结构检测与鉴定:上部承重结构详解

1)上部承重结构检查项目

上部承重结构子单元安全性鉴定评级包括结构承载功能、结构整体性以及结构侧向位移三个检查项目。 上部结构承载功能的安全性评级,当有条件采用较精确的方法评定时,应在详细调查的基础上,根据结构体系的类型及其空间作用程度,按国家现行标准规定的结构分析方法和结构实际的构造确定合理的计算模型,通过对结构作用效应分析和抗力分析,并结合工程鉴定经验进行评定。

一般情况下,应按上部结构承载功能和结构侧向位移的评级结果,取其中较低一级作为上部承重结构子单元的安全性等级。

2)上部承重结构安全性评定思路

(1)结构体系可靠性概念

在构件层次按承载能力验算结果评级时,《民标》根据《统一标准》给出了基于可靠度指标的明确等级划分。 然而,上部承重结构与构件不同,其具有完整的系统特征与功能,需运用结构体系可靠性的概念和方法才能进行鉴定。 迄今为止,结构体系可靠性理论研究尚不成熟,即使有些结构可以进行可靠度计算,但其结果却由于对实物特征作了过分简化而难以直接用于实际工程的鉴定。

结构可靠性理论在工程应用中的方式,可以随着目的和要求的不同而改变。 对已建成建筑物进行可靠性鉴定,其主要目的在于以检查项目的评定结果作为对建筑物进行维修、加固、改造或拆除做出合理决策和进行科学管理的依据。 考虑结构可靠性理论发展不完善的现状,在上部承重结构安全性评定中,可不要求计算的高精度,而是在众多随机因素和模糊量干扰的复杂情况下,能有一个简便可信的宏观判别工具即可。

长期的民用建筑鉴定经验表明,当上部承重结构子单元评定为“整体承载正常”“尚不显著影响整体承载”和“已影响整体承载”,即对应表6.2 中Au 级、Bu 级和Cu 级时,除了作为主成分的构件分别为au 级、bu 级和cu 级外,还可能不同程度地存在着较低等级的构件。 这一普遍现象,不仅是长期鉴定经验的集中反映,也是有经验专家凭其直觉对结构体系目标可靠度所具有的一定调幅尺度的运用。 研究表明,若以构件所评等级为基础,对上部承重结构进行系统分析,可建立一个包含少量低等级构件为特征的结构体系安全性等级的评定模式,以分级界限来替代调幅尺度的确定,这既引入了结构体系可靠性概念,又大大简化了上部承重结构的安全性鉴定工作。

(2)构件集概念

根据构件失效的连锁反应及其造成的危害程度,构件可以分为主要构件和一般构件。 其中,主要构件指自身失效将导致其他构件失效,并危及承重结构系统安全工作的构件,如剪力墙、框架柱、主梁等；次要构件指其自身失效为孤立事件,不会导致其他构件失效的构件,如板、次梁等。

同种构件的集合则称为构件集,基于主要构件和次要构件的划分,构件集也划分为主要构件集和一般构件集。 如一般情况下,在混凝土结构中,主要构件集可划分为框架柱、框架梁、剪力墙等；次要构件集可划分为次梁、板等。 需要说明的是,在根据安全性相关参数划分构件集时,仅按构件的受力性质及其重要性划分种类,而不必按其几何尺寸等作进一步细分。例如:以楼盖主梁作为一种构件集即可,无须按跨度、截面大小和配筋再细分,对于构件集未进行细分而产生的影响,可通过现场抽样方案等进行综合考虑。

(3)代表层概念

在“构件集”概念的基础上可以建立构件集的分级模式,并确定每个等级允许出现的低一级构件百分比含量的界限值。 但这一方法还只适用于单层结构,因为随着层数的增加,检测与评定的工作量越来越大,需要考虑的影响因素也越来越多,以致影响了其实用性。 为了将该模式用于多、高层结构体系中,需引入“代表层”的概念,并以代表层评定结果来描述该多、高层结构的安全性。

经概率统计研究分析,当上部承重结构可视为由平面结构(楼、屋面层)组成的体系,且其构件工作不存在系统性因素的影响时,可在多、高层房屋的标准层中随机抽取 层为代表层作为评定对象,其中m 通常取为该鉴定单元房屋的层数。 若 为非整数,应多取一层；对一般单层房屋,宜以原设计的每一计算单元为一区,并应随机抽取 区为代表区作为评定对象。 在实际工程中,基于稳健取值的原则,除以上随机抽取的标准层外,尚应另增底层和顶层,以及高层建筑的转换层和避难层为代表层。 上述所谓的标准层没有明确定义,但并非指结构设计完全相同的楼层,参照构件集的划分原则,一般情况下可将除底层、顶层、转换层、加强层和避难层等之外的普通楼层均视为标准层；代表层构件包括该层楼板及其下的梁、柱、墙等。

现有基于概率统计分析的代表层数量的计算理论并不完善,上述方法也只给出了代表层划分的基本原则和最小数量取值。 由此可见,代表层的数量并非唯一,鉴定人员可以在上述原则基础上,结合具体工程情况进行确定。

(4)上部承重结构安全性分级模式

综上所述,以“构件集”和“代表层”概念为基础,以下列条件和要求为依据,建立构件集、代表层以及子单元的分级模式:

①在任一个等级的构件集内,若不存在系统性因素影响,其出现低于该等级的构件纯属随机事件,亦即其出现的量应是很小的,其分布应是无规律的,不致引起系统效应。

②在以某等级构件为主成分的构件集内出现的低等级构件,其等级仅允许比主成分的等级低一级。 若低等级构件为鉴定时已处于破坏状态的du 级构件或可能发生脆性破坏的cu 级构件,尚应单独考虑其对该构件集安全性可能造成的影响。

③利用系统分解原理,在每种构件集等级、代表层等级评定的基础上再评定上部结构承载功能的等级,然后结合该结构的上部结构承载功能、整体性和结构侧移等的等级进行综合评定,以使结构体系的计算分析得到简化。

④当采用理论分析结果为参照物时,应要求:按允许含有低等级构件的分级方案构成的某个等级结构体系,其失效概率运算值与全由该等级构件(不含低等级构件)组成的“基本体系”相比,应无显著的增大。

3)上部结构承载功能

上部结构承载功能安全性等级的评定,应从构件开始,依次到构件集、代表层,最后评定上部结构承载功能安全性等级。

(1)构件集

首先,按结构分析或构件校核所采用的计算模型,将代表层(或区)中的承重构件划分为若干主要构件集和一般构件集,然后分别进行评定。

①主要构件集。

在代表层(区)中,评定一种主要构件集的安全性等级时,可根据该种构件集内每一受检构件的评定结果,按表6.16 的分级标准评级。 需注意的是,应评定构件集内每一构件,而不仅是现场抽样检测构件。

表6.16　主要构件集安全性等级的评定

②一般构件集。

在代表层(或区)中,评定一种一般构件集的安全性等级时,可根据该种构件集内每一受检构件的评定结果,按表6.17 的分级标准评级。

表6.17　一般构件集安全性等级的评定

(2)代表层

各代表层(区,以下同)的安全性等级,应按该代表层中各主要构件集中的最低等级确定。当代表层中一般构件集的最低等级比主要构件集最低等级低二级或三级时,该代表层所评的安全性等级应降一级或二级。

(3)上部结构承载功能评级

上部结构承载功能的安全性等级,可按下列规定确定:

①Au 级:不含Cu 级和Du 级代表层；可含Bu 级,但含量不多于30%。

②Bu 级:不含Du 级代表层；可含Cu 级,但含量不多于15%。

③Cu 级:可含Cu 级和Du 级代表层；当仅含Cu 级时,其含量不多于50%；当仅含Du 级时,其含量不多于10%；当同时含有Cu 级和Du 级时,其Cu 级含量不应多于25%,Du 级含量不多于5%。(www.xing528.com)

④Du 级:其Cu 级或Du 级代表层的含量多于Cu 级的规定数。

由上可见,在某一承载功能等级的上部结构中,仍允许出现低一个等级的代表层。

4)结构整体性

结构整体性是由构件之间的锚固拉结系统、抗侧力(支撑)系统、圈梁系统等共同工作形成的。 它们不仅是实现设计者关于结构工作状态和边界条件假设的重要保证,而且是保持结构空间刚度和整体稳定性的首要条件。 离开了它们,便很难判断各个承重构件是否能正常传力,并协调一致地共同承受各种作用。 但国内外对建筑物损坏和倒塌情况所做的调查与统计表明,由于在结构整体性构造方面设计考虑欠妥,或施工、使用不当所造成的安全问题,在各种安全性问题中占有不小的比重,应给予足够重视。

当评定结构整体性等级时,可按表6.18 的规定,先评定其每一检查项目的等级。 若各检查项目均不低于Bu 级,可按占多数的等级确定；若仅一个检查项目低于Bu 级,可根据实际情况定为Bu 级或Cu 级。 每个项目评定结果取Au 级或Bu 级,应根据其实际完好程度确定；取Cu 级或Du 级,应根据其实际严重程度确定。

表6.18　结构整体牢固性等级的评定

这里需要强调的是,结构整体性的检查与评定,不仅现场工作量很大,而且每一部分功能的正常与否,均对保持结构体系的整体承载与传力起到举足轻重的作用。 因此,应逐项进行彻底检查,才能对这个涉及建筑物整体安全性的问题作出确切的鉴定结论。

5)上部承重结构不适于承载的侧向位移

当已建成建筑物出现的侧向位移(或倾斜,以下同)过大时,将对上部承重结构的安全性产生显著的影响,故应将它列为上部承重结构子单元的检查项目之一。 影响上部结构侧向位移的因素较多,其在上部承重结构中作用的特点也有不同,但目前通常以检测得到的总位移值作为鉴定的依据。 现场检测的侧向总位移值可能由下列各成分组成:

①检测期间风荷载引起的静力侧移和对静态位置的脉动；

②过去某时段风荷载及其他水平作用(如地震)共同遗留的侧向残余变形；

③结构过大偏差造成的倾斜；

④不均匀沉降造成的倾斜。

需要说明的是,上述第4 款与《民标》所指不同。 根据《民标》条文说明,影响安全的地基不均匀沉降已划归地基基础子单元进行评定,因此第4 款中应为“数值不大但很难从总位移中分离的不均匀沉降造成的倾斜”,即总位移应扣除基础沉降产生的侧向位移。 本书之所以未采纳《民标》条文说明建议,而认为总位移应包括基础沉降产生的侧向位移,原因如下:首先,各种影响因素产生的侧向位移是共同对上部结构产生作用的,即基础沉降作用同样对上部结构产生内力,因此在上部承重结构安全性分析时理应考虑,这与地基基础安全性鉴定中已考虑沉降影响并不重叠和矛盾,因为鉴定对象不同。 例如,当单独委托对上部承重结构子单元进行安全性鉴定时,若将现场检测得到的总侧向位移扣除显著不均匀沉降造成的倾斜影响,则可能造成评定错误。 其次,从总位移中分离不均匀沉降造成的倾斜存在困难。

因此,对上部承重结构不适于承载的侧向位移,可根据其检测出总的侧向位移结果,按下列规定评级:

①当检测值已超出表6.19 界限,且有部分构件(含连接、节点域,以下同)出现裂缝、变形或其他局部损坏迹象时,应根据实际严重程度定为Cu 级或Du 级。

②当检测值虽已超出表6.19 界限,但尚未发现上款所述情况时,应进一步进行计入该位移影响的结构内力计算分析,并按构件层次安全性评定的相关规定,验算各构件的承载能力。若验算结果均不低于bu 级,仍可将该结构定为Bu 级,但宜附加观察使用一段时间的限制；若构件承载能力的验算结果有低于bu 级时,应定为Cu 级。 其中,对某些构造复杂的砌体结构,若进行考虑位移影响的计算分析有困难,也可直接按表6.19 规定的界限值评级。 表中H 为结构顶点高度；Hi 为第i 层层间高度；墙包括带壁柱墙。

表6.19　各类结构不适于承载的侧向位移等级的评定

续表

6)上部承重结构子单元

在上部结构安全性评定思路和分级模式的基础上,同时考虑低等级构件可能出现的不利分布、组合和可能产生的系统效应,以及民用建筑安全的社会敏感性和重要性,上部承重结构子单元的安全性等级应按下列原则确定:

①一般情况下,应按上部结构承载功能和结构侧向位移检查项目的评级结果,取其中较低一级作为上部承重结构子单元的安全性等级。

②当上部承重结构按上款评为Bu 级,但若发现各主要构件集所含的cu 级构件(或其节点、连接域)处于下列情况之一时,宜将所评等级降为Cu 级:

a.出现cu 级构件交汇的节点连接；

b.不止一个cu 级存在于人群密集场所或其他破坏后果严重的部位。

③当上部承重结构按第1 款评为Cu 级,但若发现其主要构件集有下列情况之一时,宜将所评等级降为Du 级。

a.多层或高层房屋中,其底层柱集为Cu 级；

b.多层或高层房屋的底层,或任一空旷层,或框支剪力墙结构的框架层的柱集为Du 级；

c.在人群密集场所或其他破坏后果严重部位,出现不止一个du 级构件；

d.任何种类房屋中,有50%以上的构件为cu 级。

④当上部承重结构按第1 款评为Au 级或Bu 级,而结构整体性等级为Cu 级或Du 级时,应将所评的上部承重结构安全性等级降为Cu 级。

⑤当上部承重结构在按以上规定作了调整后仍为Au 级或Bu 级,但若发现被评为Cu 级或Du 级的一般构件集,已被设计成参与支撑系统或其他抗侧力系统工作,或已在抗震加固中,加强了其与主要构件集的锚固时,应将上部承重结构所评的安全性等级降为Cu 级。

7)其他

①对检测、评估认为可能存在整体稳定性问题的大跨度结构,应根据实际检测结果建立计算模型,采用可行的结构分析方法进行整体稳定性验算。 若验算结果尚能满足设计要求,仍可评为Bu 级；若验算结果不满足设计要求,应根据其严重程度评定为Cu 级或Du 级,并应参与上部承重结构安全性等级评定。

②当建筑物受到振动作用引起使用者对结构安全表示担心,或振动引起的结构构件损伤已可通过目测判定时,应按《民标》附录M 的规定进行检测与评定。 若评定结果对结构安全性有影响,应将上部承重结构安全性鉴定所评等级降低一级,且不应高于Cu 级。