翟文娟 古 松 褚云朋

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川綿陽 621010)

2008年5月12日汶川縣發(fā)生里氏8.0級地震，造成了四川省中北部及周邊地區(qū)巨大的社會經(jīng)濟損失和人員傷亡，使得北川羌族自治縣整個縣城夷為廢墟[1]。

隨著國家對地震遺址文物保護意識的提高，北川縣城具有典型震害現(xiàn)象和重要代表意義的工程結(jié)構(gòu)都被列為永久性保護范疇[2]。地震遺址作為一種特殊的文化遺產(chǎn)形式，既要長久保留遺址文物的震損現(xiàn)象，保證遺址原有風(fēng)貌和形象特征，同時也需確保遺址結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承重。然而，縱觀縣城遺址災(zāi)難區(qū)，大多數(shù)震損結(jié)構(gòu)僅采用室外鋼結(jié)構(gòu)防傾覆臨時支撐體系，并未對結(jié)構(gòu)受地震破壞后的內(nèi)部空間進行永久性加固?，F(xiàn)階段，國內(nèi)針對地震遺址研究較少，尚無理論方法可依，因此急需尋找一套較為完整的加固理論體系，為后續(xù)遺址文物的保護提供技術(shù)參考。

基于“以人為本”的理念，現(xiàn)針對曲山小學(xué)遺址的破壞現(xiàn)狀，借鑒文物古跡保護準則，參考文獻[3-6]中古建筑文物的修繕原則及文獻[7-9]中近代地震建筑遺址的加固措施，提出了針對曲山小學(xué)遺址的保護性加固策略及施工流程，并將其應(yīng)用于實踐，取得了良好的加固效果。

1 項目概況

1.1 地震破壞前

曲山小學(xué)教學(xué)樓為外廊式3層建筑，磚混縱橫混合承重結(jié)構(gòu)，總高度約12 m，總長約74 m，層高約3.3 m。教室樓板采用預(yù)制樓板，過廳采用現(xiàn)澆樓板，樓梯為現(xiàn)澆板式樓梯，是一棟具有禹羌文化的民族建筑。圖1為地震破壞前的教學(xué)樓，圖2為教學(xué)樓平面圖。

圖1 地震前的曲山小學(xué)Fig.1 Fore-seismic Qushan Primary School

圖2 原曲山小學(xué)二層平面圖Fig.2 The second floor plan for the former Qushan Primary School

1.2 地震破壞后

5·12汶川地震導(dǎo)致東西兩側(cè)教學(xué)樓一層完全坍塌，二、三層房間損毀嚴重，-軸夷為廢墟；梁體大多保持完整，但有較大移位和開裂；預(yù)制樓板塌落；豎向承力壁柱多數(shù)倒塌，失去承載力；外縱墻幾乎完全坍塌，橫墻多數(shù)傾斜，裂縫多而寬。圖3為曲山小學(xué)破壞現(xiàn)狀。

2 遺址保護性加固策略

2.1 加固原則

針對地震建筑遺址的保護性加固，目前尚未形成一套完整的加固體系。由于地震遺址屬于文物范疇，可借鑒文物古跡保護準則[10]：

(1)最小干預(yù)原則。避免過度干預(yù)，保證遺址結(jié)構(gòu)的完整。

(2)原真性原則。加固構(gòu)件和體系不得損壞或改變原有結(jié)構(gòu)和體系，確保遺址原有風(fēng)貌和形象特征。

圖3 曲山小學(xué)破環(huán)現(xiàn)狀Fig.3 Damaged status of Qushan Primary School

(3)可識別原則。加固后遺存本體須清晰明了，新增措施與遺存本體為兩個不同的結(jié)構(gòu)體系。

(4)可逆性原則。任何新增措施均可逆，方便隨時拆除和替換。

由于古建筑遺存時間較長，結(jié)構(gòu)基本趨于穩(wěn)定，而地震建筑遺址持續(xù)時間較短，結(jié)構(gòu)還處于“危而不倒”的臨界狀態(tài)，輕微擾動都可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體性坍塌，因此還需遵循以下加固原則：

(1)抗倒塌優(yōu)先原則。加固時應(yīng)以整體抗倒塌能力加固為主，局部抗倒塌能力修復(fù)為輔。

(2)設(shè)計優(yōu)化原則。由于遺址前期存在一定的風(fēng)險，設(shè)計人員未能詳細了解遺址內(nèi)部情況，需在后續(xù)施工中對設(shè)計方案及時進行優(yōu)化調(diào)整。

(3)動態(tài)化監(jiān)測原則。對施工中可能發(fā)生變形、開裂和損壞部位，設(shè)置監(jiān)測點，注意觀測記錄，確保遺址結(jié)構(gòu)和工作人員的安全[11]。

2.2 加固要求

不同于普通建筑結(jié)構(gòu)加固工程[12-13]，對地震建筑遺址的加固，需維持結(jié)構(gòu)受地震破壞后的空間狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承重和常遇地震作用下不倒塌及大塊掉落。針對曲山小學(xué)遺址的加固，應(yīng)考慮以下加固性要求：

(1)遵循文物保護的“最小干預(yù)原則”。遺址加固盡量在其內(nèi)部或隱蔽部位完成，減少對外觀的損壞。

(2)“原真性原則”。加固后的遺址應(yīng)保證在未來較長時間內(nèi)能夠清晰、完整的展現(xiàn)遺址風(fēng)貌。

(3)“可逆性原則和可識別原則”。采用易于區(qū)分且隨時可進行拆除和替換的加固構(gòu)件。

(4)“抗倒塌優(yōu)先原則”。地震破壞后的遺址結(jié)構(gòu)，大多已不具備穩(wěn)定承載能力，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。其加固的首要目的就需提高結(jié)構(gòu)抗倒塌能力。

(5)地震導(dǎo)致遺址的排水、保溫等基本性圍護構(gòu)件損壞，暴露在外的構(gòu)件易受環(huán)境侵蝕[14]。為保證遺址安全，還需對加固構(gòu)件進行防腐、防侵蝕及防水處理，如為整個遺址設(shè)置遮棚等舉措。

2.3 加固設(shè)計思路

針對遺址結(jié)構(gòu)加固前所處損傷狀態(tài)，按照以上所提出的保護性加固原則及要求，考慮到現(xiàn)場實際施工環(huán)境，綜合分析“進度、成本、質(zhì)量、安全”四大施工因素后，擬采取以下加固性設(shè)計思路。

基于先整體后局部原則，針對遺址整體的加固采用內(nèi)置鋼框架結(jié)構(gòu)體系，使磚混-梁板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榇u混-鋼支撐結(jié)構(gòu)，共同受力形成雙重結(jié)構(gòu)體系(圖4)。具體加固采用同濟大學(xué)提出的“拐杖理論”，即針對開裂的梁采用“撐”，有一定傾斜度的樓板采用“頂”，失去承載力的柱采用“挑”，存在裂縫但保持完整的墻體采用“靠”，呈懸掛狀的附屬構(gòu)件采用“拉”的方式進行局部構(gòu)件的加固，總結(jié)為“撐、頂、挑、靠、拉”5個關(guān)鍵點。加固構(gòu)件采用操作簡單、施工方便且易于區(qū)分的鋼結(jié)構(gòu)。

3 整體加固

3.1 墻體加固

教學(xué)樓磚墻破壞形式有斜裂縫、水平裂縫以及外縱墻倒塌，內(nèi)橫墻存在通裂縫，軸墻體有較大位移和錯位，軸端部山墻傾斜。墻體破壞形式如圖5所示，加固措施見表1。

3.2 穩(wěn)定空間的加固

圖4 曲山小學(xué)二層平面加固圖Fig.4 The second floor reinforcement plan for Qushan Primary School

圖5 墻體破壞形式Fig.5 Wall damaged situation

部位破壞特征加固措施縱墻①-④軸后勤辦公室外縱墻基本完全倒塌,梁柱節(jié)點處剩余兩個殘余磚墻垛。在剩余的兩個墻垛處,焊接4根L100×10的角鋼立柱,外掛 10 mm的鐵絲網(wǎng),將殘余的墻垛包裹,并在鐵絲網(wǎng)內(nèi)填充卵石。為防止卵石受擠壓而向外凸出影響美觀及加固性能,可在鐵絲網(wǎng)外部焊接兩道型鋼。-軸教室外縱墻完全倒塌,軸?處橫梁保持完整。在軸與軸墻體的外側(cè)以及挑出倒塌柱體一定距離的山體處固定3根工字型鋼,共同作用于梁柱節(jié)點處,3根型鋼采用結(jié)點板的方式進行焊接連接,形成三角支撐穩(wěn)定體系。橫墻軸⑨與軸處內(nèi)橫墻均存在較寬通裂縫,最大裂縫為20 mm。在原有墻體兩側(cè)固定外貼等邊角鋼L100×10,長螺栓穿過墻體裂縫進行連接,并采用槽鋼對墻體進行有效拉結(jié),后對墻體裂縫進行封縫、灌漿,增強墻體耐久性。山墻軸①處端部墻體外傾3.83°。采用鋼管在墻體外側(cè)的橫梁處進行支頂處理。其它墻體斜裂縫、水平裂縫以及墻體傾斜、錯位等。(1)裂縫小于0.3 mm,不做任何處理。(2)有裂縫但保持相對完整的橫縱墻體,采用壓力灌漿法處理,提高其耐久性。(3)采用HPB300級 20 mm鋼筋或打入膨脹螺栓將其拉結(jié)到穩(wěn)定承重結(jié)構(gòu)主體上。

3.3 大開間房屋的加固

①-④軸為3開間的大教室，橫梁采用矩形梁，樓板為預(yù)制樓板，墻體處設(shè)有承力壁柱，共同形成磚混縱橫混合承重體系?？拷呃忍幍膲w上開有大窗體和前后門，方便教室采光和學(xué)生進出。

②軸與③軸的花籃梁均保持完整，①-②軸預(yù)制樓板部分坍落，②-④軸樓板保持完整，軸外縱墻及靠近節(jié)點處的兩個壁柱均已倒塌，①軸與④軸處的內(nèi)橫墻均保持完整(圖7)。

針對大開間房屋的加固，主要采用“頂”、“撐”的方式。即先將Q235B型鋼立柱焊接一定厚度的鋼板后，支頂在緊臨墻體的樓板處，后在φ120×2鋼管立柱頂部焊接槽鋼支撐在花籃梁下側(cè)，立柱間均采用L100×6角鋼進行上下兩道橫向焊接連接，橫梁間均焊接φ12鋼筋的斜拉索，形成內(nèi)置鋼框架結(jié)構(gòu)加固體系。

圖6 ⑦-軸過廳落板Fig.6 Dropped floors of Hallway in ⑦- axis

圖7 ①-④軸部分樓板塌落Fig.7 Partial floors slump in ①-④ axis

3.4 走廊的加固

外廊是在樓主體墻外懸挑的走廊結(jié)構(gòu)，具有良好的采光和通風(fēng)功能。

由于走廊處的梁體基本完整，加固時可采用“撐”的方式。即將Q235B型鋼立柱在其頂部焊接凹槽后支撐在梁體下側(cè)，立柱間均采用L100×6的角鋼進行上下兩道焊接連接，并在立柱底部墊有一定厚度的混凝土基礎(chǔ)。

3.5 附屬構(gòu)件的加固

附屬結(jié)構(gòu)的加固采用“拉”的方式。即針對女兒墻的傾斜、預(yù)制樓板的移位、混凝土塊及鋼筋的掉落等破壞構(gòu)件(圖9)，可在其隱蔽部位采用拉索卡扣綁緊后拉結(jié)到主體結(jié)構(gòu)上。對于-軸殘存的獨立建筑，采用HPB300級φ20的鋼筋將其拉結(jié)到右側(cè)完整結(jié)構(gòu)上。

圖8 ①-⑦軸走廊處的破壞Fig.8 Damaged corridor in ①-⑦ axis

圖9 懸掛著的混凝土塊Fig.9 Hanging concrete blocks

3.6 局部修復(fù)

為保證地震遺址的完整性，除對結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間形態(tài)加固外，還需對局部區(qū)域進行補強修復(fù)。借鑒古建筑文物“修舊如舊”的原則，對曲山小學(xué)遺址局部進行補強修復(fù)。

(1)由于地震以及長時間的環(huán)境侵蝕，標(biāo)語及其支架都已松動、折斷或掉落在廢墟，僅?！跋蚴澜纭弊煮w(圖10)。①對于已經(jīng)折斷的標(biāo)語，采用黏結(jié)法拼接完整后，使用與原支架易于區(qū)分的鋼構(gòu)件進行焊接、架固，并拉結(jié)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)主體。②對于完整標(biāo)語表面以及被嚴重銹蝕的固定支架，重新噴鍍金屬保護層進行防腐處理或采用玻璃罩附著在表面。

(2)為與遺址整體環(huán)境相協(xié)調(diào)，對部分傾覆或散落于路面的廢墟及周邊深根性雜草、灌木等進行清理，但不得對房屋樓層面及臨近-軸處的廢墟(圖11)進行清理鏟除，以免引起房屋倒塌。為防止遺址遭到人為破壞，還需在四周設(shè)置圍欄隔離，避免參觀人員近距離接觸。

圖10 損壞的標(biāo)語及支架Fig.10 Damaged slogan and supports

圖11 -軸處的廢墟Fig.11 Ruins in - axis

4 施工應(yīng)用

基于以上所提出的遺址保護性加固策略與加固措施，將其應(yīng)用于北川縣曲山小學(xué)遺址保護性加固工程。該教學(xué)樓處于嚴重震損狀態(tài)，二層結(jié)構(gòu)塌落于一層樓面，房屋內(nèi)部損毀嚴重，施工場地狹窄，地基不穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)物的掉落等工程特點都導(dǎo)致了現(xiàn)場施工難度大、施工環(huán)境復(fù)雜、施工風(fēng)險大等問題，使得加固性設(shè)計與實際施工稍有差異。目前，該加固工程已基本完工，根現(xiàn)場施工情況整體取得了不錯的加固效果，可確保遺址在若干年內(nèi)基本風(fēng)貌和受力狀態(tài)不發(fā)生較大改變。

本工程遵循“先二層、后三層”的加固原則，整個加固順序按照教學(xué)樓東側(cè)往西側(cè)依次推進。雖然單個空間的震損現(xiàn)狀不盡相同，但其加固理念與加固目標(biāo)類似。本文僅以東側(cè)教學(xué)樓-軸教室、-軸走廊加固的施工現(xiàn)場為例，詳細介紹加固設(shè)計方案的實施情況以及鋼結(jié)構(gòu)的施工流程及其注意事項。

4.1 大開間房屋的施工

圖12 -軸教室破壞現(xiàn)狀Fig.12 Damaged situation in - axis classroom

采用內(nèi)置型鋼框架對其進行加固，現(xiàn)場整體施工如圖13所示，局部節(jié)點施工如圖14所示。具體施工步驟如下：(1)確定軸與軸梁柱節(jié)點處立柱的位置與高程，擰緊螺栓固定立柱墊腳及立柱，焊接橫梁。(2)固定-軸教室墻體四周以及梁體中心立柱位置，立柱頂部焊接梁體卡槽，靠近墻體側(cè)的立柱頂部焊接3 mm厚的鋼板。(3)采用焊接方式對立柱與橫梁進行橫向連接。(4)立柱與橫梁間安裝斜拉索，形成內(nèi)置型鋼框架結(jié)構(gòu)體系。

注意事項如下：(1)為保證施工人員在進行施工操作時具有一定的工作面，立柱的位置一般確定為距離墻體30～50 mm左右。(2)為保證下橫梁的安放位置，可對地面物做適當(dāng)處理，但應(yīng)保證地基的穩(wěn)定性，盡量不去擾動大體積混凝土塊等主體結(jié)構(gòu)掉落物。(3)斜拉索端部鋼筋彎曲形成內(nèi)徑為13 mm的圓，中間部分為JW3303型UU花籃螺栓。(4)針對傾斜的梁體，可調(diào)整卡槽位置后，在卡槽與梁體縫隙處澆筑細石混凝土或嵌插磚塊，保證樓層梁體壓緊下層型鋼框架，使其共同承重。

4.2 走廊處的施工

圖13 -軸教室內(nèi)部整體施工圖Fig.13 Internal overall construction drawings in - axis classroom

圖14 -軸教室局部節(jié)點施工圖Fig.14 Local node construction drawings in - axis classroom

圖15 ①-⑦軸走廊內(nèi)部整體施工圖Fig.15 Internal overall construction drawings in ①-⑦ axis corridor

圖16 ①-⑦軸走廊局部施工圖Fig.16 Local construction drawings in ①-⑦ axis corridor

5 結(jié)論

通過對曲山小學(xué)遺址破壞現(xiàn)狀的實地調(diào)查，整理了相關(guān)古建筑文物以及近代地震建筑遺址的加固原則及措施，借鑒文物古跡保護準則，結(jié)合地震遺址保護性加固要求，提出了針對曲山小學(xué)遺址加固設(shè)計思路及相應(yīng)的加固技術(shù)方案，即整體采用內(nèi)置鋼框架加固體系，局部構(gòu)件的加固采用“撐、頂、挑、靠、拉”5種方式，保證了遺存本體的原貌，對北川縣城遺址房屋以及類似地震建筑遺址的保護性加固提供了技術(shù)借鑒，具有一定的示范意義。