建筑结构安全性鉴定中部分问题的分析
0 引言
既有建筑结构安全性鉴定在我国现阶段建设周期中所占的比重逐渐增加,然而目前与安全性鉴定相关的规范、标准体系中仍存在以下几方面问题,致使相关从业者在具体鉴定工作中面临一定程度的困难,同时也降低了安全性鉴定的科学性、合理性、准确性。
第一,目前与安全性鉴定密切相关的《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB 50292—2015)
第二,另一个常见问题是安全性鉴定是否需要考虑地震作用的影响,即在承载力计算时是否需要考虑地震作用及构造检测时是否需要检测与抗震措施有关的构造项目。民用建筑可靠性标准在其1.0.3条条文说明中虽明确说明抗震设防区的民用建筑进行可靠性鉴定时应与现行《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—2009)
第三,民用建筑可靠性标准采用“构件—子单元—整体结构”三个层面进行结构安全性等级的鉴定,并通过统计不同构件等级所占百分比的方式对子单元的安全性等级进行评定。此种做法未有效考虑结构的内力重分布能力,即某构件破坏后,结构本身会通过内力重分布作用在剩余结构中建立新的传力途径直至结构最终倒塌的能力。
本文针对以上问题从结构安全性鉴定是否需要考虑地震作用、如何考虑地震作用、基于“系统性能”的安全性鉴定及鉴定中的部分建议展开论述,以期抛砖引玉,引起更多鉴定从业人员对上述问题的讨论与思考,最终彻底解决上述问题,进一步推动结构安全性鉴定科学、合理、准确地开展。
1 结构安全性鉴定是否需要考虑地震作用
要回答此问题必须明确结构的定义及属性、地震作用的性质及结构安全性的定义,本节就上述3个问题展开讨论。
1.1 结构的定义及属性
《工程结构可靠性设计统一标准》(GB 50153—2008)
综合上述定义可发现工程结构具有两大主要属性,其一是传递荷载,其二是具有系统属性,因此可定义结构为由具有适当刚度的构件组合而成的可以传递荷载的系统。
1.2 地震作用的性质
《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)
荷载规范的10.1.1条指出:偶然荷载应包括爆炸、撞击、火灾及其他偶然出现的灾害引起的荷载,并在其条文说明中指出,产生偶然荷载的因素很多,如由炸药、燃气、粉尘、压力容器等引起的爆炸,机动车、飞行器、电梯等运动物体引起的撞击,罕遇出现的风、雪、洪水等自然灾害及地震灾害等等。10.1.1条及其条文说明明确指出地震作用属于偶然荷载(作用)。
工程结构可靠性标准及荷载规范中对偶然作用(荷载)的定义为:在设计使用年限内不一定出现,而一旦出现其量值很大,且持续期很短的作用(荷载)。
地震恰恰是在设计使用年限内(或目标使用年限内)不一定出现,而一旦出现其量值很大,甚至远远超出结构的自重及其活荷载,且一般持续时间仅为几秒至几十秒,但其产生的危害却是巨大的,如汶川地震持续约96s,但其造成的损失却是触目惊心的。
因此,根据偶然作用(荷载)定义可知地震作用无疑属于偶然作用,荷载规范的3.1.1条与10.1.1条条文说明产生的出入应为措辞不严谨所致。
1.3 结构安全性的定义
《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068—2001)
建筑结构可靠度标准在1.0.7条规定结构在规定的设计使用年限内应满足下列四项功能:1)正常施工和正常使用时能承受可能出现的各种作用;2)正常使用时具有良好的工作性能;3)正常维护下具有足够的耐久性能;4)设计规定的偶然事件发生时及发生后仍能保持必需的整体稳定性。并在其条文说明中指出第1),4)两项是结构安全性的要求,第2)项与第3)项分别为适用性与耐久性的要求。
工程结构可靠性标准在3.1.2条规定结构应满足下列五项功能要求:1)能承受在施工和使用期间可能出现的各种作用;2)保持良好的使用性能;3)具有足够的耐久性能;4)当发生火灾时在规定的时间内可保持足够的承载力;5)当发生爆炸、撞击、人为错误等偶然事件时,结构能保持必须的整体稳固性,不出现与起因不相称的破坏后果,防止出现结构的连续倒塌。并在其条文说明中指出第1),4),5)三项是结构安全性的要求,第2)项与第3)项分别为适用性与耐久性的要求。
因此,结合可靠性的定义及结构应满足的功能要求,本文对结构安全性的定义如下:结构安全性为结构在规定时间内、规定条件下、完成预定承载功能的能力。
“结构”应理解为荷载传力路径上的构件及其组成的构件系统,即房屋建筑中设计用以传递荷载的相关构件及其系统,不包含如框架结构填充墙之类的设计时不考虑其承载功能的构件。
“规定时间”应理解为民用建筑可靠性标准中的目标使用年限,即鉴定时建筑产权人所期望的能继续正常使用的年限,在规定条件下,此年限内建筑不需重新鉴定或相应加固就能按预期目的使用、完成预定功能,该年限与设计使用年限不同,对拟建建筑而言与设计使用年限相同。
“规定条件”应理解为鉴定时所规定或面临的荷载、使用及维护条件,当需要进行加固改造等相关处理时则应理解为正常设计、正常施工、正常使用及维护的条件。对拟建建筑应为设计所规定或要求的荷载条件、使用条件、维护保养条件等,但均不考虑人为过失的影响。
“预定”应理解为在规定时间内能承受各种可能出现的、在鉴定中规定或面临的各种作用,包括永久作用、可变作用、施工作用、偶然作用(火灾、爆炸、撞击等),对拟建建筑是设计规定的可能出现的各种作用。
“承载功能”应从系统角度理解结构的承载功能,不可孤立地关注结构构件的承载功能,同时对使用性及不影响承载功能的耐久性可不予关注,但对影响承载功能的耐久性给予充分关注,对于偶然作用发生时(包括人为过失)的承载功能应理解为结构能保持必须的整体稳固性,不出现与起因不相称的破坏后果,防止出现结构的连续倒塌。
1.4 安全性鉴定是否要考虑地震作用
民用建筑可靠性标准在1.0.3条条文说明及工业建筑可靠性标准在1.0.4条条文说明中均明确指出抗震设防区系指抗震设防烈度不低于6度的地区,修建在抗震设防区的民用建筑进行可靠性(包含安全性、适用性和耐久性)鉴定时应与国家现行抗震鉴定标准的抗震鉴定结合进行。
结合民用建筑可靠性标准与工程结构可靠性标准相关要求、建筑结构功能要求及本文安全性定义,可明确对修建在抗震设防区的建筑进行安全性鉴定时必须考虑地震作用,且应结合抗震鉴定标准等相关标准的要求在安全性鉴定工作中对地震作用的计算、抗震措施及抗震构造措施等问题进行合理鉴定。
2 安全性鉴定中如何考虑地震作用
民用建筑可靠性标准按照Asu,Bsu,Csu及Dsu四个等级提供安全性鉴定结论,而抗震鉴定标准仅按照是否满足抗震鉴定要求提供抗震是否合格的鉴定结论,并不提供分级结论,显然,如何将分级结论与是否合格的结论合理结合使用是工程使用中面临的首要问题。
目前,较为普遍的做法是采取静力作用下鉴定“结构安全性”等级,然后再进行抗震性能鉴定,即仅考虑永久作用与可变作用下对结构进行建模并计算分析,按照民用建筑可靠性标准相关条款进行“结构安全性”鉴定并提供安全性等级,然后按照抗震鉴定标准相关条款提供抗震性能鉴定结论。
首先,采用上述方法所得“结构安全性等级”显然与工程结构可靠性标准及建筑结构可靠度标准规定的结构在规定设计使用年限内应满足的功能中与安全性有关的内容不符,也就意味着该“安全性”不是真正的结构安全性,因其未考虑地震作用等偶然作用对结构承载功能的影响,即使按抗震鉴定标准提供抗震性能鉴定结论以补充地震作用对结构承载功能的影响也不能合理反映真实的结构安全性。
其次,采用上述方法会面临构造评级时按抗震构造措施还是非抗震构造措施检测及评级的两难局面,即若按抗震构造措施检测,则计算不考虑地震而构造考虑抗震要求显然不合理,若按非抗震构造措施检测则无法从构造层面充分反映建筑结构是否满足工程结构可靠性标准及建筑结构可靠度标准中规定的“结构在地震作用等偶然作用下保持必须的整体稳固性”的要求。
因此,本节从鉴定原则与构造评级两方面建议采用以下方法将民用建筑可靠性标准与抗震鉴定标准进行结合。
2.1 鉴定原则
采用抗震鉴定标准规定的A,B,C三类建筑、遵循民用建筑可靠性标准的安全性鉴定流程及思路,按下列原则进行民用建筑结构安全性鉴定:
首先,按照业主期望的目标使用年限、结合抗震鉴定标准规定的A,B,C三类建筑,对被鉴定建筑进行合理分类。
然后,构件承载力验算应采用不考虑地震作用内力组合和考虑地震作用内力组合两种情况,根据R/γ0S或R/γRES的不同值按民用建筑可靠性标准的相关规定对结构构件的承载能力进行鉴定,鉴定时应按R/γ0S或R/γRES的最小值确定构件承载能力等级。
第三,按照抗震鉴定标准及抗震规范中相关抗震措施的规定进行构造评级。
第四,按民用建筑可靠性标准的规定完成不适于承载的位移或变形、裂缝或其他损伤两个项目的鉴定。
第五,结合承载能力、构造、不适于承载的位移或变形、裂缝或其他损伤的安全性等级,按照民用建筑可靠性标准的相关规定完成构件安全性等级的鉴定。
最后,按照民用建筑可靠性标准的相关规定完成建筑结构安全性等级的鉴定工作。
工业建筑安全性鉴定同样参照上述原则鉴定。
2.2 构造评级方法
因需要考虑地震作用的影响,故结构安全性鉴定时应将构造理解为抗震措施(包含抗震构造措施),并按如下方法进行构造评级:
对A类建筑:当各项构造均符合或高于抗震鉴定标准中B类建筑的规定时可评为au级;当各项构造均符合抗震鉴定标准中A类建筑的规定但不符合B类建筑的规定时可评为bu级;当构造不符合工业建筑可靠性标准中A类建筑的规定时由鉴定人员根据不符合程度评为cu或du级。
对B类建筑:当各项构造均符合或高于抗震规范的规定时可评为au级;当各项构造均符合抗震鉴定标准中B类建筑的规定但不符合抗震规范规定时可评为bu级;当构造不符合抗震鉴定标准中B类建筑的规定时由鉴定人员根据不符合程度评为cu或du级。
对C类建筑,当各项构造均符合或高于抗震规范及其相关现行规范要求时,由鉴定人员根据检测情况评为au或bu级;当构造不符合抗震规范及其相关现行规范要求时,由鉴定人员根据不符合程度评为cu或du级。
3 对现行鉴定标准的部分建议
3.1 目标使用年限与后续使用年限
民用建筑可靠性标准明确指出“目标使用年限”为民用建筑鉴定时,建筑产权人所期望的能继续使用的年限,并在3.1.3条明确提出建筑结构的目标使用年限应由建筑产权人和鉴定机构共同商定,但未明确目标使用年限的具体确定方法,也未明确针对不同目标使用年限应采取何种不同鉴定方法,从而造成鉴定人员在面临业主提出不同目标使用年限时不知该选用何种鉴定方法的困难。
同时抗震鉴定标准明确定义“后续使用年限”是指对现有建筑经抗震鉴定后继续使用所约定的一个时期,在这个时期内建筑不需重新鉴定和相应的加固就能按预期目的使用、完成预定的功能,该定义与目标使用年限具有一定的相似之处。
因此,为解决不同目标使用年限时不同鉴定方法选择的问题,本文建议将目标使用年限与后续使用年限等价,按照抗震鉴定标准中1.0.4条及1.0.5条的规定将既有建筑分为A,B,C三类,并按该标准针对不同类型建筑的相关规定进行承载能力分析和抗震措施(抗震构造措施)鉴定,此种做法具有较强的可操作性。
3.2 建筑后续使用年限与抗震鉴定方法
抗震鉴定标准中1.0.4条及1.0.5条按照后续使用年限将既有建筑分为A,B,C三类,此法在工程应用上具有较强的可操作性,然而,随着各种结构设计规范及抗震设计规范版本的更新,抗震鉴定标准的分类在实际使用中出现了不同程度的问题。
考虑到目前仍存在一定数量的89版规范正式执行前设计建造的建筑,因此,本文建议将抗震鉴定标准中三类建筑改为下列四类建筑:
A类建筑:指89版规范正式执行前设计建造的房屋建筑,考虑到即使是1989年这一时间建造的房屋也已使用了27年,故其后续使用年限宜采用30年且不应少于20年。
B类建筑:指89版规范正式执行后且01版规范正式执行前设计建造的房屋建筑,其后续使用年限应采用30年,宜采用40年且不应低于30年。
C类建筑:指01版规范正式执行后且10版规范正式执行前设计建造的房屋建筑,其后续使用年限应采用40年,宜采用50年且不应低于40年。
D类建筑:通常指10版规范正式执行后设计建造的房屋建筑,其后续使用年限应采用50年。
因静力下的构造措施在不同版本的规范中变化较小,故上述分类中的89版规范、01版规范及10版规范主要针对与抗震有关的规范。
上述划分的四类建筑的抗震措施及其构造措施的相关要求需进一步开展相关研究以合理确定。
3.3 基于“系统性能”的安全性鉴定
实际的建筑结构,特别是为抵御地震作用而采用多道防线设计的建筑结构,是一个复杂的“串并联系统”,服役过程中每个建筑的结构会根据自身特点及外部荷载特性形成特有的“鲁棒性路径”以承担外部荷载,并且该路径是以最低的代价(或最高效率)承载尽可能大的外部荷载以满足结构承载功能,当该路径上某一构件失效后,结构会通过内力重分布作用在剩余构件中重新建立起以最低代价承载的“鲁棒性路径”继续抵御外部荷载直到结构剩余部分无法承担既有荷载而倒塌。
如文献
文献
然而,民用建筑可靠性标准仍采用“构件—子单元—整体结构”三个层面进行安全性鉴定,且构件的安全性等级按照承载能力、构造、不适于承载的位移或变形、裂缝或损伤等四个项目分别评定每一受检构件等级,并取其中最低一级作为该构件的安全性等级。且民用建筑可靠性标准在7.3.1条规定子单元的安全性等级应根据其结构承载功能等级、结构整体性等级及结构侧向位移等级的评定结果进行确定。
同时,通过民用建筑可靠性标准的7.3.5~7.3.8条规定可知:1)构件集安全性等级依据不同安全性等级构件数量占总构件数量的比值进行评定,且只要包含du级构件即判定该构件集的安全性等级低于Bu级;2)按主要构件集的最低等级确定各代表层(或区)的安全性等级;3)只要包含Du级代表层(或区)即判定上部结构承载功能的安全性等级低于Bu级。
因此,明显可见民用建筑可靠性标准规定只要结构的某一位置出现一个du级构件,则该结构上部结构承载功能的安全性等级必然低于Bu级而仅能为Cu或Du级。
民用建筑可靠性标准针对构件与子单元结构承载功能等级鉴定方法存在以下三个主要问题:
第一,构件鉴定评级未考虑抗震规范中3.10.3条3款规定“当构件的承载力明显提高时,相应延性构造可适当降低”的原则,即忽视了构件的承载能力是其承载力与其延性相匹配的综合性能的特点。
第二,上部结构承载功能鉴定评级的规定明显是将建筑结构作为一个“串联系统”进行分析,即上部结构的承载功能等级完全取决于其最低等级构件的安全性等级,而未考虑上部结构承载功能与结构构件性能、构件间的连接方式、连接有效性、结构传力路径的设置、结构后备能力储备等因素的关系
第三,上部结构承载功能鉴定评级的规定也未有效考虑结构的内力重分布能力,即某构件破坏后,结构本身会通过内力重分布作用在剩余结构中建立新的传力途径直至结构最终倒塌的能力。
故本文建议在结构安全性鉴定时应立足于系统角度、考虑结构内力重分布作用、结合建筑结构的“串并联系统”的性质,采用如下方法对建筑结构的安全性进行鉴定:
构件安全性鉴定时,鉴定人员应结合现行相关规范、标准、结构的目标使用年限及相关经验等,综合考虑构件承载力与其延性对构件承载能力的贡献。
上部结构承载功能安全性鉴定时,若仅个别构件为du级而其他构件均为au或(和)bu级时,可参照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)
4 结论
本文基于与结构安全鉴定相关的现行标准、规范,针对建筑结构安全性鉴定中的部分问题进行论述,得出以下主要结论:
(1)结构为由具有适当刚度的构件组合而成的可以传递荷载的系统,具有传递荷载与系统两大属性,故结构安全性鉴定中宜基于“系统性能”、参照文献
(2)结构安全性定义为结构在规定时间内、规定条件下、完成预定承载功能的能力。
(3)结合民用建筑可靠性标准的要求、建筑结构的功能要求及安全性的定义,明确指出建筑结构安全性鉴定时必须从抗震计算与抗震措施两方面综合考虑地震作用的影响。
(4)鉴定时宜将目标使用年限与后续使用年限等价,即以后续使用年限作为目标使用年限,按照抗震鉴定标准中1.0.4条及1.0.5条的规定将既有建筑分为A,B,C三类建筑,并按该标准针对不同类型建筑的相关规定进行承载能力分析和抗震措施(抗震构造措施)鉴定。
[2]工业建筑可靠性鉴定标准:GB 50144-2008[S].北京:中国计划出版社,2008.
[3]建筑抗震鉴定标准:GB 50023-2009[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.
[4]工程结构可靠性设计统一标准:GB 50153-2008[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.
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[7]建筑结构荷载规范:GB 50009-2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.
[8] 建筑抗震设计规范:GB 50011-2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[9]建筑结构可靠度设计统一标准:GB 50068-2001[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.
[10]周虹霞.既有结构可靠性鉴定方法研究[D].南宁:广西大学,2007.
[11]高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ 3-2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.