建 筑 ・技 术 第48卷第5期2017年5月 Vlo1.48 No.5 May.2017 492・ Architecture Technolo ̄v 既有建筑物鉴定时对结构安全分析 评定的探讨 张东岭, 包永刚 (河南水利与环境职业驾'~ ̄ 212程系,450008,郑州) 摘要:针对既有建筑物鉴定时,结构安全评定中存在的一些问题进行探讨,特别是对那些结构验算 严重不足,而实际结构完好无损的建筑物,讨论了结构验算时荷载和材料强度取值的问题。建议应根据建筑 物的现场检测结果和现状进行符合实际的结构计算分析,并还应考虑超静定结构的塑幽 力重分布和柱边弯 矩修正等因素对结构验算的影响,以达到客观正确评定建筑物安全性的目的,避免不必要的浪费。 关键词:既有建筑物;鉴定;结构抗力;荷载效应 中图分类号:TU312 文献标志码:A 文章编号:1000-4726(2017)05-0492-04 STUDIES oN STRUCTURAL ASSESSMENT OF SAFETY APPRAISAL OF EXISTING BUILDING ZHANG Dong-ling,BAO Yong-gang (He。nan Vocational College ofWater Conservancy and Environment,Department ofCivil Engineering, 450008,Zhengzhou,China) Abstract:In the field of the safety appraisal of existing building,studies have been conducted within the structural safety assessment of buildings in this paper.Specifically,this paper explores how to evaluate load and material strength in structure checking,especially for buildings which are seriously deficient in structure checking but intact in appearance.The paper suggests that structural calculation and analysis should be adjusted according to results of site testing and present siutation of buildings, while effect of plastic internal force redistribution,moment modulation at column side and other factors on structure checking should be considered for statically indeterminate structure,which makes safety appraisal of buildings objective and avoids unnecessary cost. Keywords:existing building;safety appraisal;structural resistance;load effect 对既有建筑物鉴定时,通常应对建筑物结构的安 且得不偿失”。从鉴定结果来看,该生产楼不加固就 全性做出评定。鉴定时需要检测建筑物的现状,并 不能再使用了,但事实是没有发现该生产楼有因结构 按有关的规范进行结构验算[1]。有时结构验算结果 受力产生的任何裂缝,结构是安全的。对此类房屋, 是建筑物不能满足相关规范的要求,例如某幢房屋 无论是采取结构加固还是拆除重建完全没有必要,会 有较多钢筋混凝土梁的实配钢筋量比按规范计算结 给人力、物力造成很大的浪费。果少20%~25%不等,这些梁的结构安全如何评定, 按照有关的规范,可评定这些梁的强度严重不足。 那么为何建筑物结构现状(没损坏)与结构验算 结论(不安全)会不一致,鉴定时应该如何正确评定 然而,在现场检测时,没有发现这些梁有任何结构 结构安全,应如何区分既有建筑物鉴定与建筑物新设 开裂受损的现象,事实是这些梁是安全的[2]。笔者 计时对安全度的要求,在建筑物设计时,面对的房屋 曾查1词过一份某企业生产楼的结构鉴定报告,报告 结构,只是存在于设计人员脑中拟建的房屋。房屋在 中写到: “在静力荷载作用下,这6层的生产楼的 建造过程和今后使用过程中存在较大的随机陛。房屋 229根楼面梁中,有15根梁段不安全。这15根梁段 的安全度不仅取决于设计本身的正确与否(例如是否 的实配钢筋数量与计算所需钢筋数量的比值(以下简 会漏算或少算荷载等),还取决于房屋施工质量和业 称配筋比)均小于1.0,大部分为0.77至O.79。”根 主使用的合理陛[3】。施工中会出现工程质量问题,在 据这结构计算结果,鉴定的最后结论是: “生产楼已 使用中房屋是否会遭遇人为损坏(如超载等)。当一 不适宜继续使用和改造后使用,改造加固费用高昂, 收稿日期:2017-01—20 些最不利因素组合在一起,会大幅降低结构的承载能 力,因此设计时应使结构有足够的安全储备。而在建 筑物鉴定时,建筑物已经客观存在。实际的使用荷载 一作者简介:张东岭(1982一),男,河南郑州人,讲师,工程师,硕 士,e.mail:zhangling601 1480@163.com. 般很明确或可以控制得住。 2017年5月 张东岭,等:既有建筑物鉴定时对结构安全分析评定的探讨 .493. 结构的材料强度,也可通过采取一定的测试手段, 1.1关于荷载取值 得到比较接近实际的测试值。因此引起建筑物安全性 现行《荷载规范》 中给出了结构所受荷载的 出问题的各种最不利因素组合的可能性,要比新设计 大小和计算原则,其中永久荷载,可按结构构件的 小得多。为此,建筑物鉴定时的结构验算有时可以采 设计尺寸与材料的自重计算确定。对于民用建筑 用比新设计较低的安全储备[3]。 (办公楼、住宅)中的楼面活荷载标准值的取值, 本文以常用的钢筋混凝土结构房屋为例,就此问 规范的编写说明中指出: “在全国一定范围内对办 题作进一步的详细分析和讨论。 1规范确定结构安全的原则和方法 本文计算分析研究涉及到的主要规范如下: GB50009--2012《建筑结构荷载规范》(以下 简称现行《荷载规范》);GB50010--2010《混凝 土结构设计规范》(以下简称现行《混凝土规范》); TJ9一l974《工业与民用建筑结构荷载规范》(以 下简称TJ9—1974《老荷载规范》);TJl0—1974《钢 筋混凝土结构设计规范》(以下简称TJ1O一1974 老《混凝土规范》)。 判别结构构件的安全性,只要结构抗力 不小 于作用于结构的荷载效应 ,即: ≤ (i) 从理论上讲,只要结构抗力稍大于荷载效应就 可以认为结构是安全的,但实际不能这样进行结构 设计。因为结构抗力和荷载效应都是不确定,即为 随机变量。对于设计中的新建筑物,在后续的施工 和使用过程中,影响结构抗力和荷载效应变化因素 很多,所以引入“安全系数”,以增加结构的安全 储备。例如TJ10一l974老《混凝土规范》[4 就引入 了安全系数 ,其表达式为: / ̄R=Kx/1s (2) 式中:/l 分别为结构抗力和荷载效应的平均 值;K为安全系数。 例如,钢筋混凝土结构的受弯构件(梁)抗弯的 安全系数 取为1.4,而抗剪因属脆性破坏,安全系 数 取为1.55。近年来学术界认为按式(2)的设计 计算不科学,因为将其中的 和/.z 作为一个定值理 解不妥当。所以现行《混凝土规范》 采用了“按近 似概率的极限状态设计法”,认为结构可靠性应该属 于概率的范围,应当用结构完成其预定功能的可靠性 (概率)的大小来衡量,由此,引入了可靠度指标b 和失效概率的概念。当失效概率小于某一公认的程度, 就认为结构是安全的。下面讨论现行规范中设计荷载 和材料强度的取值。为便于实际工程应用,本文对建 筑物中常用的钢筋混凝土梁,进行较深入的分析与探 讨,其结论原则上也可应用到其他形式的结构和构件。 公室和住宅的楼面活荷载进行了调查。当时曾对4 个城市(北京、兰州、成都和广州)的606间住宅 和3个城市(北京、兰州和广州)的258间办公室 的实际荷载作了测定。按楼板内弯矩等效的原则, 将实际荷载换算为等效均布荷载,经统计计算,分 别得出其平均值为1.051 kN/m2和1.402kN/m 时, 标准差分别为O.23 kN/m。和0.219kN/m ;按平均值 加两倍标准差的标准荷载定义,得出住宅和办公室 的标准活荷载分别为1.513 kN/m 和1.84kN/m 。” 考虑到安全裕量,规范最终给出的标准荷载取值为 2.0 kN/m 。须注意,这里的标准荷载并非统计的荷 载平均值,而是平均值乘上一个大于1.0的系数,而 用于结构设计计算时的荷载设计值,是在标准荷载 的基础上,再乘以1.4的活荷载分项系数。由此可见 在大多数情况下,设计中采用的荷载相比于实际使 用情况有较大的安全裕量。 1.2关于材料强度取值 现行《混凝土规范》 规定:钢筋的强度标准值 应具有不小于95%的保证率,也就是钢筋的强度标 准值是在钢筋的强度平均值的基础上,再减去1.5倍 的标准差。而用于结构设计计算时的钢筋强度设计值, 为其强度标准值除以材料分项系数,延性较好的热轧 钢筋取1.10,但对新列入的高强度500MPa级钢筋适 当提高安全储备,取为1.15。以常用的RHB335(Ⅱ 级)钢筋为例,其强度标准值为335N/mm2,而用于 结构设计计算时的钢筋强度设计值为300N/mm2。笔 者曾查阅某建筑工程质检站的实测钢筋强度的报告, 随机抽取了其中32份实测II级钢筋强度的报告。中 有64根钢筋,其平均屈服强度为367.7N/mm。,标 准差为3.1。如果按照97.3%保证率,则推算出这64 根钢筋强度标准值为361.57N/mm 。由此说明在大多 数情况下,设计中采用的钢筋设计强度(Ⅱ级钢筋为 300N/mm2)相比于实际强度也有较大的安全裕量。 2某工程实例中各种计算方法的计算结果 2.1工程实例及荷载计算 图1为某办公楼的局部现浇楼面示意图。其中 梁L一1为钢筋混凝土梁,截面尺寸为b×h=250mm X -494・ 建筑技术 第48卷第5期 500mm;混凝土强度等级为C30,钢筋为Ⅱ级钢, 计算得到跨中所需的配筋量A =986 mm 。 4按美国设计标准的计算结果 梁L一1跨度为6m,楼面板厚度为120mm,梁间 2.由于美国所采用的钢筋种类与我国不同,计算 距(中到中)为4 m。按现行《荷载规范》 计算 时钢筋强度指标仍采用Ⅱ级钢的设计强度值。而永久 荷载。 荷载和可变荷载的荷载分项系数 踟分别采用1.4和 1.7,计算得到跨中所需的配筋量:A =1 383 mm 。 2.5各种方法计算结果分析 以按现行规范计算结果为基准,将其他方法计算 所需的配筋量除以按现行规范计算所需的配筋量,得 图1某办公楼局部现浇楼面示意 板上自重荷载(包括粉刷)3.75kN/m ;板上可 变荷载2.0kN/m ;传到梁上的(包括梁自重)永久 荷载标准值ql=17.4kN/m。 传到梁上的可变荷载标准值g =8.0 kN/m。 引入永久荷载的分项系数),。和可变荷载的分项 系数 。,用于梁L.1上设计荷载: q=yG×q1+),0×g2=32.08 kN/m (3) 2.2 按现行《混凝土规范》方法计算图1中L.1的 结果 (1)按规范荷载、材料强度均取设计值。 简支梁跨中弯矩: : ×32.8 08×6 :144.36(kN.m1, 根据钢筋混凝土受弯构件的配筋计算方法,计算 得到跨中所需的配筋量As=ll40mm2。 (2)荷载取标准值、材料强度取设计值。 按现行规范所示方法,荷载取标准值,不考 虑乘以荷载分项系数。计算得跨中所需的配筋量 A。=879 mm 。 (3)材料强度取标准值、荷载取设计值。 按现行规范所示方法,但材料强度取标准值,不 考虑除以材料强度的分项系数。计算得到跨中所需的 配筋量A =986mm 。 (4)荷载和材料强度均取标准值。 按现行规范所示方法,荷载、材料强度均取标准 值,计算得到跨中所需的配筋量A =768 mm 。 2-3 按TJ1O—l974老《混凝土规范》和TJ9—1974 老《荷载规范》 当时的办公室可变荷载标准值 取150kg/m2。 到配筋量比例系数 。将上述各方法 的计算结果 在表1中列出。 表1各计算方法的计算结果 跨中弯矩 所需钢筋 配筋量 序号 计算方法 M| A。/ 比例系数 (Irf 。m) mm 1 按现行规范计算 l44.4 I140 1.O 按现 荷载取标准值,材料强 ll4_3 879 O行规 度取设计值 .772 2 范的 荷载取设计值,材料强 l44计算 度取标准值 .4 986 0 865 方法 荷载和材料强度均取 标准值 114.3 768 0.674 3 按T儿O一1974老《混凝土规范》计算 l6O.0 986 0 865 4 按美国设计标准计算 l71.O 1383 1.214 从表1可看出,如果荷载和材料强度依次按标 准值计算,所需配筋量只有原来的77%和86%; 如果荷载和材料强度均按标准值计算,所需配筋量 只有原来的67%。须注意荷载标准值和材料强度 标准值,均不是其平均值,而是已具有95%以上 的保证率,为此在建筑物鉴定时,结构验算中荷载 和材料强度的取值应可不同于设计规范。 由此可以解释建筑物鉴定时,结构实配钢筋量比 按现行规范计算所需钢筋量少很多(如30%),而实 际建筑物无任何开裂受损的现象,结构仍是安全的。 为此,在建筑物鉴定时,结构验算要根据建筑物的现 状进行符合实际的结构计算。 表1还列出了按TJ10一l974老《混凝土规范》H] 和美国设计标准『8 计算得到的配筋量,分别为按现行 规范计算得到配筋数量的0.865倍和1.214倍。TJ10 —1974老《混凝土规范》是在我国经济不富裕的情 况时颁布的,随着我国经济的发展,现行规范关于结 构安全度标准提高了,相应的结构构件的配筋量增加 了,不能以现在的标准去评论老规范的相关规定。新 老规范之间关于结构承载力的差异归根结底是对前述 2017年5月 张东岭,等:既有建筑物鉴定时对结构安全分析评定的探讨 的“失效概率”容忍度的不同。同样用美国的设计标 4结论与建议 准来评论我国现行规范的结构安全度过低也是不对 (1)建筑物鉴定时,评定结构安全的依据应该 的。美国的设计标准将失效概率定得很低,这是符合 是“眼见为实”。结构验算要根据建筑物的现场检测 美国的国情。由此可见规范或设计标准对安全度的要 结果和现状进行符合实际的结构计算分析。否则有可 求,是随着不同时期、国情和经济发展情况而确定。 能会得到错误的结论,导致不必要的结构加固,造成 由于既有建筑物的荷载和抗力的随机陛大大减小,失 巨大的浪费。 效概率大大降低,所以既有建筑物结构验算时,应根 据实际情况适当地调整一些标准。 3结构验算时应考虑的有利因素 对于受弯构件,例如连续梁和框架梁,在结构验 算时常常会忽略一些有利因素。 3.1 超静定结构的内力重分布 连续梁的跨中截面往往与支座处(梁端)截面 配筋量相等,或者相差无几。而按弹性计算得到的 梁支座截面负弯矩比跨中截面弯矩要大很多,这样 跨中截面多配的钢筋就得不到充分利用,如果考虑 弹塑性内力重分布,将支座截面的弯矩调下来,相 应跨中弯矩增加,从而达到提高构件的整体承载能 力。而设计人员往往为了方便,或为了增加安全储 备,一般仍采用弹性计算。但对于结构而言,如果 发生破坏失效,必然发生塑性内力重分布。所以对 既有建筑物鉴定的验算以判断其安全性时,应该考 虑内力重分布的有利因素,否则就与实际的受力状 况不相符合。 作为实例,前述的某企业生产楼的鉴定报告中有 l5根被评为不安全的梁,如果采用塑性内力重分布 计算,其中大多数梁则是安全的。以其中一根连续梁 为例,梁的上部和下部分别配置钢筋220和225,梁 两端的配筋与计算所需的配筋比均为0.785;而跨中 的配筋比高达2.95。由此可判别即使按现行《混凝土 规范》计算,此梁不仅没有承载力不够,而且还有富 余,将此梁评为不安全是不正确的。 3.2梁端柱边弯矩的修正 按照钢筋混凝土计算原理,对于计算得到的梁端 弯矩,应将其修正到柱边(支座边),尤其是柱的宽 度较大时,梁的柱边弯矩要比梁端部的弯矩小得多。 例如,当柱宽(支座宽度)为梁的跨度的1/10时, 柱边修正后的弯矩约为梁端部弯矩的70%。 为了防止柱边修正后的弯矩过小,一般还需要做 出:无论柱有多宽,修正后的弯矩不得小于梁端 部弯矩的70%。总之,在对建筑物鉴定时,结构验算 应该考虑梁端柱边弯矩修正的有利因素,以得到正确 的结论。 (2)建筑物鉴定是针对既有建筑物(建筑物是 客观存在的,使用荷载及材料强度等均能通过检测得 到较实际的值),不同于设计新结构,所以结构验算 时,荷载及材料强度的取值可按实际情况,应取标准 值还是取设计值。建议修订相关的建筑物鉴定规范, 制定出适合于结构鉴定(而不是新设计)相应结构安 全评定的条文规定。 (3)建筑物鉴定时结构验算可采用如下方法。 1)当按现行规范结构验算强度严重不足,而 实际结构完好无损时,结构计算时先采用荷载标准 值和材料强度标准值。如果觉得按此计算得到的所 需钢筋数量太少,则建议再按现行设计规范计算, 并将计算结果乘以O.75,以综合评定既有建筑物 安全性。 2)当结构构件已经开裂受损时,则采用现行规 范规定的计算方法,即计算时荷载和材料强度均取设 计值。 3)当建筑物需要加固时,加固设计应采用现行 规范的规定(将加固结构看作新的结构)。 (4)既有建筑物鉴定时结构验算应该考虑“超 静定结构的内力重分布”和“梁端柱边弯矩的修正” 等有利因素,使得结构计算更符合实际受力情况。 参考文献 [1]赵国藩,金伟良,贡金鑫.结构可靠度理论[M].北京:中国建筑 工业出版社,2000. 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