陳嘉庚紀(jì)念堂結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)
相關(guān)鏈接： 中國(guó)安全網(wǎng) 中國(guó)質(zhì)量網(wǎng) 中國(guó)論文網(wǎng) 中國(guó)資訊網(wǎng)
廖文彬
（廈門中福元建筑設(shè)計(jì)研究院，廈門361009）
[摘要] 陳嘉庚紀(jì)念堂建成于1982年，現(xiàn)已不能滿足結(jié)構(gòu)抗震安全要求和使用功能要求，需要對(duì)其進(jìn)行加固改造。結(jié)合紀(jì)念堂內(nèi)部的維修改造及裝修，在保持原建筑外貌不變的前提下，將原設(shè)縫脫開的結(jié)構(gòu)單元底部重新連接成整體，并采用內(nèi)加壁式框架、鋼筋加固鋼屋架、鋼斜撐加固女兒墻等多種措施提高結(jié)構(gòu)抗震性能，減小結(jié)構(gòu)剛度差異，同時(shí)增設(shè)舞臺(tái)葡萄架以滿足使用功能。按照該方案加固改造后的紀(jì)念堂不僅能夠滿足使用功能的要求，還具有良好的抗震性能，實(shí)現(xiàn)了提高抗震能力、完善內(nèi)部現(xiàn)代設(shè)施及歷史風(fēng)貌建筑保護(hù)的協(xié)調(diào)。
[關(guān)鍵詞] 陳嘉庚紀(jì)念堂；歷史風(fēng)貌建筑；改造設(shè)計(jì)；抗震加固
中圖分類號(hào)：TU318文章編號(hào)：1002-848X(2016)05-0053-05
1 工程概況
陳嘉庚紀(jì)念堂建成于1982年，位于福建泉州華僑大學(xué)內(nèi)，是為紀(jì)念著名愛(ài)國(guó)華僑領(lǐng)袖陳嘉庚先生由華僑捐資籌建的。紀(jì)念堂占地面積12 000m2，建筑面積7 436m2，建筑高度23. 9m，由前樓和禮堂組成，現(xiàn)作為華僑大學(xué)禮堂使用。
由于建成至今已近40年，紀(jì)念堂內(nèi)部設(shè)施陳舊、配套設(shè)施設(shè)備不足、使用功能欠缺，已不能滿足大學(xué)生文藝匯演、大型歌詠比賽等文藝演出的需求，另外，紀(jì)念堂消防系統(tǒng)缺失，結(jié)構(gòu)抗震能力不足，需要對(duì)禮堂進(jìn)行建筑、聲學(xué)、給排水、消防、暖通、電氣、燈光、音響、舞臺(tái)機(jī)械、結(jié)構(gòu)抗震等方面的改造設(shè)計(jì)。由于本工程具有歷史風(fēng)貌建筑的特點(diǎn)，要求改造設(shè)計(jì)不得影響建筑外觀。
陳嘉庚紀(jì)念堂由前樓和禮堂組成，兩部分設(shè)結(jié)構(gòu)縫脫開，本次工程僅對(duì)禮堂進(jìn)行改造。禮堂由舞臺(tái)和帶有二層樓座的觀眾廳組成，觀眾座位共3 030個(gè)，跨度為36m，禮堂建筑平面圖如圖2所示。禮堂采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱I區(qū)），36 m大跨度屋架采用梯形鋼屋架，觀眾廳的二層樓座懸挑7m，結(jié)構(gòu)采用框架一剪力墻結(jié)構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱Ⅱ區(qū)），該樓座自基礎(chǔ)以上與觀眾廳主體結(jié)構(gòu)設(shè)結(jié)構(gòu)縫脫開，形成了獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元，結(jié)構(gòu)平面圖如圖3所示。
陳嘉庚紀(jì)念堂地處坡地，基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，持力層為殘積黏性土，地基承載力特征值為220kPa。I區(qū)舞臺(tái)兩側(cè)樓板采用預(yù)制板，其余結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆混凝土板。梯形鋼屋架屋面采用20mm厚企口木板+二氈三油防水層+鍍鋅鐵皮。I區(qū)結(jié)構(gòu)屬于單層大跨度空曠房屋建筑，主要框架柱截面500 x1 000，框架梁截面240×500，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C18，大部分柱的箍筋直徑為6mm，加密區(qū)箍筋間距為200mm或250mm;Ⅱ區(qū)包含地上2層和半地下室，高度15. 96m，樓座懸挑7m，采用三角形梁懸挑，雙向布置剪力墻共同承擔(dān)懸挑樓座的傾覆力矩，形成框架．剪力墻結(jié)構(gòu)。
2 結(jié)構(gòu)安全性鑒定及抗震鑒定
陳嘉庚紀(jì)念堂地處抗震設(shè)防烈度7度(0. 15g)區(qū)且作為禮堂使用，依據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》( GB 50223-2008)及《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》( GB 50023-2009)（簡(jiǎn)稱抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)），該紀(jì)念堂抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求加強(qiáng)其抗震措施，即按抗震設(shè)防烈度為8度的要求采取抗震措施，其抗震性能按抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，房屋后續(xù)使用年限為30年，屬A類建筑。根據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》( GB 50292-1999)對(duì)紀(jì)念堂進(jìn)行安全性鑒定。根據(jù)建設(shè)單位提供的《華僑大學(xué)陳嘉庚紀(jì)念堂維修改造二期工程結(jié)構(gòu)安全性鑒定及抗震鑒定報(bào)告》（簡(jiǎn)稱鑒定報(bào)告），主要鑒定結(jié)果如下。
2.1結(jié)構(gòu)安全性鑒定（未含抗震）
(1)地基基礎(chǔ)�，F(xiàn)場(chǎng)檢查基礎(chǔ)周邊地面未見(jiàn)明顯沉陷，未發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)不均勻沉降引起的上部結(jié)構(gòu)明顯變形和開裂現(xiàn)象。
(2)框架結(jié)構(gòu)。本工程采用框架結(jié)構(gòu)體系，可形成完整系統(tǒng)，屋蓋部分采用梯形鋼屋架，結(jié)構(gòu)傳力路線清晰。I區(qū)、Ⅱ區(qū)部分梁、柱箍筋配置不能滿足《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》( GB 50292-1999)的要求，Ⅱ區(qū)一層板的板筋面積普遍不足，其余上部承重結(jié)構(gòu)梁柱構(gòu)件承載能力基本滿足規(guī)范要求�，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)部分預(yù)制板存在開裂、滲水現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)梁柱構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)存在明顯變形和破壞跡象。
(3)屋架結(jié)構(gòu)。梯形鋼屋架上下弦橫向支撐、豎向支撐、桿件長(zhǎng)細(xì)比等屋蓋構(gòu)造均符合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50017-2003)的要求，屋架構(gòu)件工作狀況基本正常，未發(fā)現(xiàn)撓曲變形，所檢鋼屋架跨中撓度小于規(guī)范規(guī)定的撓度限值，屋架桿件外觀未見(jiàn)明顯的裂紋、毛刺、凹坑、變形等缺陷，抽取雙面貼角焊縫外觀質(zhì)量符合三級(jí)焊縫外觀質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，但有部分桿件面漆起皮，部分與支座相連構(gòu)件表面存在銹蝕現(xiàn)象。經(jīng)計(jì)算，屋架的承載能力基本滿足要求。
屋架支座螺栓、支座底板等節(jié)點(diǎn)工作狀況基本正常，未見(jiàn)明顯變形、裂縫和損壞，但支座構(gòu)件表面普遍存在銹蝕現(xiàn)象。
2.2結(jié)構(gòu)抗震鑒定
本工程I區(qū)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)空曠房屋，整體平面布置不規(guī)則，舞臺(tái)后墻采用樓層作為水平支撐，墻體頂部設(shè)臥梁，屋面采用梯形鋼屋架、有檁屋蓋，滿足抗震鑒定規(guī)范要求。本工程Ⅱ區(qū)采用鋼筋混凝土雙向框架結(jié)構(gòu)體系，局部設(shè)置剪力墻，滿足抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)要求。
調(diào)查檢測(cè)表明，該工程的建筑層數(shù)、結(jié)構(gòu)體系、房屋整體性連接構(gòu)造、材料強(qiáng)度、房屋易損部位及其連接的構(gòu)造、填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接構(gòu)造等基本滿足抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)的要求，但是房屋的外觀和內(nèi)在質(zhì)量、框架梁柱配筋及構(gòu)造存在部分項(xiàng)目不滿足抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，主要包括：所檢框架梁柱縱向鋼筋符合非抗震設(shè)計(jì)要求，但部分柱的箍筋直徑為6mm，不滿足抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小直徑8mm的要求，部分柱箍筋加密區(qū)間距為200mm或250mm，不滿足抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小間距150mm的要求。
3 結(jié)構(gòu)改造加固問(wèn)題分析
禮堂結(jié)構(gòu)改造加固主要存在以下技術(shù)問(wèn)題：
(1)框架結(jié)構(gòu)基本未考慮抗震設(shè)計(jì)，梁、柱箍筋不滿足抗震要求。
(2)由于Ⅱ區(qū)自基礎(chǔ)以上與I區(qū)脫開，I區(qū)結(jié)構(gòu)在該處的端榀為剛度較差的大跨度排架，與另一端舞臺(tái)山墻結(jié)構(gòu)有明顯的剛度差異，剛度分布明顯不均，易造成結(jié)構(gòu)地震下的扭轉(zhuǎn)破壞。
(3)部分柱、梁、板配筋不能滿足規(guī)范要求。
(4)建筑維修改造后舞臺(tái)需增加葡萄架系統(tǒng)，需要確定大跨度葡萄架系統(tǒng)與原結(jié)構(gòu)的加設(shè)方式和受力關(guān)系。
(5)裝修改造引起鋼屋架吊掛的吊頂、燈光、空調(diào)等吊掛重量增加，鋼屋架承受荷載相應(yīng)增大，需對(duì)鋼屋架進(jìn)行加固。
(6)屋頂女兒墻高3.5m，僅采用了構(gòu)造柱及圈梁，地震時(shí)鞭梢效應(yīng)導(dǎo)致墻體掉落，需考慮掉落引起的抗震安全問(wèn)題。
因此，進(jìn)行加固改造設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要考慮鑒定報(bào)告中提出的問(wèn)題，同時(shí)需要考慮裝修改造引起結(jié)構(gòu)局部改造及完善使用設(shè)施所增加的荷載。另外，由于紀(jì)念堂在設(shè)計(jì)時(shí)，我國(guó)尚未有抗震設(shè)計(jì)方面的相關(guān)規(guī)范，因此還應(yīng)著重在提高結(jié)構(gòu)整體抗震性能和對(duì)震害容易損壞的部位進(jìn)行抗震加固設(shè)計(jì)，按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求加強(qiáng)其抗震措施。
4 結(jié)構(gòu)改造加固設(shè)計(jì)
4.1結(jié)構(gòu)抗震加固設(shè)計(jì)
本工程的抗震加固設(shè)計(jì)主要包括兩方面：1）對(duì)未考慮抗震設(shè)防的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固，在進(jìn)行加固設(shè)計(jì)時(shí)，按照抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)的要求，高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度采取抗震措施；2）結(jié)構(gòu)平面布置不規(guī)則，結(jié)構(gòu)剛度分布不均勻，需要采取措施減小結(jié)構(gòu)乎面剛度的差異并提高結(jié)構(gòu)抗扭剛度。
4.1.1抗震設(shè)防
由于框架結(jié)構(gòu)基本未考慮抗震設(shè)計(jì)，梁柱箍筋的直徑、加密區(qū)間距、肢距等不滿足抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)的要求，造成框架抗震性能明顯低下，地震作用下的破壞后果將十分嚴(yán)重，因此提高框架的抗震性能極其重要。另外，由于紀(jì)念堂抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求加強(qiáng)其抗震措施。同時(shí)由于紀(jì)念堂為歷史風(fēng)貌建筑，改造加固設(shè)計(jì)不得影響建筑外觀。經(jīng)綜合考慮，采用內(nèi)加壁式框架進(jìn)行加固，新加壁式框架厚度250mm，加固后框架柱截面為500 x1250，框架梁截面為490×500，新加混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C30，如圖4所示。壁式框架能夠形成一個(gè)新的較完整的抗震系統(tǒng)，并獨(dú)立承擔(dān)一定荷載，顯著增加結(jié)構(gòu)延性；與原框架梁柱連接成一體，提高了大跨度空曠結(jié)構(gòu)的整體性及剛度；另外，由于原36m大跨度鋼屋架柱頂支承長(zhǎng)度為350mm，內(nèi)加壁式框架后鋼屋架在柱頂支承長(zhǎng)度增加250mm，結(jié)合女兒墻加固時(shí)于柱兩側(cè)設(shè)置的鋼斜撐對(duì)鋼屋架的限位作用，防止鋼屋架大震下脫落。
4.1.2結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)限制
國(guó)內(nèi)外歷次大地震震害表明，平面不規(guī)則、質(zhì)量與剛度偏心和抗扭剛度太弱的結(jié)構(gòu)，在地震作用中易遭受嚴(yán)重的破壞。
紀(jì)念堂I區(qū)結(jié)構(gòu)平面布置不規(guī)則，結(jié)構(gòu)一端為山墻、另一端敞開，結(jié)構(gòu)剛度分布明顯不均。由于抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有明確規(guī)定結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，考慮本工程為乙類建筑，因此參照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( JGJ 3-2010)（簡(jiǎn)稱高規(guī)）對(duì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)性能指標(biāo)進(jìn)行控制。對(duì)加固前結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1，可以看出，y向最大層間位移角超過(guò)高規(guī)的允許值1/550，表明y向剛度不足。Y向扭轉(zhuǎn)位移比大于1. 40，不符合高規(guī)的規(guī)定，同時(shí)第2階周期扭轉(zhuǎn)系數(shù)已接近0.5，表明結(jié)構(gòu)存在明顯扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。圖5為加固前結(jié)構(gòu)第2階振型圖，可以看出，由于結(jié)構(gòu)敞開端剛度較弱，存在嚴(yán)重扭轉(zhuǎn)。
敞開端受樓座布置的限制，無(wú)法加設(shè)剪力墻或支撐等提高抗側(cè)移剛度。在本工程中，可利用剛度較大的Ⅱ區(qū)框剪結(jié)構(gòu)（樓座）為I區(qū)結(jié)構(gòu)提供剛度，為避免敞開端剛度提高過(guò)大導(dǎo)致新的偏心，加固設(shè)計(jì)中只將Ⅱ區(qū)的1層以下的半地下室與I區(qū)連接成整體，1層以上仍保留分縫脫開（圖6）。按I區(qū)、II區(qū)的1層以下連接成整體，I區(qū)采用內(nèi)加壁式框架加固（圖4）的結(jié)構(gòu)加固方案對(duì)加固后結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)比加固前后結(jié)果可以看出，加固后前2階周期以平動(dòng)為主，扭轉(zhuǎn)由第2階周期T2變成第3階周期T3，周期比T3/T1=0.75，說(shuō)明抗扭剛度明顯提高，并符合高規(guī)的要求，Y向最大層間位移角由1/3 06減小為1/642，位移比也有所減小，結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度明顯增大。但由于1層以上是敞開端，仍存在剛度偏心，從加固后位移比1. 40也可看出結(jié)構(gòu)仍存在較大扭轉(zhuǎn)，此時(shí)應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)外圍抗側(cè)力構(gòu)件的剛度，減小結(jié)構(gòu)剛心和質(zhì)心的偏心距，因此在加固設(shè)計(jì)中對(duì)敞開端兩排框架柱進(jìn)行截面雙面加大，按抗震等級(jí)提高一級(jí)進(jìn)行配筋和配箍，箍筋全高加密。
4.2舞臺(tái)葡萄架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于舞臺(tái)功能要求，需增設(shè)葡萄架用于舞臺(tái)背景幕、燈光等吊桿升降用。葡萄架位于舞臺(tái)上空，尺寸為15m×24m（圖7），結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了四個(gè)方案的比選。
方案1：利用鋼屋架，葡萄架掛在鋼屋架下弦節(jié)點(diǎn)。由于葡萄架重量較大，鋼屋架超載多，大部分桿件需加固，特別是上弦桿加固會(huì)破壞屋面材料，加固量大，優(yōu)點(diǎn)是葡萄架結(jié)構(gòu)高度小。
方案2：鋼屋架結(jié)合葡萄架進(jìn)行加高鋼屋架高度方案，此方案中葡萄架占用高度小，屋架剛度增大，但是加固量及現(xiàn)場(chǎng)焊接量大。
方案3：利用舞臺(tái)兩側(cè)的框架柱加高至屋架，成為屋架支座，將單跨36m屋架變成6m+24m +6m的3跨鋼屋架，該方案通過(guò)增加支座來(lái)減小跨度，可以減少桿件加固量，但由于增設(shè)支座，有些桿件將從拉桿變?yōu)閴簵U，上弦桿的加固會(huì)破壞屋面材料，加固量較大，優(yōu)點(diǎn)是葡萄架結(jié)構(gòu)高度較小。
方案4：采用鋼結(jié)構(gòu)梁制作葡萄架，支承在舞臺(tái)周邊梁柱上，其優(yōu)點(diǎn)是鋼屋架不用加固，缺點(diǎn)是由于跨度大，葡萄架結(jié)構(gòu)高度較高。
經(jīng)綜合比較，并與舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備配合，將葡萄架緊靠屋架下弦，解決高度問(wèn)題，最終采用方案4。方案4加固量少，傳力直接，并能為高大山墻提供側(cè)向支撐，增強(qiáng)山墻穩(wěn)定性（圖7和圖8）。
4.3鋼屋架加固設(shè)計(jì)
裝修改造引起鋼屋架吊掛的吊頂、燈光、空調(diào)等吊掛重量增加，鋼屋架承受荷載相應(yīng)增大，經(jīng)復(fù)核驗(yàn)算，在面光橋位置有兩榀鋼屋架下弦桿承載力略不足，鋼屋架下弦桿為雙拼角鋼，因此采用在下弦桿加設(shè)焊接兩根鋼筋加固，鋼筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB335，直徑為25mm，加固方法如圖9所示。在進(jìn)行屋架下弦桿加固時(shí)，先架設(shè)滿堂腳手架進(jìn)行屋頂千斤頂卸荷，然后進(jìn)行焊接工作。
4.4磚砌女兒墻抗震加固設(shè)計(jì)
歷次地震震害表明，較高的磚砌女兒墻容易掉落，傷害逃生人員及堵塞逃生通道。本工程屋頂女兒墻高3. 5m，磚墻厚240mm，構(gòu)造柱間距2.5m，女兒墻中部及墻頂圈梁各一道。由于女兒墻懸臂高度很高，僅靠構(gòu)造柱及圈梁不足以抵抗地震時(shí)鞭梢效應(yīng)，因此必須進(jìn)行抗震加固。
利用新內(nèi)加的壁式框架柱，在柱頂設(shè)預(yù)埋件，并避開屋架，在屋架兩側(cè)設(shè)鋼斜撐，鋼斜撐下端與柱頂預(yù)埋件焊接，上端與女兒墻中部圈梁焊接，大大減小女兒墻懸臂高度，提高了女兒墻安全性，同時(shí)屋架兩側(cè)設(shè)置的鋼斜撐還可以起到限制屋架脫落的作用，女兒墻加固圖如圖10所示。
5 結(jié)論
在陳嘉庚紀(jì)念堂禮堂結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)中，不僅考慮了裝修改造中舞臺(tái)設(shè)備、吊頂、燈光、空調(diào)等吊掛重量增加引起的結(jié)構(gòu)加固問(wèn)題，還從結(jié)構(gòu)整體抗震性能出發(fā)，對(duì)結(jié)構(gòu)重點(diǎn)受力部位和震害容易損壞的部位進(jìn)行加固，提高其抗震性能。
(1)內(nèi)加壁式框架保持結(jié)構(gòu)外形不變，形成新的抗震系統(tǒng)，可提高結(jié)構(gòu)的整體性、剛度及延性，滿足結(jié)構(gòu)抗震要求。
(2)將Ⅱ區(qū)的1層以下的半地下室與I區(qū)連接成整體，1層以上仍保留分縫脫開，I區(qū)內(nèi)加壁式框架加固、敞開端兩排框架柱斷面雙面加大后可以提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度和抗扭剛度，明顯減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。
(3)緊靠屋架下弦架設(shè)鋼結(jié)構(gòu)梁制作舞臺(tái)葡萄架，在滿足禮堂使用功能的同時(shí)只需焊接鋼筋對(duì)鋼屋架下弦進(jìn)行加固。
(4)在女兒墻中部加設(shè)鋼斜撐以減小女兒墻的懸臂高度，提高女兒墻抗震安全性，限制屋架的脫落。
