工程实例2：南京博物院老大殿整体顶升与隔震加固工程
2.1 工程概况
南京博物院是我国最早创建的博物馆之一。南京博物院之前身是1933年由我国近代民主革命家、教育家，时任国立中央研究院院长的蔡元培先生倡议创建的国立中央博物院筹备处。1937年开工建设。1948年4月，第一期工程及附属工程竣工。1952年7月，大殿的琉璃瓦建筑工程竣工。大殿仿辽代蓟县独乐寺山门形式，其结构多按《营造法式》设计，某些细部和装修兼采唐宋遗存。大殿为七开间，屋面为四面曲面坡的四阿式，上铺棕黄色琉璃瓦。陈列室仿自美国某博物馆，做成平屋顶，外墙加中国古典式挑檐，使之与大殿风格协调，见图1。
由于建设年代久远，期间经历多次历史事件，原结构设计资料很不完整，改造前根据幸运发现的原设计方案和现场勘查检测重新绘制了老大殿结构图。老大殿为钢筋混凝土框架结构，中间大殿主体为二层，局部三层，两侧厢房二层。老大殿结构西侧和北侧均有二层建筑连接，保留改造部分建筑面积4830平方米，其余部分在顶升前切割拆除，南侧台阶与栏杆在顶升后复建，见图2。
2.2 抗震鉴定及存在的主要问题
2.2.1 结构检测结果
通过对南京博物院老大殿上部建筑与结构、基础、切割线部位梁柱构造、材料性能以及结构动力特性等五大主要部分的检测，形成了以下检测结论：
1.老大殿在原排水口附近普遍存在渗水现象，部分位置渗漏严重，部分部位发霉。部分柱身和梁身及楼板存在粉刷层脱落或起皮开裂现象。有部分暴露在室外的钢筋混凝土构件，由于混凝土保护层脱落或过薄，钢筋锈蚀严重。各层楼面均不同程度存在裂缝，裂缝一般位于板的跨中部分，部分裂缝宽度大于0.3 mm。部分板底、梁底混凝土爆裂及钢筋锈蚀严重。
2.建筑外墙布置与原设计图纸基本一致，但内墙有较大变动。
3.南京博物院老大殿结构体系为框架结构，梁柱规格较多，一层1号库房局部为钢筋混凝土墙体，墙中有柱，2号库房墙体为钢筋混凝土，墙中无柱。
4.框架梁柱的主筋主要为多种规格的方钢，边长为20、22、25mm三种，柱箍筋为φ8圆钢，箍筋间距为150/100mm。梁箍筋为φ8圆钢，箍筋间距在130-300mm之间。
5.一层2号库房的顶板板厚为900mm（双层空心楼板），其他区域二层楼板厚度统一为200mm。
6.该工程的基础形式有柱下独基、柱下条基以及墙下条基三种，底层地面为120mm厚双向配筋的混凝土板，通过雷达检测得出基础密实，没有出现空洞、疏松的现象。
7.混凝土强度代表值一层柱建议取15MPa，一层梁建议取15MPa，一层墙建议取20MPa；二层柱建议取25MPa，屋架混凝土建议取18MPa。混凝土炭化深度一层柱建议取40mm，一层梁建议取50mm，一层墙建议取35mm，一层楼板建议取35mm；二层柱建议取45mm，屋架混凝土建议取50mm。砂浆品种为混合砂浆，强度推定值为11MPa，构件保护层厚度建议取30mm。
8.通过动测得到结构前三阶频率分别为2.783，3.233和5.566，阻尼比分别为0.034，0.041和0.029，其中前两阶为平动，第三阶为扭转。
2.2.2 抗震鉴定结论
由于原设计未进行抗震设防设计，对原结构进行了抗震鉴定。结果表明建筑物大多部位的承载力及构造不符合现行抗震规范要求，并建议给予抗震加固。通过对其结构体系和建筑外观的现场勘查、材料性能检测和结构计算分析，形成的与老大殿相关的鉴定结论如下：
1.建筑无明显沉降、倾斜或歪扭，表明建筑物地基在静荷载作用下无明显缺陷。
2.新建文物保管楼与老大殿贴近，其建设与使用造成临近的老大殿结构有较大的沉降变形，局部墙体产生较为严重的开裂。
3.结构体系在平面、立面布置方面严重不规则，无抗震缝，刚度分布不均匀，不满足现行《建筑抗震鉴定标准》和《建筑抗震设计规范》要求。
4.建筑首层部分构件、二层以上大多数钢筋混凝土柱的承载力不能满足《建筑抗震设计规范》的要求。
5.建筑二层局部、三层的层间位移不满足《建筑抗震设计规范》的要求。
6.钢筋混凝土柱上端、梁端以及框架节点的抗震构造措施不满足《建筑抗震鉴定标准》的要求。
7.部分钢筋混凝土柱，由于原设计的内置排水系统破坏，导致铸铁管锈蚀，引起混凝土构件胀裂，对结构耐久性存在极大危害。
8.建筑外围砖砌体窗下墙的布置、建筑多处存在的错层，将导致钢筋混凝土柱形成短柱，在地震中容易造成钢筋混凝土柱产生剪切破坏。
2.3 改造要求与特点
2.3.1 改造工作内容
南京博物院二期工程（扩改建工程）为江苏省“十一五”重点文化建设工程项目，老大殿整体抬升与隔震加固项目为南京博物院二期工程的子项目，其具体内容为：
1.北侧、西侧厢房局部切割拆除、保留部位的局部加固，见图3。（注：保留部位形成典型中国古建对称风格。）
2.原西侧斗拱檐口为民国工艺，改造后回嵌安装于西侧厢房屋顶。
3.保留部位整体顶升3m，楼梯、墙体等相应接长。
4.首层库房、墙体等改造为仿古阅览室（御书房），结构设计与之相对应。
1.不得损坏现有建筑的文物价值（文物价值由文物主管部门、文物专家根据现行文物保护法律法规认定、批复）；
2.整体顶升与抗震加固改造过程中应确保结构安全；
3.不改变二层以上保留部位外观；
4.技术方案应满足改造后实现现代博物馆功能（通风、防水震等，以更好保护参展文物）；
5.首层顶升后，实现4m左右净空高度，并通过加固改造实现大空间（原净空2.8m）；
6.在保持原楼梯外貌前提下，将楼梯等延伸至改造后地面。
从满足日益扩展的老大殿功能提升需求和抗震安全性能角度来说，采用整体顶升、隔震综合技术进行改造。
1.老大殿整体顶升3米
整体顶升3m对于南京博物院老大殿建筑扩建工程具有以下优点：
（1）中山东路路面标高高于博物院地坪标高，老大殿屋顶高度低于周边住宅的高度，顶升后可以优化视觉效果，强化老大殿作为博物院核心建筑的地位，突出博物院的历史文化传播中心地位；
（2）顶升后，院内地坪相应抬高，避免了雨季中山东路雨水大量流入南京博物院内的现状；
（3）整体顶升后，老大殿下部的民俗馆地下展厅与西北侧科技馆地下展厅的标高差由6.6m降低为3.3m，参观路线过渡更加自然流畅；
（4）整体顶升后，二期扩建工程地下空间建设的整体挖土量减少约2/5；
（5）整体顶升后，参观人员的地下停车场标高相应提升，由全地下空间优化为半地下空间，可采用自然采光、自然通风代替人工采光、人工通风，减少使用期间的能量损耗；
（6）老大殿西北部设有大巴车停车场与展品运输通道，老大殿整体顶升后室外地坪相应抬高，大巴车停车场与展品运输通道降为地下空间，减小了对地面环境的影响，同时增加了展品运输的安全性；
（7）老大殿首层平台下空间层高为2.8m，减去梁板高度以及设备管道使用高度后几乎无法利用。整体顶升后，该层层高扩展为5.8m，除设备管道以及梁板占用空间外，约有4m左右净高可以利用。
2.老大殿进行抗震加固
老大殿建于20世纪30年代，原来的结构设计一般仅考虑竖向荷载的传力体系，没有经过抗震设计，同时该建筑使用年限长，材料强度低，经抗震鉴定，老大殿不能满足现行规范的抗震设防要求。鉴于南京博物院老大殿建筑的重要性，对其进行结构抗震加固是十分必要的。
1.南京博物院老大殿为省级重点文物建筑保护单位，必须在不破坏建筑物的文物价值，设计和施工方案的选择受到很大限制。
2.老大殿无竣工图，设计依据仅为现场测试图，对结构形式、细部构造的了解可能出现偏差，施工时根据实际情况可能需要进行大量的设计变更。
3.老大殿平面、立面均不规则，梁系布置复杂，竖向承重柱所承受的竖向荷载分布不均匀，竖向顶升力的控制难度加大。
4.老大殿顶升改造部分占地面积近2500m2，顶升点多达161个，同步顶升控制难度大。
5.该工程一次顶升高度达3m，采用常规叠加垫块法施工速度慢，工序复杂，应设置可靠的防失稳措施。
6.本工程地基土承载力低，原木桩数量、位置不明，基础加固施工困难，室内难以进行桩基施工。
7.原西侧局部拆除部位斗拱屋檐需要切割保存回嵌，但该场地吊装困难，且该技术未有先例。
8.因结构侧向刚度不均匀，且改造后老大殿四周地面标高不同，故隔震支座与隔震沟盖板设计均具有较大难度。
关键技术及其对应方案参见下表1。
表1 南京博物院老大殿关键技术组成与方案简介
2.5 关键改造与加固技术
2.5.1 柱托换加固
经现场检测，老大殿部分柱承载力降低，构造措施也不满足现行抗震规范要求；老大殿顶升3m后，首层柱需接长；首层柱作为顶升受力点，在与基础分离后需在柱底做托换节点。为解决上述问题并保障大殿顶升过程安全，在顶升前对首层柱进行加固改造。
常用的柱加固方法有增大截面法、置换混凝土法、外加预应力法、外粘型钢法、粘贴纤维复合材法、粘贴钢板法、增设支点和高强钢绞线网-聚合物砂浆加固法。老大殿部分柱混凝土强度低于C15但高于C10，不适用粘贴纤维复合材法（现场实测混凝土强度不得低于C15）、外加预应力法（混凝土强度不得低于C30）和粘贴钢板法（现场实测混凝土强度不得低于C15）；增设支点法会影响大殿的使用空间，置换混凝土法常用于局部加固，均不适用与本工程；老大殿顶升后首层柱接长（计算长度由3.70m增加为5.40m），柱长细比增大,外粘型钢法和高强钢绞线网-聚合物砂浆加固法并不能有效减小加固后柱的长细比。综上所述，采用增大截面法加固首层柱。因二层地面属于外观保护范围，不允许破坏，所以首层柱顶端加固时需要采取合理锚固措施。
文物库房位于老大殿首层，楼板为双层板，上层板厚160mm，下层板厚300mm，两层板间距340mm，中间有夹梁相连；墙体为双层混凝土墙，外墙厚200mm，内墙厚370mm，两层墙间距150mm。双层板间和双层墙内均填充细沙。有两种拆除方案可选择：全部拆除（拆除库房内外墙和双层板低层板，双层板上层板保留）和局部拆除（拆除库房内墙和外墙一部分，双层板保留）。全部拆除需搭设临时支撑较多，且在不破坏双层板上层板的条件下拆除下层板，施工难度大；局部拆除则可以利用外墙切割后保留的条柱作为支撑进而加固成柱，既能减少临时支撑又能保证新增柱与梁节点连接的牢固，不拆除底层板，减少了施工难度。经专家论证，采用局部拆除方案，文物库房改造后双层混凝土墙改为梁柱结构，并在柱顶增设柱帽托住库房下层板边。
2.5.3 顶升过程顶升偏差下结构安全性分析
2.5.4 顶升支架和上部结构复合体系稳定分析
顶升过程中，由于上部结构与基础分离后，上部结构与顶升支架系统组成新的组合结构，结构周期降低，在发生地震与强风情况下是否存在失稳风险，进行了分析，见图5和图6。
分别计算老大殿顶升支架与框架复合结构和老大殿未切割时的结构自振周期（结构与基础连接均按固结考虑，选择前七阶振型比较）。
2.5.5 隔震加固
老大殿二层以上外观均为价值保护范围，不得改造，因此抗震加固选择橡胶支座隔震方案。建立了老大殿基础隔震结构的ETABS三维空间有限元模型。图7为老大殿隔震结构有限元模型的三维视图。隔震结构的动力特性会随隔震支座剪应变的变化而不断发生变化，表2给出了采用Ritz向量法计算出隔震体系在50％剪应变和100%剪应变时前6阶周期的结果。从表中可以看出，隔震体系的周期较原结构增大了很多，基本周期由原来的0.598秒延长至1.801秒，已经远离了建筑场地的卓越周期。表3给出了南京博物院老大殿按传统抗震加固和隔震加固的层间剪力对比。表4多遇地震输入下老大殿隔震结构层间位移角，表5罕遇地震输入下老大殿隔震结构层间位移角。
表2 老大殿隔震结构前6阶振型的周期（s）
表3 老大殿隔震和非隔震结构地震剪力对比(单位kN)
表4 多遇地震输入下老大殿隔震结构层间位移角
表5 罕遇地震输入下老大殿隔震结构层间位移角
2.6 改造与加固效果
通过整体顶升3m与隔震加固改造后，老大殿保护面临的水腐蚀环境大为降低，耐久性提高；首层由原半地下净空2.8的库房层，拓展为集库房、展览、文化传播为一体的综合性空间，功能大为提升。通过隔震加固，整体结构抗震性能显著提升。二层以上完整地保留了建筑外观、建造工艺和原建筑构件。该工程成为文物建筑保护、功能提升、面向未来发展相结合的一个典型案例。
校审：王涛
编辑：孙辅南、沙安
