历史保护建筑的结构加固与修缮设计

陈东阁

[摘要]：本文以上海市某优秀历史建筑为例，阐述如何在遵循恢复建筑原有风貌的原则下，对旧的砖混结构进行结构加固与修缮设计，使其符合现代化的功能要求，并为城市历史建筑修缮提供了新思路。

[关键词]：历史建筑，砖混结构，加固修缮，抗震

历史建筑多以砖混结构或砌体结构居多，一般为低强度砌体、砂浆或混凝土砌筑，由于年久失修或地震破坏等因素已无法满足正常使用的要求，亟待加固及保护，本文以某历史建筑的加固修缮为例，分析砖混结构产生事故的原因，并系统地提出加固修缮方法。

一、工程概况

本工程为上海市某历史建筑，始建于1935年，是一幢主体二层、局部四层的多层砌体内框架结构（如图1）。房屋外围砖墙厚254mm，采用黏土红砖及混合砂浆砌筑。内部大空间采用混凝土柱承重，柱截面为圆形、近似半圆形及矩形三种情况，柱主筋多采用方钢，箍筋多为双肢，间距约95~254mm（柱端箍筋逐渐加密）。房屋屋面采用密肋板，板厚64mm，其余各层楼板多为95厚现浇板，采用分离式配筋。该建筑兼具中国古典元素与近代西方风格，是上海市第二批优秀历史建筑。

图1结构平面布置图

二、检测鉴定

业主委托质量检测站进行结构调查、安全性鉴定分析及抗震鉴定分析，主要从房屋倾斜沉降测量、材料强度测试、室内外损伤状况、结构验算及原因分析等五个方面进行阐述，结果如下：

1、倾斜沉降：根据质量检测站提供的《历史建筑综合检测与评估报告》，建筑东西向最大倾斜率实测0.37%，南北向最大倾斜率实测0.46%，倾斜变形值在容许值范围内，且房屋基本无因沉降引起的严重开裂，在上部荷载不增加的情况下，地基基础承载力总体上能满足要求。

2、材料强度：本房屋的外围及部分内部砖墙参与承重，经实测混合砂浆强度等级评为M0.4，砖块强度等级为MU10，混凝土强度等级为C15，实测钢筋强度满足HPB235级热轧钢筋强度的要求。总体来说，房屋各项材料强度等级较低。

3、损伤情况：房屋年久失修，且使用环境不佳，损伤较严重，主要包括几点：1）屋面及外墙防水材料损毁严重，渗水普遍；2）屋面板长期受雨水浸泡，板钢筋裸露较普遍，大部分钢筋表层剥落，局部钢筋锈断，钢筋锈蚀概率大于90%；3）部分梁底钢筋锈胀，混凝土保护层剥落，平均锈蚀率达20%~30%；4）外墙面混凝土贴面损毁严重，局部墙面空鼓或破损；5）外墙渗水处梁柱钢筋锈蚀普遍且严重，构件钢筋表层剥落；6）楼梯板开裂普遍且严重，部分钢筋锈蚀。

4、结构验算：根据修缮后使用功能的活荷载取值，采用中国建筑科学研究院PKPM系列结构软件进行结构验算。结果表明，该房屋在正常使用荷载作用下，部分钢筋混凝土构件不满足承载力要求，如：一、二层部分框架柱轴压比超限、配筋不足；部分框架梁、次梁配筋不足；砌体墙承载力及高厚比不满足要求；屋面楼板配筋不足等。

5、原因分析：房屋使用七十年以来，外部环境及使用功能变化多端，对房屋结构质量影响较大，主要有以下几点：1）砌体材料和砂浆为多孔材料，长期使用时易受潮变质，导致出现承载力不足；2）温度的变化引起砌体材料的热胀冷缩，当温度变化产生的温度应力足够大时，墙体就会产生温度裂缝；3）超载引起房屋损害，砌体材料具有脆性性质，抗弯、抗拉、抗剪强度较低，常因超载导致承载能力不足而发生损坏；4）砌体砂浆的粘结力不够强，灰缝不饱满，以至墙体发生损坏；5）混凝土碳化是导致钢筋锈蚀的一个重要因素，也是影响钢筋混凝土耐久性的主要因素之一。当碳化深度达到钢筋表面时，混凝土的碱性环境遭到破坏，钢筋锈蚀加速，造成混凝土结构的耐久性下降。

三、采用的加固修缮方法

根据上海市历史建筑保护事务中心《优秀历史建筑修缮保护要求告知单》要求，该房屋保护类别为二类，建筑的立面、结构体系、基本平面布局和有特色的的内部装饰不得改变。本工程为原有房屋加固修缮工程，本次修缮设计中，将采取相当的结构技术措施，在不改变现有房屋的结构体系的前提下，对其实施相应的结构加固及抗震加固，以使本房屋的整体抗震能力，能满足A类建筑的抗震设防要求。具体采取的措施如下：

1、原有砖墙墙体的加固：

1）在裂缝较细、数量较少但已基本稳定时，采用压力灌浆进行加固，方式为满墙灌浆加固。即在水泥浆液中掺入一定量悬浮剂，借助外来的气压，将浆液灌注到砖墙墙体内，提高墙体粘结力和抗剪、抗拉强度，达到加固及修复墙体裂缝的目的。水泥采用强度等级42.5的普通硅酸盐水泥，悬浮剂采用聚酯酸乙烯乳液，灌浆嘴的最大间距为竖向200~300mm，水平500~600mm。施工前，应提前进行相应的压力灌浆试验，根据房屋原砖墙的灰缝饱满等实际状况，通过试验确定适合本工程的配合比及灌浆压力等参数。

2）原墙体承载力不足，抗震能力不满足要求，可采用单面配筋板墙加固（如图2）。通过增加钢筋混凝土板墙，使两者结合成整体，形成组合墙。此次设计采用60mm板墙，配筋为单层钢筋网片，水平和竖向均为Φ12@200。钢筋网与墙体的固定，采用“几”字形Φ12构造锚固钢筋拉结，锚固采用凿洞方式，孔洞尺寸为254宽x60高x127深。与原混凝土柱连接时（如图3），采用“L”形Φ12钢筋植筋的方式，植筋深度为20d，植筋胶采用A级胶。加固板墙采用C40无收缩灌浆料。通过此措施，可较大幅度地提高砖墙的承载力、抗侧刚度以及墙体延性，并满足A类建筑（后续使用年限为30年）抗震七度的抗震设防要求。为保护板墙与原墙面可靠粘结，施工时应做好原墙面清理工作，对于原墙面损坏部位应拆除，对粘结不牢、强度低的粉刷层应铲除刷洗干净。

图2加固板墙与原砖墙构造 图3加固板墙与原混凝土柱构造

2、混凝土构件中的钢筋锈蚀铁胀露筋的修缮：

对混凝土构件的铁胀、钢筋露筋锈蚀部位，应沿钢筋长度方向清除钢筋锈胀处松散的混凝土，剔除至钢筋与混凝土结合牢固处，并对钢筋进行除锈去污。之后将混凝土凿毛，用压力水冲洗，有油污处应采用丙酮进行清洗。然后采用相同直径的钢筋，对锈蚀严重的原钢筋进行增焊补强，采用C40无收缩灌浆料浇筑，采用改性环氧砂浆进行修补和复原处理。对混凝土构件的铁胀、钢筋露筋锈蚀严重部位，在按上述方法进行修补后，再对其进行粘贴碳纤维布的加固处理。

3、承载能力及抗震加固：

部分钢筋混凝土构件不满足承载力要求，且不满足现行规范抗震构造要求，分别采用增大截面加固法（如图4和图5）和粘贴碳纤维布加固法（如图6），对其进行加固。

新浇筑混凝土均采用C40无收缩灌浆料，新加钢筋采用HRB400级钢，采用植筋的方式与原构件进行连接，植筋深度为20倍钢筋直径，植筋胶采用A级胶。并在纵向受力钢筋搭接长度范围内，对箍筋予以加密，间距不大于100mm。

图4增大截面加固法 图5加固柱与原基础连接构造

粘贴碳纤维布施工前，应清理待加固构件表面的剥落、疏松、腐蚀等劣化混凝土，除去油污、浮浆等杂质，直至露出结构层新面，磨去面上凸出5mm以上的毛刺，表面层打磨后保持干燥。选用高强Ⅰ级碳纤维布，抗拉强度标准值≥3400MPa，计算厚度为0.167mm，层间剪切强度≥45MPa，弯曲强度≥700MPa。碳纤维下料和粘贴期间应保持材料的干净整洁，严禁褶皱、受损，所用粘结胶采用A级胶，并应与碳纤维布相配套，粘结胶应充分搅拌。

图6梁底粘贴碳纤维布加固法

4、钢筋混凝土楼板裂缝的修缮：

本房屋的局部钢筋混凝土楼板有多处裂缝，对不同的裂缝宽度和深度分别采用填充法、灌浆法和表面处理法对混凝土楼板裂缝进行修复。

1）填充法：

适用于数量较少的宽大裂缝（宽度大于0.5mm）。填充法又称凿槽法，是沿裂缝将混凝土开凿成“U”或“V”形槽，然后嵌填修补材料，达到恢复结构整体性、耐久性及防水性的目的。对大于0.5mm的楼板裂缝，修复后沿裂缝骑缝粘贴碳纤维布进行补强加固（如图7）。

图7板顶粘贴碳纤维布加固法

2）压力注浆法：

适用于裂缝宽度比较大（宽度大于0.2mm小于1.0mm）、深度较深的裂缝修补，尤其是受力裂缝的修补。注浆法采用改性环氧胶粘剂低压慢注修补法对裂缝进行修补，即以一定的压力将改性环氧胶粘剂注入裂缝深部，达到恢复结构整体性、耐久性及防水性的目的。

3）表面封闭法：

针对细微裂缝（宽度小于0.2mm），采用弹性涂膜防水材料、聚合物水泥膏及渗透性防水剂等，涂刷于裂缝表面，达到恢复其防水性及耐久性。对稀而少的裂缝，可骑缝涂复修补；对于细而密的裂缝，应采用全部涂复修补。施工时先用钢丝刷将混凝土表面刷毛，清除表面附着污物，用水冲洗干净，干燥后先用环氧胶泥、乳胶水泥等嵌补混凝土表面缺损，最后采用所选择的材料涂复，涂复应均匀，不得有气泡。

四、结语

城市的建设发展日新月异，历史建筑代表着一座城市的文化沉淀和时代缩影，因此历史建筑的加固修缮越来越受重视。在遇到此类项目时，应严格按照规范要求和业主需求对历史建筑进行检测鉴定，然后根据鉴定报告选择合适的加固方案，方能恢复其原有风采并满足新时代的功能需求。

参考文献

（1）中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ 116-2009建筑抗震加固技术规程[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2009

（2）陈炜来．某砖混结构房屋改造前鉴定及加固设计[J]．福建建筑，2017

（3）李国胜．建筑结构裂缝及加层加固疑难问题的处理——附实例[M]．北京：中国建筑工业出版社，2006

作者：

陈东阁，设计主管，中国建筑第八工程局有限公司设计管理总院，上海市浦东新区新金桥路1599号C1栋4F，201206，15221053102，[e-mail]