廖文彬
（厦门中福元建筑设计研究院，厦门361009）
[摘要] 陈嘉庚纪念堂建成于1982年，现已不能满足结构抗震安全要求和使用功能要求，需要对其进行加固改造。结合纪念堂内部的维修改造及装修，在保持原建筑外貌不变的前提下，将原设缝脱开的结构单元底部重新连接成整体，并采用内加壁式框架、钢筋加固钢屋架、钢斜撑加固女儿墙等多种措施提高结构抗震性能，减小结构刚度差异，同时增设舞台葡萄架以满足使用功能。按照该方案加固改造后的纪念堂不仅能够满足使用功能的要求，还具有良好的抗震性能，实现了提高抗震能力、完善内部现代设施及历史风貌建筑保护的协调。
[关键词] 陈嘉庚纪念堂；历史风貌建筑；改造设计；抗震加固
中图分类号：TU318文章编号：1002-848X(2016)05-0053-05
1 工程概况
陈嘉庚纪念堂建成于1982年，位于福建泉州华侨大学内，是为纪念著名爱国华侨领袖陈嘉庚先生由华侨捐资筹建的。纪念堂占地面积12 000m2，建筑面积7 436m2，建筑高度23. 9m，由前楼和礼堂组成，现作为华侨大学礼堂使用。
由于建成至今已近40年，纪念堂内部设施陈旧、配套设施设备不足、使用功能欠缺，已不能满足大学生文艺汇演、大型歌咏比赛等文艺演出的需求，另外，纪念堂消防系统缺失，结构抗震能力不足，需要对礼堂进行建筑、声学、给排水、消防、暖通、电气、灯光、音响、舞台机械、结构抗震等方面的改造设计。由于本工程具有历史风貌建筑的特点，要求改造设计不得影响建筑外观。
陈嘉庚纪念堂由前楼和礼堂组成，两部分设结构缝脱开，本次工程仅对礼堂进行改造。礼堂由舞台和带有二层楼座的观众厅组成，观众座位共3 030个，跨度为36m，礼堂建筑平面图如图2所示。礼堂采用钢筋混凝土框架结构（以下简称I区），36 m大跨度屋架采用梯形钢屋架，观众厅的二层楼座悬挑7m，结构采用框架一剪力墙结构（以下简称Ⅱ区），该楼座自基础以上与观众厅主体结构设结构缝脱开，形成了独立结构单元，结构平面图如图3所示。
陈嘉庚纪念堂地处坡地，基础采用钢筋混凝土独立基础，持力层为残积黏性土，地基承载力特征值为220kPa。I区舞台两侧楼板采用预制板，其余结构采用现浇混凝土板。梯形钢屋架屋面采用20mm厚企口木板+二毡三油防水层+镀锌铁皮。I区结构属于单层大跨度空旷房屋建筑，主要框架柱截面500 x1 000，框架梁截面240×500，混凝土强度等级为C18，大部分柱的箍筋直径为6mm，加密区箍筋间距为200mm或250mm;Ⅱ区包含地上2层和半地下室，高度15. 96m，楼座悬挑7m，采用三角形梁悬挑，双向布置剪力墙共同承担悬挑楼座的倾覆力矩，形成框架．剪力墙结构。
2 结构安全性鉴定及抗震鉴定
陈嘉庚纪念堂地处抗震设防烈度7度(0. 15g)区且作为礼堂使用，依据《建筑工程抗震设防分类标准》( GB 50223-2008)及《建筑抗震鉴定标准》( GB 50023-2009)（简称抗震鉴定标准），该纪念堂抗震设防类别为重点设防类，应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施，即按抗震设防烈度为8度的要求采取抗震措施，其抗震性能按抗震鉴定标准进行评估，房屋后续使用年限为30年，属A类建筑。根据《民用建筑可靠性鉴定标准》( GB 50292-1999)对纪念堂进行安全性鉴定。根据建设单位提供的《华侨大学陈嘉庚纪念堂维修改造二期工程结构安全性鉴定及抗震鉴定报告》（简称鉴定报告），主要鉴定结果如下。
2.1结构安全性鉴定（未含抗震）
(1)地基基础。现场检查基础周边地面未见明显沉陷，未发现基础不均匀沉降引起的上部结构明显变形和开裂现象。
(2)框架结构。本工程采用框架结构体系，可形成完整系统，屋盖部分采用梯形钢屋架，结构传力路线清晰。I区、Ⅱ区部分梁、柱箍筋配置不能满足《民用建筑可靠性鉴定标准》( GB 50292-1999)的要求，Ⅱ区一层板的板筋面积普遍不足，其余上部承重结构梁柱构件承载能力基本满足规范要求。现场检测发现部分预制板存在开裂、渗水现象，未发现梁柱构件、节点存在明显变形和破坏迹象。
(3)屋架结构。梯形钢屋架上下弦横向支撑、竖向支撑、杆件长细比等屋盖构造均符合《钢结构设计规范》( GB 50017-2003)的要求，屋架构件工作状况基本正常，未发现挠曲变形，所检钢屋架跨中挠度小于规范规定的挠度限值，屋架杆件外观未见明显的裂纹、毛刺、凹坑、变形等缺陷，抽取双面贴角焊缝外观质量符合三级焊缝外观质量标准，但有部分杆件面漆起皮，部分与支座相连构件表面存在锈蚀现象。经计算，屋架的承载能力基本满足要求。
屋架支座螺栓、支座底板等节点工作状况基本正常，未见明显变形、裂缝和损坏，但支座构件表面普遍存在锈蚀现象。
2.2结构抗震鉴定
本工程I区为钢筋混凝土结构空旷房屋，整体平面布置不规则，舞台后墙采用楼层作为水平支撑，墙体顶部设卧梁，屋面采用梯形钢屋架、有檩屋盖，满足抗震鉴定规范要求。本工程Ⅱ区采用钢筋混凝土双向框架结构体系，局部设置剪力墙，满足抗震鉴定标准要求。
调查检测表明，该工程的建筑层数、结构体系、房屋整体性连接构造、材料强度、房屋易损部位及其连接的构造、填充墙等非结构构件的连接构造等基本满足抗震鉴定标准的要求，但是房屋的外观和内在质量、框架梁柱配筋及构造存在部分项目不满足抗震鉴定标准的规定，主要包括：所检框架梁柱纵向钢筋符合非抗震设计要求，但部分柱的箍筋直径为6mm，不满足抗震鉴定标准规定的最小直径8mm的要求，部分柱箍筋加密区间距为200mm或250mm，不满足抗震鉴定标准规定的最小间距150mm的要求。
3 结构改造加固问题分析
礼堂结构改造加固主要存在以下技术问题：
(1)框架结构基本未考虑抗震设计，梁、柱箍筋不满足抗震要求。
(2)由于Ⅱ区自基础以上与I区脱开，I区结构在该处的端榀为刚度较差的大跨度排架，与另一端舞台山墙结构有明显的刚度差异，刚度分布明显不均，易造成结构地震下的扭转破坏。
(3)部分柱、梁、板配筋不能满足规范要求。
(4)建筑维修改造后舞台需增加葡萄架系统，需要确定大跨度葡萄架系统与原结构的加设方式和受力关系。
(5)装修改造引起钢屋架吊挂的吊顶、灯光、空调等吊挂重量增加，钢屋架承受荷载相应增大，需对钢屋架进行加固。
(6)屋顶女儿墙高3.5m，仅采用了构造柱及圈梁，地震时鞭梢效应导致墙体掉落，需考虑掉落引起的抗震安全问题。
因此，进行加固改造设计时不仅需要考虑鉴定报告中提出的问题，同时需要考虑装修改造引起结构局部改造及完善使用设施所增加的荷载。另外，由于纪念堂在设计时，我国尚未有抗震设计方面的相关规范，因此还应着重在提高结构整体抗震性能和对震害容易损坏的部位进行抗震加固设计，按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施。
4 结构改造加固设计
4.1结构抗震加固设计
本工程的抗震加固设计主要包括两方面：1）对未考虑抗震设防的结构进行抗震加固，在进行加固设计时，按照抗震鉴定标准的要求，高于本地区抗震设防烈度一度采取抗震措施；2）结构平面布置不规则，结构刚度分布不均匀，需要采取措施减小结构乎面刚度的差异并提高结构抗扭刚度。
4.1.1抗震设防
由于框架结构基本未考虑抗震设计，梁柱箍筋的直径、加密区间距、肢距等不满足抗震鉴定标准的要求，造成框架抗震性能明显低下，地震作用下的破坏后果将十分严重，因此提高框架的抗震性能极其重要。另外，由于纪念堂抗震设防类别为重点设防类，应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施。同时由于纪念堂为历史风貌建筑，改造加固设计不得影响建筑外观。经综合考虑，采用内加壁式框架进行加固，新加壁式框架厚度250mm，加固后框架柱截面为500 x1250，框架梁截面为490×500，新加混凝土强度等级采用C30，如图4所示。壁式框架能够形成一个新的较完整的抗震系统，并独立承担一定荷载，显著增加结构延性；与原框架梁柱连接成一体，提高了大跨度空旷结构的整体性及刚度；另外，由于原36m大跨度钢屋架柱顶支承长度为350mm，内加壁式框架后钢屋架在柱顶支承长度增加250mm，结合女儿墙加固时于柱两侧设置的钢斜撑对钢屋架的限位作用，防止钢屋架大震下脱落。
4.1.2结构扭转效应限制
国内外历次大地震震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心和抗扭刚度太弱的结构，在地震作用中易遭受严重的破坏。
纪念堂I区结构平面布置不规则，结构一端为山墙、另一端敞开，结构刚度分布明显不均。由于抗震鉴定标准中没有明确规定结构扭转性能的评价指标，考虑本工程为乙类建筑，因此参照《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3-2010)（简称高规）对结构扭转性能指标进行控制。对加固前结构进行分析，分析结果见表1，可以看出，y向最大层间位移角超过高规的允许值1/550，表明y向刚度不足。Y向扭转位移比大于1. 40，不符合高规的规定，同时第2阶周期扭转系数已接近0.5，表明结构存在明显扭转效应。图5为加固前结构第2阶振型图，可以看出，由于结构敞开端刚度较弱，存在严重扭转。
敞开端受楼座布置的限制，无法加设剪力墙或支撑等提高抗侧移刚度。在本工程中，可利用刚度较大的Ⅱ区框剪结构（楼座）为I区结构提供刚度，为避免敞开端刚度提高过大导致新的偏心，加固设计中只将Ⅱ区的1层以下的半地下室与I区连接成整体，1层以上仍保留分缝脱开（图6）。按I区、II区的1层以下连接成整体，I区采用内加壁式框架加固（图4）的结构加固方案对加固后结构进行分析，结果见表1。对比加固前后结果可以看出，加固后前2阶周期以平动为主，扭转由第2阶周期T2变成第3阶周期T3，周期比T3/T1=0.75，说明抗扭刚度明显提高，并符合高规的要求，Y向最大层间位移角由1/3 06减小为1/642，位移比也有所减小，结构抗侧移刚度明显增大。但由于1层以上是敞开端，仍存在刚度偏心，从加固后位移比1. 40也可看出结构仍存在较大扭转，此时应调整结构外围抗侧力构件的刚度，减小结构刚心和质心的偏心距，因此在加固设计中对敞开端两排框架柱进行截面双面加大，按抗震等级提高一级进行配筋和配箍，箍筋全高加密。
4.2舞台葡萄架结构设计
由于舞台功能要求，需增设葡萄架用于舞台背景幕、灯光等吊杆升降用。葡萄架位于舞台上空，尺寸为15m×24m（图7），结构设计进行了四个方案的比选。
方案1：利用钢屋架，葡萄架挂在钢屋架下弦节点。由于葡萄架重量较大，钢屋架超载多，大部分杆件需加固，特别是上弦杆加固会破坏屋面材料，加固量大，优点是葡萄架结构高度小。
方案2：钢屋架结合葡萄架进行加高钢屋架高度方案，此方案中葡萄架占用高度小，屋架刚度增大，但是加固量及现场焊接量大。
方案3：利用舞台两侧的框架柱加高至屋架，成为屋架支座，将单跨36m屋架变成6m+24m +6m的3跨钢屋架，该方案通过增加支座来减小跨度，可以减少杆件加固量，但由于增设支座，有些杆件将从拉杆变为压杆，上弦杆的加固会破坏屋面材料，加固量较大，优点是葡萄架结构高度较小。
方案4：采用钢结构梁制作葡萄架，支承在舞台周边梁柱上，其优点是钢屋架不用加固，缺点是由于跨度大，葡萄架结构高度较高。
经综合比较，并与舞台机械设备配合，将葡萄架紧靠屋架下弦，解决高度问题，最终采用方案4。方案4加固量少，传力直接，并能为高大山墙提供侧向支撑，增强山墙稳定性（图7和图8）。
4.3钢屋架加固设计
装修改造引起钢屋架吊挂的吊顶、灯光、空调等吊挂重量增加，钢屋架承受荷载相应增大，经复核验算，在面光桥位置有两榀钢屋架下弦杆承载力略不足，钢屋架下弦杆为双拼角钢，因此采用在下弦杆加设焊接两根钢筋加固，钢筋强度等级为HRB335，直径为25mm，加固方法如图9所示。在进行屋架下弦杆加固时，先架设满堂脚手架进行屋顶千斤顶卸荷，然后进行焊接工作。
4.4砖砌女儿墙抗震加固设计
历次地震震害表明，较高的砖砌女儿墙容易掉落，伤害逃生人员及堵塞逃生通道。本工程屋顶女儿墙高3. 5m，砖墙厚240mm，构造柱间距2.5m，女儿墙中部及墙顶圈梁各一道。由于女儿墙悬臂高度很高，仅靠构造柱及圈梁不足以抵抗地震时鞭梢效应，因此必须进行抗震加固。
利用新内加的壁式框架柱，在柱顶设预埋件，并避开屋架，在屋架两侧设钢斜撑，钢斜撑下端与柱顶预埋件焊接，上端与女儿墙中部圈梁焊接，大大减小女儿墙悬臂高度，提高了女儿墙安全性，同时屋架两侧设置的钢斜撑还可以起到限制屋架脱落的作用，女儿墙加固图如图10所示。
5 结论
在陈嘉庚纪念堂礼堂结构加固改造设计中，不仅考虑了装修改造中舞台设备、吊顶、灯光、空调等吊挂重量增加引起的结构加固问题，还从结构整体抗震性能出发，对结构重点受力部位和震害容易损坏的部位进行加固，提高其抗震性能。
(1)内加壁式框架保持结构外形不变，形成新的抗震系统，可提高结构的整体性、刚度及延性，满足结构抗震要求。
(2)将Ⅱ区的1层以下的半地下室与I区连接成整体，1层以上仍保留分缝脱开，I区内加壁式框架加固、敞开端两排框架柱断面双面加大后可以提高结构抗侧移刚度和抗扭刚度，明显减小扭转效应。
(3)紧靠屋架下弦架设钢结构梁制作舞台葡萄架，在满足礼堂使用功能的同时只需焊接钢筋对钢屋架下弦进行加固。
(4)在女儿墙中部加设钢斜撑以减小女儿墙的悬臂高度，提高女儿墙抗震安全性，限制屋架的脱落。
