曾維強(qiáng)

上海建工五建集團(tuán)有限公司 上海 200063

1 工程概況

四行倉(cāng)庫(kù)建筑位于上海市光復(fù)路1～21號(hào)，地處城市中心地段，建筑東鄰西藏北路、西鄰晉元路、北靠國(guó)慶路及文化市場(chǎng)商業(yè)店鋪、南倚光復(fù)路及蘇州河河岸。四行倉(cāng)庫(kù)初始建于1931～1935年，建成后經(jīng)歷過(guò)三次大的修繕：1968年在四行倉(cāng)庫(kù)原天井各層加建平臺(tái)，并將南立面原凹口補(bǔ)齊；1976年在屋面處加建第6層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；1996年第6層屋面上加建了鋼結(jié)構(gòu)保齡球館。2014年四行倉(cāng)庫(kù)被確定為上海市文物保護(hù)單位。

為紀(jì)念2015年反法西斯戰(zhàn)爭(zhēng)勝利70周年活動(dòng)，緬懷革命先烈，傳承革命精神，對(duì)四行倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行全面加固和修繕，并重新定位其使用功能。初始建造時(shí)四行倉(cāng)庫(kù)為四大銀行的倉(cāng)庫(kù)；新中國(guó)成立后至加固修繕施工前，四行倉(cāng)庫(kù)保留了“八百壯士英勇抗日事跡陳列室”，其余空間主要為商業(yè)文化禮品市場(chǎng)用途。本次加固修繕后，建筑的1—3層西側(cè)為抗戰(zhàn)紀(jì)念館、1—2層?xùn)|側(cè)為配套商業(yè)區(qū)、3—6層為創(chuàng)意辦公區(qū)。本次修繕除了對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)彈孔墻面等歷史遺跡復(fù)原外，還對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行加固改造，特別是提升整個(gè)建筑的抗震性能，結(jié)構(gòu)加固后使用年限為30 a。修繕前主體結(jié)構(gòu)為地上7層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)（其中第6、7層為后期加建），高度為34.67 m，內(nèi)墻形式為磚砌體；修繕后為地上6層的鋼筋混凝土框架＋軟鋼阻尼器結(jié)構(gòu)體系，建筑高度27.7 m，內(nèi)墻形式為加氣混凝土砌塊。針對(duì)結(jié)構(gòu)加固和抗震性能提升需求，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，擬在歷史保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部新增消能減震阻尼器。如何保證阻尼器按照既定的受力狀態(tài)安裝就位成了結(jié)構(gòu)加固、提升抗震性能的關(guān)鍵難題。

2 阻尼器設(shè)計(jì)方案概述

2.1 阻尼器的作用原理

增設(shè)阻尼器常用于舊建筑的加固改建中，以提高建筑物的抗震性能[1]。當(dāng)出現(xiàn)大風(fēng)或地震等偶然荷載作用時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形受力增大，消能構(gòu)件或減能裝置會(huì)率先進(jìn)入非彈性變形狀態(tài)，產(chǎn)生較大阻尼，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震或風(fēng)振能量，使主體結(jié)構(gòu)避免出現(xiàn)明顯的非彈性變形狀態(tài)，且迅速消減結(jié)構(gòu)的地震或風(fēng)振反應(yīng)（位移、速度、加速度等），保護(hù)主體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在強(qiáng)地震或大風(fēng)中避免遭受破壞或發(fā)生倒塌。

2.2 阻尼器的選型

目前研究開發(fā)的阻尼器種類較多，主要有金屬阻尼器、摩擦阻尼器、黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器、復(fù)合型阻尼器。軟鋼阻尼器是金屬阻尼器中常用的一種類型，是目前國(guó)內(nèi)外廣泛研究的各種耗能裝置中構(gòu)造最為簡(jiǎn)單的耗能器之一，相對(duì)于其他阻尼器也具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、耗能建筑效果顯著的特點(diǎn)，它充分利用軟鋼具有較好的屈服后性能，進(jìn)入塑性變形階段后具有良好的塑性變形來(lái)耗散地震能量。其減震機(jī)理明確、經(jīng)濟(jì)耐用、施工便捷，應(yīng)用范圍不受建筑高度和平面布置形式的限制，而且既可用于新建建筑的抗震控制，又可用于舊有建筑的加固維修。

四行倉(cāng)庫(kù)建筑屬于歷史保護(hù)建筑，至今已使用逾80 a。考慮到老建筑改造的施工性、建筑空間的使用性及本建筑在罕遇地震下的安全性，阻尼器必須容易安裝、對(duì)歷史保護(hù)建筑空間影響最小、在罕遇地震作用下依然不破壞而且能夠發(fā)揮其耗能特性，設(shè)計(jì)在四行倉(cāng)庫(kù)結(jié)構(gòu)抗震加固中選用位移型K型軟鋼阻尼器，其耗能特性良好（圖1）。軟鋼阻尼器同時(shí)具備構(gòu)造簡(jiǎn)單、震后更換方便、減震機(jī)理明確、減震效果顯著的特點(diǎn)，低周疲勞特性良好，且不受環(huán)境溫度影響。

圖1 位移型軟鋼阻尼器的滯回曲線

2.3 阻尼器布置方案

本次在四行倉(cāng)庫(kù)歷史保護(hù)建筑加固抗震中增設(shè)阻尼器時(shí)，按照使扭轉(zhuǎn)效應(yīng)盡可能小的方式將其布置在建筑1層、2層、3層結(jié)構(gòu)內(nèi)部。四行倉(cāng)庫(kù)屬于以剪切變形為主的框架結(jié)構(gòu)，底部變形較大，宜布置在結(jié)構(gòu)的下部。布置設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮以層間位移為指標(biāo)，在層間位移較大的樓層增設(shè)阻尼支撐[2]。盡量縮小質(zhì)量中心和剛度中心的差異，對(duì)于規(guī)則結(jié)構(gòu)，阻尼支撐應(yīng)在基本滿足業(yè)主空間使用需求的基礎(chǔ)上，沿結(jié)構(gòu)的2個(gè)主軸方向分別設(shè)置或僅在1個(gè)主軸方向布置；耗能部件的平面布置應(yīng)規(guī)則、對(duì)稱，盡量縮小質(zhì)量中心和剛度中心的差異，以減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。對(duì)于有偏心的結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量在遠(yuǎn)離剛心的一端布置阻尼支撐，以減小扭矩效應(yīng)[3]。

對(duì)原設(shè)計(jì)方案的阻尼器布置數(shù)量和位置進(jìn)行方案優(yōu)化創(chuàng)新，原阻尼器設(shè)計(jì)方案共布置44組阻尼器：在1層布置20組軟鋼阻尼器（編號(hào)1—20），在2—4層每層各布置8組軟鋼阻尼器（編號(hào)21—44）。施工基于歷史保護(hù)建筑的結(jié)構(gòu)體系不得改變，結(jié)構(gòu)內(nèi)部改造不宜過(guò)大。對(duì)阻尼器數(shù)量和位置的布置方案創(chuàng)新優(yōu)化可以縮短工期、節(jié)約成本，通過(guò)創(chuàng)新優(yōu)化后的阻尼器在原44組的基礎(chǔ)上減少了16組，減少后共為28組。在1層減少6組阻尼器、移位2組阻尼器，2層減少1組阻尼器，3層減少1組阻尼器，4層減少8組阻尼器。

2.4 阻尼器的性能試驗(yàn)

此次用于四行倉(cāng)庫(kù)歷史保護(hù)建筑的阻尼器為軟鋼位移型阻尼器，鋼材采用Q235B，根據(jù)布置的不同位置確定了共2種不同外形尺寸的型號(hào)。阻尼器的構(gòu)件性能合格和施工安裝質(zhì)量良好是保證阻尼器正常使用的必要條件，因此施工安裝前必須對(duì)2種不同尺寸的軟鋼阻尼器進(jìn)行規(guī)格和技術(shù)指標(biāo)分析，并采取推拉往復(fù)加載力學(xué)性能檢驗(yàn)試驗(yàn)，確定屈服力、屈服位移、極限變形能力等參數(shù)，檢測(cè)試驗(yàn)滿足常規(guī)性能設(shè)計(jì)值。軟鋼阻尼器主消能水平方向性能技術(shù)參數(shù)為：阻尼器1（位于首層位置），初始剛度為4.74×104kN/m，屈服力為132 kN，設(shè)計(jì)位移為25 mm；阻尼器2（位于2、3層位置），初始剛度為2.79×105kN/m，屈服力為236 kN，設(shè)計(jì)位移為20 mm。兩種阻尼器的外形尺寸規(guī)格（長(zhǎng)×寬×高）分別為1 350 mm×180 mm×280 mm和1 350 mm×180 mm×170 mm。軟鋼阻尼器力學(xué)性能為屈服點(diǎn)（235±23.5）MPa，延伸率＞40%，鋼材沖擊試驗(yàn)滿足0 ℃時(shí)≥27 J，鋼材屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值的比值≤0.85。

根據(jù)阻尼器的性能檢驗(yàn)要求，在安裝前對(duì)工程中所用的各種類型和規(guī)格的阻尼器原型部件進(jìn)行抽樣檢測(cè)。抽檢數(shù)量為每種類型和每一規(guī)格的3%，但不應(yīng)少于2個(gè)，抽樣檢測(cè)的合格率應(yīng)為100%，檢測(cè)后的阻尼器不能用于主體結(jié)構(gòu)。

四行倉(cāng)庫(kù)歷史保護(hù)建筑中增設(shè)的阻尼器采取的試驗(yàn)裝置設(shè)備為申克試驗(yàn)機(jī)，最大行程200 mm，最大荷載1 000 kN，試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。通過(guò)液壓伺服作動(dòng)器對(duì)阻尼器進(jìn)行水平往復(fù)加載。加載過(guò)程分為變副值等位移步往復(fù)加載和常副值疲勞加載兩部分。試驗(yàn)過(guò)程采用位移控制，采取推拉往復(fù)加載的方式。試驗(yàn)開始后，首先施加推力，當(dāng)阻尼器上下鋼板相對(duì)位移達(dá)到目標(biāo)值（以外推位為正，內(nèi)推位為負(fù)）時(shí)，改變力的方向?yàn)槔?，向?nèi)拉阻尼器上部鋼板直至位移目標(biāo)值，再次改變力的方向增加位移依次加載；之后在設(shè)計(jì)位移下循環(huán)往復(fù)30次；最后加載至設(shè)計(jì)位移的1.2倍，完成即停止試驗(yàn)。由四行倉(cāng)庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)抽樣的2種不同尺寸規(guī)格的阻尼器試件1和試件2試驗(yàn)后得出結(jié)論：由常規(guī)加載得出的屈服荷載、彈性剛度等參數(shù)符合相關(guān)規(guī)范要求，實(shí)測(cè)值的偏差小于理論設(shè)計(jì)值的15%；30圈疲勞試驗(yàn)得出的滯回曲線穩(wěn)定、飽滿，未發(fā)現(xiàn)明顯損傷破壞，阻尼力、滯回曲線等性能指標(biāo)偏差均在平均值15%以內(nèi)，符合相關(guān)規(guī)范要求。

3 阻尼器施工

阻尼器均采用墻支撐方式與既有建筑相接合（圖2），增設(shè)阻尼器位置均在室內(nèi)緊相鄰的柱子之間。與阻尼器接合的混凝土墻厚200 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。阻尼器與預(yù)埋件的鋼板采用焊接連接。預(yù)埋件由預(yù)埋鋼板和預(yù)埋錨筋焊接組成，預(yù)埋鋼板采用尺寸為1 620 mm×200 mm×24 mm、強(qiáng)度等級(jí)為Q345B的鋼板，預(yù)埋錨筋直徑18 mm?；炷潦┕r(shí)，采用合理的工序確保阻尼器處于不受力狀態(tài)，并應(yīng)采取可靠措施確保振搗密實(shí)。

3.1 阻尼器施工工藝流程

施工準(zhǔn)備→設(shè)備、材料進(jìn)場(chǎng)→抽樣檢驗(yàn)試驗(yàn)→3層、2層安裝位置鑿除樓板→鑿除樓板部位增設(shè)型鋼混凝土梁→1層安裝位置鑿除樓板→筏板植筋→阻尼墻鋼筋綁扎→預(yù)埋錨筋、鋼板→支?！鷿仓﨏30混凝土→拆模、養(yǎng)護(hù)→復(fù)核定位→吊裝阻尼器→與預(yù)埋鋼板焊接→阻尼器施工及焊縫驗(yàn)收→防腐涂裝[4-5]

圖2 首層位移型軟鋼阻尼器連接示意

3.2 施工技術(shù)步驟要點(diǎn)

1）增設(shè)型鋼混凝土梁：人工鑿除安裝阻尼器對(duì)應(yīng)相鄰柱子之間的2層樓板混凝土部位，鑿除樓板混凝土?xí)r注意對(duì)文保建筑無(wú)梁柱帽的保護(hù)加固。在鑿除后鏤空區(qū)域后兩端柱子之間增設(shè)300 mm×100 mm×22 mm×25mm H型鋼作為鋼骨，型鋼強(qiáng)度等級(jí)為Q345B，并在型鋼周圍配置鋼筋（圖3），縱向受力鋼筋植筋固定于兩端的柱子之間，型鋼及鋼筋固定后開始支模新澆筑C30混凝土。

2）阻尼墻混凝土結(jié)構(gòu)施工：鑿除1層布置阻尼器位置的地面混凝土樓板，人工開挖至筏板基礎(chǔ)面標(biāo)高，在筏板基礎(chǔ)上開始化學(xué)錨筋植筋，筏板面標(biāo)高以上施工磚胎模，磚胎模砌筑完成后開始做高250 mm地圈梁，圈梁面層標(biāo)高與首層室內(nèi)地面標(biāo)高相同。阻尼墻鋼筋綁扎安裝完成后，將阻尼器上端、下端預(yù)埋件按設(shè)計(jì)圖紙就位并分別與阻尼墻鋼筋定位固定。在模板支設(shè)完成后，澆筑阻尼墻C30混凝土。混凝土施工時(shí)，振搗棒振搗時(shí)需避免直接碰觸到預(yù)埋錨筋和預(yù)埋鋼板，以防預(yù)埋件位置發(fā)生位移，慢慢將混凝土灌入埋件下部。阻尼器安裝施工前，由施工員對(duì)阻尼器安裝位置進(jìn)行測(cè)量復(fù)核，復(fù)核檢查完成后報(bào)監(jiān)理檢查驗(yàn)收；驗(yàn)收通過(guò)后開始進(jìn)行安裝作業(yè)。

3）阻尼器吊裝：阻尼器先用導(dǎo)鏈和夾具吊至安裝位置，準(zhǔn)確地定位放置于預(yù)埋鋼板位置，使用二氧化碳保護(hù)氣體電弧焊與上下端預(yù)埋鋼板角焊10 mm固定（圖4）；然后檢查阻尼器的水平度和垂直度是否符合要求，檢查驗(yàn)收通過(guò)后開始將阻尼器與預(yù)埋鋼板采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊連接。阻尼器焊接安裝完成后，進(jìn)行阻尼器防腐涂裝，撕掉阻尼器保護(hù)膜，組織監(jiān)理、業(yè)主、設(shè)計(jì)院對(duì)阻尼器及埋件表面清潔、焊縫光滑等項(xiàng)目進(jìn)行綜合驗(yàn)收（圖5）。符合防腐涂裝要求后，在空氣較為干燥的條件下開始阻尼器富鋅防腐漆噴涂。

圖3 型鋼混凝土框架梁節(jié)點(diǎn)

圖4 軟鋼阻尼器與預(yù)埋件連接

圖5 安裝后的軟鋼阻尼器和阻尼墻三維模型

4 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)在建筑結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)抗震減能阻尼器的技術(shù)理論進(jìn)行了大量學(xué)術(shù)研究。綜上所述，阻尼器在歷史保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)加固抗震中的應(yīng)用有效提高了既有建筑結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了建筑的使用壽命，有力響應(yīng)了城市更新下歷史文化建筑的結(jié)構(gòu)加固保護(hù)利用的時(shí)代號(hào)召。如何將阻尼器更好地應(yīng)用于既有建筑改造、文保建筑加固當(dāng)中，還需對(duì)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化施工工藝和施工過(guò)程控制等方面進(jìn)行創(chuàng)新研究。