第 47 卷第 9 期 2017 年 5 月上 建筑结构 Building Structure Vol. 47 No. 9 May 2017 优秀历史建筑抗震性能鉴定分析 冷超群 1, 刘祖华 2 1, 金立赞 (1 中冶建筑研究总院 ( 上海 ) 有限公司, 上海 ; 2 同济大学土木

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1 第 47 卷第 9 期 2017 年 5 月上 建筑结构 Building Structure Vol. 47 No. 9 May 2017 优秀历史建筑抗震性能鉴定分析 冷超群 1, 刘祖华 2 1, 金立赞 (1 中冶建筑研究总院 ( 上海 ) 有限公司, 上海 ; 2 同济大学土木工程学院, 上海 ) [ 摘要 ] 对于建设年代久远 建设初期工艺低下 结构体系复杂的优秀历史建筑, 从技术上对其进行分析 从工艺 上对其进行加固一直是个难题 以优秀历史建筑大光明电影院为例, 对其进行抗震性能分析, 并对其在多遇 罕遇 地震作用下进入弹塑性状态时的破坏过程进行模拟, 找出结构薄弱部位并对其进行适当的加固 结果表明, 该类 结构在罕遇地震作用下, 一层大空间存在结构薄弱部位, 容易进入弹塑性状态, 并首先破坏, 给房屋安全造成很大 影响, 可采取增加该部位结构刚度的措施对其进行加固 [ 关键词 ] 优秀历史建筑 ; 检测鉴定 ; 抗震性能 ; 静力弹塑性分析 ; 动力弹塑性时程分析 中图分类号 :TU242 2 文献标识码 :A 文章编号 : X(2017) Seismic performance identification analysis of remarkable historic buildings Leng Chaoqun 1, Liu Zuhua 2, Jin Lizan 1 (1 Central Research Institute of Building and Construction( Shanghai) Co., Ltd., MCC Group, Shanghai , China; 2 Department of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai , China) Abstract:It is a problem to technically analyse and reinforce remarkable historic buildings which was built for a long time, low initial construction technology and complex structural system. For instance, remarkable historical building of the Grand Cinema was taken seismic performance analysis. The failure process of the structure in elastic plastic state under frequent and rare earthquakes were simulated respectively to find out the weak parts for appropriate reinforcement. The results show that, under the influence of rare earthquake, the first layer large space of the structure has weak structural parts, and it is easy to enter a elastic plastic state and is destroyed at first. This leads to great impact on building safety and the weak part can be reinforced by increasing the structural stiffness. Keywords: remarkable historic building; inspection and appraisal; seismic performance; static elastic plastic analysis; dynamic elastic plastic time history analysis 0 前言我国近代优秀历史建筑大多为钢筋混凝土框架结构 钢和混凝土框架结构 砖混结构 木结构 混合结构, 主要抗侧力构件为承重墙体 填充墙体 钢筋混凝土柱等构件, 在建造时大多数未考虑水平地震力作用, 抗侧力差 钢筋混凝土框架结构主要节点无抗震构造, 如箍筋无加密, 填充墙体和柱间无拉结, 混凝土强度低 ; 砖混结构无钢筋混凝土圈梁 构造柱, 纵横墙间无拉结和接槎等 因此, 本文以大光明电影院为例, 对其进行抗震鉴定和抗震性能分析, 讨论优秀历史建筑在罕遇地震作用下的抗震性能, 为该类建筑的加固改造提供借鉴 1 工程实例大光明电影院位于上海市南京西路 216 号, 始建于 1922 年,1932 年由匈牙利籍建筑师邬达克 (Ladislaus Edward Hudec) 设计重建, 为钢筋混凝土框架结构 平面形状和功能区域见图 1 随着社会的发展, 大光明电影院现有的功能布局 设施已不适应城市文化发展需求, 拟进行维修改造, 增设多个现代化多功能放映厅和其他娱乐设施 图 1 平面分区示意图根据 上海市历史文化风貌区和优秀历史建筑保护条例 有关规定, 为切实保护好优秀历史建筑, 且为作者简介 : 冷超群, 硕士, 高级工程师, lengchaoqun@ yj. org. cn

2 46 建筑结构 2017 年 该房屋后期装修改造提供技术依据, 需对该房屋进行综合检测评定 1 1 建筑结构概况大光明电影院根据功能区域, 可划分为主入口门厅 休息厅 观众厅 后区 商店餐厅区等 主入口门厅为 1 层, 层高约 12m, 屋盖为钢筋混凝土整浇肋梁板结构, 屋面采用柔性防水, 后又整浇 1 层刚性防水保护层 门厅上方建有标志塔, 其中, 主塔为钢筋混凝土结构, 顶标高 21 33m, 由井字形钢筋混凝土梁支承 ; 主塔旁建钢结构灯塔, 外立面镶玻璃, 顶标高 30 48m 门厅采用钢筋混凝土框架结构, 柱下为钢筋混凝土条形基础 休息厅共 2 层 ( 局部放映室处 3 层 ), 采用现浇钢筋混凝土结构, 平面呈椭圆形, 大厅高度与主入口门厅相同 休息厅底层中部有 5 根钢筋混凝土圆柱, 东侧第 1 第 2 根圆柱下为 90m 3 地下蓄水池 ( 钢筋混凝土结构 ), 其他 3 根柱下采用桩基础 贵宾休息室 工作人员休息室 设备间 洗手间等休息厅外围多为与商店餐厅区同期的老结构 (1922 年建成 ) 休息厅屋顶设放映室, 并设简易板房做美工室 观众厅共 2 层, 采用现浇钢筋混凝土结构 平面长度约为 42 6m, 最大净跨度为 28m; 平面形式前窄后宽, 舞台台口净宽度约为 17 6m, 舞台最后方宽度约为 11 5m 观众厅周围设疏散通道 二层看台由 3 5m 高钢筋混凝土箱梁支承, 该箱梁净跨度约为 27 4m, 两端搁置在两侧矩形截面柱上 屋盖由整浇钢筋混凝土单向肋梁扁壳体结构与拱屋架构成, 屋顶呈椭球形, 屋面采用柔性防水, 屋架与支柱 ( 支架 ) 整浇 柱为框架组合柱, 组合柱之间的空间用做疏散通道 观众厅基础采用洋松木桩基础, 基础埋深 1 35m, 桩长 21 34m 后区 ( 北侧建筑 ): 该部分为 2 层整浇钢筋混凝土结构, 总高度约 9m, 柱下条形基础 该部分一层原为入口大厅 售票处及出入通道等, 二层为办公用房, 入口上方设标志塔, 屋顶增设有简易板房 商店餐厅区结构和周围结构间设变形缝, 基本为独立单元 原建筑主体结构为 2 层, 二层中部为大空间, 四周设有夹层, 目前原中部大空间均设有插层, 插层采用钢 木结构 该区域一层为钢筋混凝土框架结构, 柱距约 6m, 肋梁楼盖 ; 二层为大空间, 跨度约为 20m, 采用 1 2 高钢屋面梁 ; 二层楼面采用钢筋混凝土肋梁楼盖 ; 柱下采用桩基础 1 2 保护级别及要求根据调查, 大光明电影院属于列入上海市级文物保护单位的上海市首批优秀近代建筑, 保护类别 为二类 根据 上海市历史文化风貌区和优秀历史建筑保护条例, 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内部装饰不得改变, 其他部分允许改变 该建筑重点保护部位为建筑外立面 原主体空间格局 楼梯间 入口门厅以及其他原有特色装饰 1 3 历史沿革及建筑风格 1922 年 8 月该建筑设计为卡尔登跳舞场,1923 年 2 月开张, 其主舞厅为现大光明观众厅区域 后期多次易主和改造, 直至解放后划归黄浦区文化局管理至今 历经多次装修改造, 主体结构基本保持建设初期风貌 1932 年除南部商店餐厅区建筑主体结构一直使用至今外, 其余结构均拆除重建 ;2008 年大光明电影院进行整体修复与改造 目前, 该建筑主要建筑风格仍保持原貌, 外立面基本保持一致 建筑主体风格为现代主义风格, 装修装饰简洁而富艺术性 取材精巧 富有特色 商店餐厅区由于各使用单位多次进行装修, 装修风格 用材等方面差异较大 中国照相馆部分保留了原有装修风格 主体建筑基本沿用原装修风格, 历次维修改造均未有重大建筑风格变动 外立面 室内空间格局 装饰现状等见图 现场检测结果 结构检测结果现场检测结果如下 :1) 历经多次装修改造, 在图 2 大光明电影院现状

3 第 47 卷 第 9 期 冷超群 等 优秀历史建筑抗震性能鉴定分析 楼面荷载和部分墙体改变后 部分结构构件受力状 态发生变化 2 部分墙体表面风化 大部分钢筋混 凝土构件碳化严重 钢筋锈蚀 混凝土胀裂 砌筑砂 浆粘性丧失 3 随着规范标准要求的提高 结构的 构造和承载力均满足不了现行规范标准的要求 1 4 2 抗震构造措施检测结果 47 承载力 包括构件截面开裂弯矩和构件实际正截面 受弯承载力 剪力墙还需计算受剪承载力 3 预估 构件的弹性 开裂和屈曲后刚度 4 采用 Pushover 分析预估层间侧向刚度和层间位移角 5 确定结构 承载力曲线 本实例房屋设防烈度为 7 度 0 1g 场地类别 本工程为乙类建筑 抗震设防烈度为 7 度 场地 为Ⅳ 类场地土 上海地区 设计地震分组为第一 构考虑 共 4 层 局部 5 层 根据抗震烈度 结构类 为 0 9s 罕遇地震下为 1 1s 水平地震影响系数多 类别为Ⅳ类场地土 上海地区 该建筑按框架结 型和房屋高度 确定本工程应采取的抗震等级为二 级 该建筑为双向框架结构 整浇节点 结构体系符 合 建筑抗震鉴定标准 GB 50023 2009 组 框架抗震等级为二级 场地特征周期多遇地震下 遇地震下为 0 08 罕遇地震下为 0 45 因该建筑中间为大空间剧场 前厅入口处挑空 要求 楼板按更符合实际的弹性楼板考虑 在模型中设为 构件混 凝 土 强 度 等 级 推 定 值 商 店 餐 厅 区 为 薄壳 主体结构按钢筋混凝土框架建模 部分砖砌 C10 C12 其余为 C13 不满足 建筑抗震鉴定标准 GB 50023 2009 最低值 C13 的要求 框架梁 柱设箍筋通长加密区 柱箍筋直径为 6 4mm 间距 约为 152mm 符合规范规定柱上端 下端各 1 6 净 高范围内最小箍筋直径不应小于 6mm 间距不应大 填充墙按实测材料特性进行模拟输入 本次模拟验 算时 按墙体和框架柱嵌砌做法 考虑墙体和框架共 同承受地震力作用 因模型中杆件较多 考虑计算 工作量较大 在剧场四周 前厅挑空处等重点部位进 行了梁 柱塑性铰的设置 于 200mm 的要求 柱截面为矩形 圆形 L 形等 柱 2 2 分析结果 宜小于 300mm 的要求 到结构的模态基本信息 模型典型高阶振型模态见 截面宽度最小为 254mm 不符合规范规定柱截面不 综合鉴定结果 可以推断该建筑抗震构造措施 不满足抗震鉴定 要求 1 4 3 房屋鉴定结果 结构计算模型见图 3 根据 Ritz 向量分析法 得 图 4 推覆分析后产生的塑性铰分布见图 5 由图 4 可以看出 高阶振型时 结构薄弱部位变 形较大 包括看台两侧框架柱 入口门厅及看台顶屋 根据现场检测和分析 该建筑建造时间长 改 造次数多 结构体系复杂 材料老化 损伤严重 材 料强度低 直 接 影 响 到 结 构 承 载 能 力 结 构 抗 侧 力差 仅考虑竖向静力作用时 也有部分构件承载 力不足 因该类建筑年代早 建设初期工艺水平相对较 低 建造时未考虑地震作用 水平力主要靠外墙 走 图3 廊两侧 楼梯间墙体和钢筋混凝土框架共同承担 抗 结构计算模型 已添加填充墙 震构造措施不足 这和现行抗震要求有很大差距 在 装修改造时 需要适当提高其抗震能力 使其能基本 满足现行抗震鉴定标准要求 总体来说 该类建筑在加固前 房屋裂损较多 且裂损均影响结构安全 房屋基本没有考虑抗震构 造措施 结构抵抗水平力差 在静力使用下 部分构 图4 件承 载 力 不 满 足 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 GB 典型高阶振型模态 考虑填充墙作用 50010 2010 2 要求 房屋继续使用前需结合 装 修改造进行修复加固处理 2 结构静力弹塑性分析 2 1 分析步骤 静力弹塑性分析 Pushover 分析 主要步骤如 下 1 确定结构计算模型 2 计算结构构件的实际 图5 结构达到性能点时塑性铰分布图 考虑填充墙作用

4 48 建筑结构 2017 年 盖结构 由图 5 可以看出 : 1 ) 大多塑性铰处于 LS ~ CP 阶段 ( 可修复使用阶段 ), 个别处于失效阶段 ;2) 塑性铰从 1 层向上逐层发展, 且逐层减少 ; 3) 结构达到性能点时, 考虑填充墙作用, 因结构刚度变大, 变形相对较小, 结构塑性铰相对较多, 主要分布在 1 ~ 3 层, 大部分塑性铰处于 IO ~ LS( 可修复使用 ) 阶段, 结构在罕遇地震作用下, 基本处于安全状态 ;4) 塑性铰首先出现在入口门厅区域构件和剧场两侧排架柱部位, 这两个部位为结构薄弱部位, 在推覆过程中表现为个别柱失效 经过对上面实例进行 Pushover 分析得出, 房屋在考虑填充墙体 ( 局部失效或不至顶填充墙均按修复处理后考虑 ) 作用时, 结构整体抗震能力尚可, 局部存在薄弱区域, 在水平地震力作用时, 观众顶两侧排架柱和入口门厅区域构件较快进入塑性阶段, 其余区域构件在模拟地震推覆过程中, 大多出现可修复塑性铰 后区因钢筋混凝土柱间距较小, 抗震能力较好 加固改造时需重点针对结构薄弱部位进行加固处理, 对填充墙体进行修复加固处理, 必要时可在适当部位加设剪刀撑或剪力墙 3 结构非线性动力时程分析 3 1 分析步骤非线性动力时程分析法一般分为以下六个步骤 :1) 按照建筑物所在的场地条件 设防烈度等因素, 选取若干条具有不同特性的典型地震加速度时程曲线作为计算用的地震波 ;2) 根据结构体系的力学特征, 建立合理的结构振动模型 ;3) 根据结构材料特征 构件类型和受力状态, 选择恰当的结构恢复力模型, 并确定相应于结构 ( 或构件 ) 的开裂 屈服和极限位移等特征点的恢复力特征参数, 以及恢复力特征曲线各折线段的刚度参数值 ;4) 建立结构在地震作用下的振动微分方程 ;5) 采用逐步积分法求解振动方程, 求出结构反应的位移 速度和加速度, 得到结构地震反应的全过程 ;6) 采用容许变形限值来检验设防地震和罕遇地震作用下结构弹塑性反应所计算出的结构层间位移角, 并判别是否满足要求 [3] 3 2 计算分析过程本次分析, 选取两条天然波 ( El Centrol 波 Tianjin NS 波 ) 和 上海市建筑抗震设计规程 ( DGJ ) [4] 附录 A 中 Shanghai1, Shanghai2 两条人工波 4 条地震波的加速度时程曲线如图 6 所示 根据 建筑抗震设计规范 ( GB ) [5] ( 简称抗规 ), 多遇地震作用下, 水平加速度峰值按 35gal 考虑 ; 罕遇地震作用下, 水 平加速度峰值按 220gal 考虑 计算时, 所选取的地震波加速度峰值需要调整至抗规要求的值进行验算 图 6 地震波加速度时程曲线考虑填充墙体作用时, 动力弹塑性时程分析得出, 结构基底剪力最大值为 kN, 顶点位移最大值为 30 24mm, 相比静力弹塑性分析结果 ( 基底剪力最大值为 kN, 顶点位移最大值为 24 85mm), 均要偏大 在动力弹塑性时程分析 Pushover 分析两种分析方法下, 结构层间位移角最大值分别为 :1 / 145, 1 / 194, 均大于 1 / 800 且小于 1 / 100( 按框架 抗震墙结构考虑 ) 可见, 在罕遇地震作用下, 结构已经进入弹塑性状态, 动力弹塑性时程分析结果变形接近规范限值, 但均在规范限值内 经动力弹塑性时程分析后, 考虑填充墙体时, 结构塑性铰分布分别见图 7 从图 7 可以看出 :1) 塑性铰从 1 层向上逐层发展, 且逐层减少 ;2) 罕遇地震作用下, 考虑填充墙作用时, 结构塑性铰主要处于底层观众厅两侧 商店餐厅区, 且大部分处于 IO ~ LS( 可修复使用 ) 阶段, 结构基本处于安全状态 ;3) 考虑填充墙体作用时, 结构周期 变形均小于不考虑填充墙作用时的计算结果, 填充墙体的刚度贡献较大 ;4) 塑性铰首先出现在入口门厅区域构件和剧场两侧排架柱部位, 这两个部位为结构薄弱部位, 在模拟地震过程中表现为个别柱失效 图 7 结构塑性铰分布图 ( 考虑填充墙 )

5 第 47 卷第 9 期 冷超群, 等. 优秀历史建筑抗震性能鉴定分析 49 根据弹塑性分析和非线性动力时程分析结果可以得出 :1) 结构动力弹塑性时程分析验算结果相比静力弹塑性验算结果, 结构变形和地震剪力均要大 ; 2) 填充墙体作用明显, 结构刚度增大, 导致结构变形变小, 塑性铰少, 相对纯框架结构抗震能力更好 ; 3) 动力弹塑性时程分析和静力弹塑性验算时, 同一模型塑性铰的分布略有差别, 模型中塑性铰主要分布在底层的门厅楼梯处 看台两侧排架柱处 ;4) 经过对大光明电影院现状进行罕遇地震作用下的动力时程非线性计算分析得出, 结构在罕遇地震作用下, 考虑填充墙体作用时, 变形为 1 / 145, 基本满足抗规 大震不倒 的要求 ;5) 在模拟地震波作用时, 塑性铰首先出现在入口门厅区域构件和剧场两侧排架柱部位, 且最终处于失效状态, 该两处均为结构薄弱部位, 需进行加固加强处理 4 结论 (1) 对类似于大光明电影院这种建造年代较早的优秀历史建筑, 需进行结构弹塑性分析, 以便了解到结构哪些部位容易出现塑性铰和过大变形 针对结构过早出现塑性铰和过大变形的薄弱部位进行加固处理, 能有效提高结构整体抗震能力 (2) 在 7 度罕遇地震作用下, 当考虑填充墙体的刚度贡献时, 结构变形明显变小, 抗侧能力显著提高, 结构底层大多柱进入塑性状态, 但是没有进入完全失效状态, 大多构件出现可修复阶段塑性铰, 结构最大变形一般小于抗规限值, 房屋基本满足抗规 大震不倒 的要求 ; 不考虑填充墙体作用时, 大多构件易进入弹塑性阶段, 结构易从薄弱部位开始倒塌 (3) 特别重要 结构复杂的优秀历史建筑, 一般需要进行弹塑性验算, 但规范中具体要求较少, 且类似研究较少, 本文的研究过程供类似结构参考 参考文献 [ 1 ] 建筑抗震鉴定标准 :GB [ S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2009. [ 2 ] 混凝土结构设计规范 :GB [ S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2011. [ 3 ] 周晓琳. 框架结构静力与动力弹塑性抗震性能分析 [D]. 成都 : 西南交通大学,2009. [ 4 ] 上海市建筑抗震设计规程 :DGJ [S]. 上海 : 上海市建筑建材业市场管理总站,2013. [ 5 ] 建筑抗震设计规范 :GB [ S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2010. 减震技术 征稿启事 2014 年 2 月, 住房和城乡建设部在全国范围内发布了 关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见 ( 暂行 ), 旨在有序推进房屋建筑工程应用减隔震技术, 并确保工程质量 在这一政策背景下,2014 年 5 月, 中国土木工程学会防震减灾技术推广委员会联合 建筑结构 期刊共同创立了 减震技术, 且在 2015 年改为季刊 此刊伴随 建筑结构 正刊随刊赠阅, 虽暂时没有刊号, 但却为防震减灾技术的发展提供了一个广泛交流的平台 周福霖院士担任编辑委员会主任, 周云教授担任副主任委员 2015 年 12 月, 为了及时推送分享减隔震技术最新资讯, 建筑结构 杂志社特开通减震技术官方微信平台, 争取为广大读者及粉丝提供前沿的动态及更周到的服务 减震技术 主要面向于防震减灾的技术发展趋势 设计分析问题 工程案例 软件应用 会议通知 产品咨询 行业规范等, 历次防震减灾的发展历程, 剖析减震技术的发展现状, 分享专业领域的前沿动态, 进一步推动我国减震技术的研究与应用, 促进我国防震减灾事业科学 规范和有序发展 现征集 减震技术 稿件, 具体事项如下 : 投稿邮箱 : 163. com ( 唯一接收稿件的方式 ) 投稿要求 : 投稿论文必须具有原创性, 有独到见解和学术价值, 经评审后择优录用, 提交论文时请注明 减震技术, 收到投稿稿件后我们会在七个工作日内通过邮件回复, 如未收到回复请及时联系我们 论文请使用 word2003 严格按照格式排版, 详细要求可登录 建筑结构 官方网站 ( www. buildingstructure. cn) ( 点击 投稿 > 稿件版式, 下载即可 ), 务必在稿件中注明联系人的姓名 手机号 单位名称和 ( 缺一不可 ) 投稿查询电话 : 网址 :www. buildingstructure. cn 欢迎关注 减震技术 官方微信

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