既有建筑内部空间“活化”利用中结构工程技术探析

既有建筑内部空间“活化”利用中结构工程技术探析

田少林

武汉市民用建筑设计研究院有限责任公司 湖北武汉  430010

摘要：既有建筑改造中,结构专业技术支撑尤为重要,特别是历史建筑改造利用中,在建筑外立面不改变的情况下,让内部空间充分利用。文章以某老市政府办公楼改造为研究对象,针对改造过程中关键结构技术难点分析,并提出解决策略,为既有建筑改造未来发展提供思路。

关键词：既有建筑;历史;活化;结构;改造;加固

前言：随着经济的发展,建设行业发展趋势将以城市更新为主,既有建筑改造将加快推进。所谓既有建筑内部空间“活化”利用,即将既有建筑内部空间释放、激活,在充分考虑改造的结构安全性和尽量保留原建筑立面,留下城市历史记忆的基础上,满足当下建筑内部空间的需求,为时代提供便利的生活场所和内部空间商业价值。因既有建筑会有很长的使用年限,之前的生活方式会随社会的进步而发生改变,有的还是历史建筑,具有保留价值。所以,需改造既有建筑,从而使其满足时代人的建筑使用空间、审美空间和文化娱乐空间需求,需针对性地对既有建筑结构进行加固改造。历史建筑,既要满足内部空间“活化”利用,又要保留外立面,留下历史记忆。

1工程概况

某改造工程为某市市政府办公楼,原大楼建造时间为1956年,设计单位不详。在1984年由某市建筑工程设计室对原市政府办公大楼重新外装饰设计,并在东西两端原四层加至五层,局部加固设计。

该项目原结构体系为多层砖混结构,共5层(局部6层),主体高度18.90米,基础为条形基础,墙体厚为430mm和300mm(含粉刷层),墙体材料为烧结普通砖,楼板为现浇楼板,室内外高差0.9米。首层层高4.0米,二至五层层高3.5米,局部六层层高3.2米。

因本工程为历史建筑(外墙保留原状尺度和尺寸),改造后使用功能为城市记忆馆(内部需求大开间),原砖混结构的小开间已不满足要求。为保留历史原貌和内部空间“活化”利用,故结构做如下改造加固,内容:1)结构体系改变,原砖混结构改为框架结构(内部钢框架+外维护墙)。2)基础形式改变,原条形基础改为桩基础(保留的外维护墙仍采用原有条形基础)。3)保留的外墙受力形式改变,原外墙为砖混结构的承重墙改为框架结构自承重的维护墙,该外墙内外侧均采用高延性混凝土加固,且在楼层处采取拉杆与楼板拉结,保证外墙在施工、平时使用和地震作用下的安全性。

2结构技术难点

2.1结构体系改变问题

原建筑为标准的砖混结构,小开间,内部横墙较多,现改造为内部钢框架结构+外维护墙结构。原承重的外墙变为自承重的维护墙,为了保证外维护墙与钢框架的可靠连接,设计采取办法:1)外墙双面高延性混凝土加固,且内配钢丝网C6@250双向,提高墙体的变形能力。2)在楼层设拉杆与新增混凝土楼板连接,保证围护墙与主体结构的可靠连接;拉杆与钢梁先焊接,保证施工时的墙体稳定性。3)在钢框架内置柱间钢支撑,提高钢框架的竖向刚度,位移角控制约1/2200,类似于常规的混凝土结构与填充墙的连接关系。

2.2外墙拉杆计算问题

该建筑改造形式为内部钢框架结构+外维护墙结构形式,其中外墙采用高延性混凝土双面加固,内部结构采用新建钢结构框架,外墙和钢框架之间的拉杆连接件是保证外墙稳定性的关键,也是保证地震时内外结构整体协同工作的关键。设计采用SAP2000有限元软件将钢框架和外墙整体建模分析,求解拉杆内力。在SAP2000建模中,钢梁与钢柱采用框架梁柱单元,主梁采用刚接形式,次梁采用铰接形式。在面单元中,壳单元介于膜单元与板单元之间,因此,采用壳单元能够真实地反映出楼屋面板和墙体的受力状态,其中楼板采用薄壳模拟,厚度100mm,材料属性选择软件内置的C30混凝土,经过加固后墙体的厚度为300mm,选择非线性分层壳模拟,墙体厚度240mm,内外侧采用30mm高延性混凝土加固,由于软件当中没有自带的材料模型,因此需要人工输入材料的属性,其中原砌体砖墙的弹性模量为2250MPa,高延性混凝土材料的弹性模量为22000MPa。

改造后建筑的内外两部分将通过连接体系的连接而达到协同工作的效果,连接件在水平作用下将受到拉、压作用,应保证连接构件具有足够的强度,延性和稳定性。并且为使内部结构能够有效地限制外墙位移,连接构件应具有足够大的刚度。外墙建在原有条形基础上,经过长期沉降,基础基本稳定。而内部钢框架结构体系是建在新建桩基础上的,桩基础沉降小,但考虑新老基础之间会存在沉降差,设计采取在桩承台下设100厚砂石褥垫层,调节沉降不均匀对原有条基的影响。连接件选用直径18mm的HPB300圆钢,拉杆间距1.0米～1.5米。

荷载信息:结构抗震设防分组为第一组,抗震设防烈度7(0.1g),场地类别为II类,建筑抗震设防类别为丙类,安全等级一级。楼面、屋面恒载、活荷载和设计取值相同。拉杆内力计算结果,连接件HPB300的抗拉强度设计值为270MPa,其拉杆承受的最大轴力为f=270*3.14*81=68.67kN。从模型计算结果看出无论是在X方向还是Y方向水平地震作用下,拉杆轴力随着层高的增加所受轴力逐渐增加,墙体转角处的轴力要比其他部位的轴力大,这是因为转角处受力复杂,刚度较大,地震时吸引地震作用。在X方向所受最大轴力为57.53kN,在Y方向上所受最大轴力为67.81kN,两者均小于钢材所能承受最大轴力,故连接件设置符合要求。

2.3基础托换施工和监测问题

为满足本工程改造后使用功能的需要,将原砖混结构体系改为内部钢框架结构+外围护墙结构,钢框架柱下采用锚杆静压桩基础托换,而保留的外墙下仍采用原有的条形基础自承重。为保证钢框架柱下地基基础托换加固工程科学有效地进行施工,设计要求必须由专业资质的加固专业补强单位施工,并制定详细的施工方案,同时为保证上部结构的安全,要求有资质的监测单位对施工全过程进行全方位的实时动态监测。通过监测工作的实施,掌握该项目在施工过程中对上部结构产生的变化,为地基基础托换加固工程的施工工作提供及时、可靠的数据和信息,指导施工顺利进行。同时可提前发现不稳定因素,对可能发生的问题提供及时准确的预报,并根据监测数据及时采取措施。地基基础动态托换技术路线:首先采用静力切割的方式对桩基承台区域的部分墙体进行切割拆除,使用自锁式机械千斤顶对拆除后的墙体进行卸载托换,采用实时监测系统对托换墙体的应变及垂直位移进行实时监测分析,动态调整自锁式机械千斤顶的控制参数,确保整体结构安全。

技术创新点及优势：①为加快施工进度,保障结构施工安全,采用静力切割结合自锁式机械千斤顶支撑的方案进行墙体托换,托换分为承台与杯口基础两部分进行两次托换,减小单次托换高度(单次托换外墙须开大洞,高2.0米,宽同承台),第一次0.9米高x承台宽,第二次1.1米高x杯口宽,确保上部结构安全。自锁式机械千斤顶根据监测系统所反馈的监测数据分析结果进行实时动态调整相关控制参数。

②针对上部结构改造加固特点,采用智能化监测系统,布设垂直位移监测系统和应力应变监测系统共两套监测系统。垂直位移监测系统在砌体结构上布设44个监测点,在新增钢结构体系中布设48个监测点;应力应变监测系统在砌体结构上布设44个监测点,在新增钢结构体系中布设48个监测点,并及时分析监测结果,确保监测工作的准确性。

③考虑到上部结构荷载较小,在压桩过程中采取专利技术,通过新增临时钢连梁将相连砌体墙进行连接,形成整体,增大上部荷载,同时通过钢连梁下新增自锁式千斤顶,为压桩承台提供足够压桩反力,使压桩施工顺利完成,本工程采用以压桩力控制为主,桩长控制为辅的原则,并利用实时监测系统监测压桩力值变化,确保施工过程的结构安全。

④封桩过程中,增加预应力封桩工艺,根据监测系统监测实际上部荷载变化情况,进行动态调整封桩力值。

结束语：

随着中国社会经济的不断发展,城市居民的日常生活空间发生了巨大的变化;随着建设行业发展,城市更新中既有建筑改造内部空间“活化”利用将是发展趋势;随着结构新技术、新材料、新工艺的应用,将为既有建筑改造提供强大的技术支持。本文分析了历史既有建筑砖混结构的办公楼,改造为满足大空间需求的城市记忆馆。在结构的技术支持下,既增强市民的归属感和幸福感,又丰富时代人的精神需求。最终实现了既有建筑内部空间“活化”利用,创造良好的建筑空间价值,同时保留了既有建筑外立面不改变,给城市更新留下了历史文化和城市记忆。

参考文献：

[1]王逢睿,牛文庆,张小兵,等.湿陷性黄土地区锚杆静压桩地基加固应用研究[J].2019,49(6):133-138.

[2]周汉香,周越洲.某高层建筑桩基加固设计[J].建筑结构,2019,49(20):104-108.