋计算面积115mm2(实配420)，最大剪力为33.26kN，小于水平系梁斜截面混凝土受剪承载力设计值224.22kN，水平系梁箍筋按构造配置。通过计算可以看出，扶壁柱和水平系梁在上述假定下配筋值均较小，说明所选截面合适，扶壁框架强度满足要求。(4)扶壁框架刚度控制:扶壁框架的平面外计算不仅要满足承载力要求，也应满足变形要求。因单片框架结构相关规范对其刚度和侧移限值没有明确规定，经过研究，本工程水平地震作用下位移角限值取钢筋混凝土框架结构的弹性位移角限值1/550［2］和砌体结构严重破坏位移角限值1/200［5］的一半即1/400两者中的较小值1/550。经验算，本工程扶壁柱框架最大位移角为1/630，小于1/550，满足设计要求。

　　2.3保留外墙基础加固方案

　　外墙与内部主体结构彻底脱开后，墙底竖向荷载没有楼(屋)面传来的荷载，只有墙体自重，荷载变小，所以基础加固仅着眼于新增扶壁柱及混凝土面层的基础。具体做法是:在室内一侧新增扶壁柱及混凝土面层的底部相应增加混凝土基础和垫层，其中新增基础边不应小于新增扶壁柱及混凝土面层外边缘300mm，基础底与原基底齐平。新增钢筋混凝土基础做法见图12。

　　2.4室内新建主体结构方案

　　结合本工程室内施工空间狭小、施工工期紧的实际情况，通过多方案比对，新建主体结构形式采用钢框架结构，楼板采用压型钢板组合混凝土楼(屋)盖的形式;基础除与已有外墙相邻处为避免和已有基础碰撞采用柱下条形基础外，其余均采用独立基础。新建主体结构设计使用年限为50年，按现行规范进行设计。

　　3保留外墙外侧修缮保护

　　根据文物部门的要求，本工程加固改造不能改变建筑物外立面风格风貌，只能对保留外墙外表面松散、脱落、破坏的地方进行修补、拆砌和补砌，修旧如旧。具体措施和要求如下:(1)剔补墙体。剔除墙面局部后抹水泥等覆盖层，核查墙体表面残损实际情况;剔补酥碱墙砖，重新勾缝、打点。先将墙体表面后刷的多种材质抹面清除干净，将表面风化和破损严重的砖进行剔除处理，为减少剔砖的扰动，可根据缺损厚度，直接用切割后的砖片或半砖块进行粘补，贴补砖做法要塞实粘牢，修补后要进行外观打点处理，要求与周边砖表面平整一致。(2)墙体勾缝。先用瓦刀、钉子等将松动灰缝清理干净并镂划砖缝，再用小鸭嘴儿将小麻刀深月白灰“喂”平砖缝，后用短毛棕刷子沾少量清水顺砖缝勒刷，并用小鸭嘴儿将灰缝轧平轧实，最后用扫帚将墙面清扫干净。墙体、台帮砖缝修补采用小麻刀深月白灰勾缝。小麻刀深月白灰重量配比为100∶3(灰∶小麻刀)。(3)墙体局部拆砌。对于空鼓现象较明显的墙体、歪闪严重的墙体、墙砖松动面积较大的部位采取局部拆砌的措施，回砌过程中注意回砌砖料应与原墙体材料在材质、规格及颜色等方面基本保持一致，砌筑中应与原有砖料错茬搭接，要求既修补、垒砌牢固，又要在视觉上降低新旧的差异。淌白缝子做法应使用老浆灰打灰条砌筑，普通淌白墙使用月白灰打灰条砌筑。墙体内部砌筑材料选用掺灰泥与桃花浆，白灰用量不应少于白灰和黄土总体积的30%。(4)修补处理后要求外立面风格与原来基本保持一致。

　　4结语

　　对于砖混结构的历史建筑进行加固改造，应着眼于建筑物的实际情况和改造后的功能需求，从施工的难易、安全性及经济性价比上考虑尽量不拆除或少拆除原主体承重结构，在现有主体结构基础上加固为第一选择方案。本工程原二层针织厂房要改造成博物馆，原结构首层为预制梁、预制柱、预制空心楼盖，因建筑物历史久远，主体结构构件破损严重、检测强度很低，基本不适于继续承载，在原主体结构基础上加固改造基本没有可行性;另外本工程改造后建筑功能为博物馆，建筑使用功能上要求大开间、大跨度，原小柱距满足不了建筑功能要求，所以经过多方案比较最终选择了“外墙保留+全脱开的内部加层”的方法对建筑物进行加固改造，是适合工程实际情况的相对合理的选择。“外墙保留+全脱开的内部加层”的加固改造方法重点在于对保留外墙的加固，因内部新建部分适用于新规范，按新建工程正常设计即可;保留外墙因失去了楼(屋)面板的支承约束而成为悬臂构件，并且这类工业厂房高度一般可达10m甚至更高，对保留墙体的强度和稳定尤其是平面外的稳定提出了更高的要求。本工程通过在室内一侧增加扶壁框架(扶壁柱+水平系梁)、钢筋混凝土面层及圈梁等措施加固墙体。假定由经加固后的复合墙体承担墙体抗压和平面内水平地震作用下的抗剪，由增设的钢筋混凝土扶壁框架承担墙体平面外的弯矩。通过分析验算，保留墙体经改造加固后满足现行规范的要求，达到了设计的预期目标，可为工程技术人员提供借鉴和参考。

　　作者：李增超邵西子

文章名称：历史建筑加固改造设计

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