既有結構可靠性評定的基本問題和策略探討

蔣利學　朱　雷　李向民

(1.上海市建筑科學研究院, 上海 200032; 2.上海市工程結構新技術重點實驗室, 上海 200032)

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既有結構可靠性評定的基本問題和策略探討

蔣利學1,2,*朱雷1,2李向民1,2

(1.上海市建筑科學研究院, 上海 200032; 2.上海市工程結構新技術重點實驗室, 上海 200032)

摘要對既有結構可靠性評定的基本問題和策略進行探討。從我國結構設計統(tǒng)一標準的基本要求出發(fā),提出了既有結構可靠性評定的基本原則,分析了既有結構可靠性評定應解決的幾個突出問題。為解決這些問題,提出安全水準多元化、使用年限目標化、管理措施具體化、檢測評定精細化、抗震鑒定性能化等五個方面的策略。

關鍵詞既有結構, 可靠性評定, 整體穩(wěn)固性, 性能化評定, 策略

Discuss on the Basic Problems and Strategies for the ReliabilityAssessment of Existing Structures

JIANG Lixue1,2,*ZHU Lei1,2LI Xiangmin1,2

(1.Shanghai Research Institute of Building Sciences, Shanghai 200032, China;

2.Shanghai Key Laboratory of New Technology Research on Engineering Structure, Shanghai 200032, China)

AbstractThe basic problems and strategies for the reliability assessment of existing structures were discussed in the paper. Based on the basic requirements of the Chinese unified standard for structural design, the principles for the reliability assessment of existing structures were put forward. The main problems for the reliability assessment of existing structures were analyzed. Five strategies were proposed to solve these problems, such as diversified safety standards, targeted service life, specific management measures, refined inspection and assessment, and performance-based seismic appraisal.

Keywordsexisting structure, reliability assessment, overall stability, performance-based assessment, strategy

1引言

工程結構的可靠性是指結構在規(guī)定的時間內(nèi),在規(guī)定的條件下完成預定功能的能力。對擬建結構而言,“規(guī)定的時間”指設計使用年限,“規(guī)定的條件”包括正常設計、正常施工、正常使用和維護,“預定功能”一般用承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)來度量。從這個定義可以看出,結構可靠性包含安全性、適用性(正常使用性)和耐久性三個方面的要求。應該特別指出的是,按照我國國家標準《工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》(GB 50153—2008)[1]的規(guī)定,安全性不僅指正常使用條件下的安全性即“使用安全性”,還應包括發(fā)生火災、爆炸、撞擊或人為錯誤等偶然事件時,結構整體能保持穩(wěn)固且不出現(xiàn)與起因不相稱的破壞后果(連續(xù)倒塌等)的能力,即“整體穩(wěn)固性”(或稱整體牢固性、結構魯棒性),在抗震設防區(qū),還包括“抗震安全性”?？梢?結構的可靠性可細分為使用安全性、適用性、耐久性、整體穩(wěn)固性、抗震安全性等五個方面的具體要求。

以往我國的結構設計規(guī)范對整體穩(wěn)固性未提出要求。2001年美國紐約“9.11”事件發(fā)生的同一年,我國《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》(GB 50068—2001)[2]首次提出整體穩(wěn)固性的要求,但僅指“在設計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時,結構仍能保持必要的整體穩(wěn)固性”。表面理解即設計事先有規(guī)定時,應考慮設計規(guī)定的偶然作用下的整體穩(wěn)固性問題;若設計事先未規(guī)定,則可不考慮整體穩(wěn)固性問題。而2000年左右各結構設計規(guī)范幾乎均未規(guī)定偶然作用下的整體穩(wěn)固性設計要求,因此真正考慮整體穩(wěn)固性設計的可能僅為個別特別重要的建筑?！豆こ探Y構可靠性設計統(tǒng)一標準》(GB 50153—2008)[1]對所有結構提出了整體穩(wěn)固性的要求,當然具體措施上有區(qū)別:對重要的結構,應采取必要的措施,防止出現(xiàn)結構連續(xù)倒塌;對一般的結構,宜采取適當?shù)拇胧?防止出現(xiàn)結構連續(xù)倒塌。即對一般結構,只需進行整體穩(wěn)固性的概念設計,同時提出管理措施的要求。新一代的結構設計規(guī)范尚在陸續(xù)制訂過程中,從新頒布的《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010—2010)[3]和《砌體結構設計規(guī)范》(GB 50003—2011)[4]來看,有些內(nèi)容確實體現(xiàn)了整體穩(wěn)固性設計的要求。

隨著時代的進步和以人為本理念的深入人心,對建筑結構的可靠性提出越來越高、越來越全面的要求是必然的趨勢,耐久性、整體穩(wěn)固性等新要求的提出是近幾十年來結構可靠性要求提高的主要體現(xiàn)。但我國現(xiàn)有標準[5-6]對既有結構可靠性評定的要求主要體現(xiàn)在使用安全性和適用性方面,抗震安全性評定由專門的抗震鑒定標準[7]作出規(guī)定。由于既有結構可靠性評定與擬建結構設計有很大不同,雖然在使用安全性、適用性、抗震安全性評定方面有相關標準作指導,但仍存在不少問題。而隨著統(tǒng)一標準對耐久性、整體穩(wěn)固性等新要求的提出,既有結構評定的問題更加突出。本文對既有結構可靠性評定的基本問題進行探討:首先從我國結構設計統(tǒng)一標準的基本要求出發(fā),提出了既有結構可靠性評定的基本原則,然后分析了既有結構可靠性評定應解決的幾個突出問題,最后提出解決這些問題的策略。

2既有結構可靠性評定的基本原則

既有結構的合理利用符合可持續(xù)發(fā)展的要求。但是既有結構評定與擬建結構設計有很大不同,根據(jù)國家標準《工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》(GB 50153—2008)[1]的相關規(guī)定,既有結構評定時應遵守三大原則:

(1) “最小結構處理”原則。相對于擬建結構而言,要提高相同程度的安全度,既有結構加固付出的經(jīng)濟代價要大得多。不僅如此,加固必然影響正常使用功能,產(chǎn)生垃圾、粉塵、噪聲等不利環(huán)境影響。因此,《工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》(GB 50153—2008)規(guī)定,既有結構的可靠性評定應在保證結構性能的前提下,盡量減少工程處置工作量。這也就是國際標準《結構設計基礎-既有結構的評定》(ISO13822:2003)[8]提出的“最小結構處理”原則。

(2) 根據(jù)現(xiàn)行結構設計規(guī)范的相關要求為依據(jù)的原則。這是國際上對既有結構評定通行的原則,因為若以不同歷史標準為依據(jù),則標準無法統(tǒng)一,必然出現(xiàn)大量矛盾或謬誤,也無法體現(xiàn)技術進步和時代要求提高的特點。但是既有結構評定不是照搬設計規(guī)范的全部規(guī)定,因為既有建筑在評定時是已經(jīng)存在的客觀實體,荷載作用及其歷史、截面尺寸、材料性能等大量信息可以通過檢查檢測獲得,其荷載效應和結構性能的不確定性降低,還可通過限制荷載、加強檢查維護等措施降低安全風險。既有結構評定要考慮上述特點,對結構構件的實際狀況(不是原設計預期狀況)進行評定,這是實現(xiàn)“最小結構處理”原則的具體措施。

(3) 各項性能分開評定和可選擇的原則?！豆こ探Y構可靠性設計統(tǒng)一標準》(GB 50153—2008)規(guī)定,既有結構的可靠性評定可分為安全性評定、適用性評定和耐久性評定,必要時尚應進行抗災害能力評定。顯然,這里的安全性是指使用安全性,抗災害能力評定包括抗震安全性評定和抗火災、爆炸、撞擊等偶然作用的整體穩(wěn)固性(即抗連續(xù)倒塌能力)評定。把使用安全性、適用性、耐久性、抗震安全性、整體穩(wěn)固性等分開可避免概念的混淆,避免引發(fā)不必要的矛盾,同時便于業(yè)主根據(jù)問題的輕重緩急適時采取適當?shù)奶幚泶胧1]。既有結構可靠性評定時,業(yè)主可根據(jù)結構的具體情況提出進行某項性能的評定,也可進行全部性能的評定。一般情況下,使用安全性是第一位的,必須評定,而其他性能可根據(jù)需要評定,如某既有結構已使用50余年,預期繼續(xù)使用3～5年后即將拆除重建,則可以不評定適用性、耐久性、抗震安全性和整體穩(wěn)固性。這是處理既有結構實際狀況與現(xiàn)行結構設計標準的差距、實現(xiàn)“最小結構處理”原則的現(xiàn)實途徑。結構評定工程師應將選擇性評定的結構性能未完全達到現(xiàn)行設計規(guī)范要求及其風險明確告知業(yè)主,并幫助業(yè)主找到一個業(yè)主預期、經(jīng)濟投入、現(xiàn)實障礙與安全風險之間的平衡點。

3既有結構可靠性評定應解決的幾個突出問題

作者的研究和工程經(jīng)驗表明,目前既有結構可靠性評定中迫切需要解決的突出問題主要有以下五個方面:

(1) 近二代設計規(guī)范安全性要求提升幅度大,老舊建筑安全水準低。

我國的89系列規(guī)范首次采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計法,是設計理論和方法上具有革命性的一代規(guī)范,而且經(jīng)大量工程實踐特別是汶川地震檢驗,被普遍認為是能確保預期安全性能的一代規(guī)范。89系列規(guī)范的目標可靠度采用校準法確定,即對74系列規(guī)范確定的各類構件實際可靠度進行校準后確定,除了經(jīng)校準發(fā)現(xiàn)原砌體偏心受壓構件、混凝土受剪構件等實際可靠度明顯偏低,而混凝土大偏壓構件實際可靠度明顯偏高,因此對這些構件的目標可靠度作了調(diào)整外,其余構件的目標可靠度基本保持原有水準。分析發(fā)現(xiàn),89系列規(guī)范確定的各類構件的目標可靠度與我國現(xiàn)行國家標準《工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》(GB 50153—2008)[1]和《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》(GB 50068—2001)[2]基本一致,即延性破壞構件的目標可靠度為3.2,脆性破壞構件的目標可靠度為3.7[9]。1999年,陳肇元院士[10]提出應大幅度提高我國建筑結構設計的安全度的觀點,引起了廣大學者、技術專家和管理部門的高度關注,后經(jīng)多次討論,多數(shù)專家認為按89系列規(guī)范正常設計、正常施工和正常使用的建筑結構的安全性是有保證的,而我國的多數(shù)安全事故是設計錯誤、嚴重施工質(zhì)量缺陷或使用不當造成的?？紤]到我國的經(jīng)濟水平和保持規(guī)范的連續(xù)性,不必大幅度提高結構設計的安全度水準。最后,2000系列設計規(guī)范采用了可靠度“適當提高”的處理方式,在當時新修訂的《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》(GB 50068—2001)[1]中,取消了原版GBJ 68—84標準中“各類材料的結構設計規(guī)范中采用的可靠指標可對規(guī)定值作不超過±0.25幅度的調(diào)整”的規(guī)定。經(jīng)有關學者[11-14]和作者檢驗發(fā)現(xiàn),這一代的設計規(guī)范的目標可靠度指標總體上提高了0.5左右,相當于安全系數(shù)提高了1.1倍左右,實際上是一個不小的提高。2000系列設計規(guī)范除了目標可靠度普遍提高外,隨著商品混凝土和新型墻體材料的大量應用,工程結構裂縫問題十分突出,因此規(guī)范為防治工程裂縫問題,在混凝土結構配筋率、砌體結構圈梁設置等構造方面提出了更嚴格的要求;結構全壽命周期理念得到普遍認可,對結構耐久性設計有了更明確的要求;另外,在抗震設計方面,結構規(guī)則性有了較多定量分析和判斷的依據(jù),對結構整體性提出了更高要求。2010系列設計規(guī)范,目標可靠度基本維持在與2000系列規(guī)范相同的水準,其安全性提升主要通過主導材料的高強化、提高最低材料強度的要求來實現(xiàn)[3];另外二個重要變化是明確列入抗震性能設計的內(nèi)容[15][16],以及對整體穩(wěn)固性設計提出了明確的要求[1]。

從上述分析可以看出,我國的近幾代設計規(guī)范修訂在可靠度方面基本保持了連續(xù)性,同時在概率極限狀態(tài)設計、結構規(guī)則性設計、抗震性能設計、整體穩(wěn)固性概念設計等方面體現(xiàn)了技術先進性,對擬建結構設計而言是完全合理的。但對既有結構的可靠性評定和加固改造設計而言,要實現(xiàn)近二代設計規(guī)范的新要求具有明顯的技術挑戰(zhàn)性,經(jīng)濟代價也可能無法接受。如有一幢鋼筋混凝土框架結構房屋按照89規(guī)范設計,多數(shù)構件按89規(guī)范設計的R/γ0S=1.0,目前使用正常,但按照現(xiàn)行的2010規(guī)范計算,則多數(shù)構件的R/γ0S可能不足0.9,按《民用建筑可靠性鑒定標準》(50292—1999)[5]可能評定為d級構件,即“安全性極不符合要求,已嚴重影響承載能力,必須及時或立即采取措施”。這個結論顯然不符合實際情況,也不符合上述對89系列規(guī)范能保證結構安全的經(jīng)驗判斷。這是既有結構評定時經(jīng)常面臨的現(xiàn)實、突出問題。

(2) 耐久性問題突出但評估難度大,評估使用年限不明確。

所有建筑材料均存在老化或性能劣化的問題,從而影響結構構件的正常使用和承載能力,這就是結構的耐久性問題。國家標準《工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》(GB 50153—2008)[1]和《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》(GB 50068—2001)[2]明確指出,所謂足夠的耐久性,系指結構在規(guī)定的工作環(huán)境中,在預定時間內(nèi),其材料性能的劣化不致導致結構出現(xiàn)不可接受的失效概率;從工程概念上講,足夠的耐久性能就是指在正常維護條件下結構能夠正常使用到規(guī)定的設計使用年限。

結構的可靠性均對應于“規(guī)定的時間”,對擬建結構設計而言,這個“規(guī)定的時間”是指設計使用年限?！豆こ探Y構可靠性設計統(tǒng)一標準》(GB 50153—2008)[1]規(guī)定的可靠指標及其對應的失效概率,是指設計使用年限內(nèi)的可靠指標和總的失效概率。對非臨時性的一般結構而言,因為耐久性首先影響的是結構構件的正常使用,若結構構件發(fā)生超過正常使用極限狀態(tài)的耐久性損傷,應該及時進行維護修繕,所以一般不致出現(xiàn)耐久性損傷嚴重到影響承載能力的狀況。故作者認為,《工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》(GB 50153—2008)[1]規(guī)定明確指出“耐久性屬于正常使用極限狀態(tài)的范疇,不屬于承載能力極限狀態(tài)范疇”是從這個角度講的。但是,從全壽命周期理念理解這個問題,如果一個結構設計時就定位為臨時性結構,或者一般結構在其生命后期,若3～5年后即將拆除,這時人們可以不再關注結構構件的正常使用問題,只要其不發(fā)生影響安全的嚴重問題即可,即人們可以接受耐久性損傷超越正常使用極限狀態(tài)、但尚不達到承載能力極限狀態(tài)的狀況。這時,耐久性可能轉(zhuǎn)化為承載能力極限狀態(tài)范疇的問題。所以從全壽命周期角度講,耐久性首先是一個正常使用極限狀態(tài)范疇的問題,但在結構生命后期,當人們對該結構的適用性要求降低、可以接受耐久性損傷超越正常使用極限狀態(tài)時,耐久性也可能成為一個承載能力極限狀態(tài)范疇的問題。

與擬建結構設計相對應,既有結構的可靠性評定也必須對應于一個“規(guī)定的時間”,這個規(guī)定的時間就是評估使用年限。即評定既有結構的可靠性時,評定的是評估使用年限內(nèi)的可靠性(對應于一定的可靠指標和失效概率),不確定評估使用年限的可靠性評定是不知所云、失去意義的。研究發(fā)現(xiàn),一般建筑材料的耐久性損傷發(fā)展的速率均有先慢后快的規(guī)律,所以一般新建結構的耐久性問題尚不突出,而很多既有結構評定時耐久性問題則十分突出,處理也十分棘手。但我國對一般建筑結構的耐久性研究是從20世紀90年代才逐漸被重視和熱門起來的,至2000系列設計規(guī)范才正式列入耐久性的內(nèi)容。由于影響結構材料性能劣化的因素十分復雜,材料耐久性問題多屬于物理、化學甚至生物學的范疇,其發(fā)生機理和損傷發(fā)展規(guī)律的不確定性很大,遠大于一般結構安全問題所屬的力學范疇,因此一般建筑結構的耐久性設計或評定只能采用經(jīng)驗性的定性方法解決[1]。但由于缺少成熟的技術或相關標準指導,目前工程實踐中的結構可靠性或安全性評定很少確定評估使用年限,理論與實踐的矛盾十分突出。

(3) 處理結構體系和構造缺陷代價大,整體穩(wěn)固性問題難解決。

一般而言,無論對于擬建結構設計還是既有結構評定,結構體系和構件布置、確保結構構件安全和結構整體性的基本連接構造比結構計算更加重要。但另一方面,處理結構構件承載力不足的方法較成熟,而處理結構體系及基本連接構造缺陷十分棘手,成熟方法較少,經(jīng)驗成分多。根據(jù)筆者對工程實踐的觀察,在這個重要理念的確立和應用方面,既有結構評定明顯弱于擬建結構設計,非抗震安全性評定明顯弱于抗震安全性評定。按照基于結構良好狀態(tài)的評定方法,對于不改變荷載作用或使用環(huán)境的結構構件,可以根據(jù)其良好使用狀態(tài),不必懷疑其安全性不足[1],對一些細部的構造特別是僅影響正常使用極限狀態(tài)的細部構造更加可以予以放松。但2010系列設計規(guī)范提出了整體穩(wěn)固性設計的要求,由于這個理念剛剛建立,尚缺少定量設計的具體方法,對多數(shù)結構而言只要進行一定的整體穩(wěn)固性概念設計即可。比如砌體結構增設圈梁、縱橫墻連接部位增設拉結鋼筋或焊接鋼筋網(wǎng)片、混凝土結構采用超靜定結構、采用現(xiàn)澆樓蓋增加多條傳力途徑、梁柱內(nèi)設置通長鋼筋、加強預制樓板及其與支承構件的整體性連接等措施均對增強一般結構的整體穩(wěn)固性有重要作用。但對既有結構而言,對不符合上述要求的結構采取加固措施十分困難且代價巨大,而且有些措施如后加圈梁等即使能夠?qū)嵤?其在抗連續(xù)倒塌方面所起的作用也遠遠比不上結構原有的措施。由于多數(shù)結構抗連續(xù)倒塌的設計只能采用概念設計的方法,工程師只知道有這個措施肯定比沒有這個措施好,無法采用定量的、性能化設計的方法,而采用其他措施來彌補,但對既有結構又很難采取這個措施。因此,對既有結構而言,如何解決結構體系和重要構造缺陷,特別是整體穩(wěn)固性缺陷,矛盾更加突出。

(4) “查”與“算”的方法評定結果差異大,甚至相互矛盾,傳統(tǒng)結構驗算方法似然性檢驗結果不理想。

根據(jù)國際標準《結構設計基礎-既有結構的評定》(ISO13822:2003)[8]、國家標準《工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》(GB 50153—2008)[1]、《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB 50292—1999)[5]和《工業(yè)建筑可靠性鑒定標準》(GB 50144—2008)[6],既有結構的評定一般有“查”、“算”、“驗”三種方法。所謂“查”的方法主要是指基于結構良好狀態(tài)的評定方法即當結構未出現(xiàn)明顯的影響結構正常使用的變形、裂縫、位移、振動等適用性問題,且在評估使用年限內(nèi),結構上的作用和環(huán)境不會發(fā)生顯著變化時,可評定其承載力符合要求。當結構構件已經(jīng)發(fā)生明顯變形或損傷,明顯超過正常使用極限狀態(tài),甚至接近或達到承載能力極限狀態(tài),則可不通過結構驗算,直接評定其承載力不符合要求。這是以“已有實踐”檢驗為主進行評定的方法。所謂“算”的方法,是指參考現(xiàn)行設計規(guī)范進行結構驗算(驗算時可對相關參數(shù)進行適當調(diào)整),以驗算結果評定結構構件安全性,這是以“現(xiàn)有理論”檢驗為主進行評定的方法。所謂“驗”的方法,即基于荷載檢驗的評定方法,以荷載檢驗結果評定結構構件安全性,這是以“未來實踐”檢驗為主進行評定的方法?！膀灐钡姆椒ㄒ话銉H在需要增加使用荷載而不具備驗算分析條件、對已有變形或損傷影響結構性能的程度無法定量評定等少數(shù)情況下才會采用,因此常用的就是“查”和“算”兩種方法。

現(xiàn)實的問題在于,既然很多情況下“查”和“算”兩種方法均可采用,兩者的評定結果無明顯差距時才不會發(fā)生方法選擇和結果評判方面的困難,但實際情況往往兩者評定結果差異很大甚至相互矛盾,令結構工程師無所適從。對這種情況,國際標準《結構設計基礎-既有結構的評定》(ISO13822:2003)[8]強調(diào)了對結構驗算結果進行似然性檢驗的要求,即應對驗算分析結果和實際狀況之間的矛盾進行審核和解釋,比如分析模型是否過于保守或粗糙、結構驗算中是否遺漏重要因素、是否存在錯誤或不合理、對結構作用和環(huán)境調(diào)查是否全面和準確等,并要求評定結論應經(jīng)得住這種檢驗。評定結果之間的矛盾不一定都是不合理的。如果評定結論之間的矛盾是合理的,并可得到合理解釋,則應明確評定結論;如結構當前狀態(tài)已表明結構的安全性或適用性不滿足要求,則無論結構驗算的結果如何,均應評定結構的安全性或適用性不足[17]。我國相關標準對結構似然性檢驗的要求不明確,而作者的研究和工程經(jīng)驗表明,傳統(tǒng)結構驗算方法似然性檢驗結果往往不理想。這是既有結構評定工作中困惑結構工程師的又一個突出問題。

(5) 抗震設防水準與鑒定方法反差大,采用非性能化方法評定難以合理解決既有結構的抗震安全問題。

由于我國抗震設防區(qū)范圍大,部分地區(qū)抗震設防烈度提高,部分建筑的抗震設防類別提高,抗震設計規(guī)范的具體要求提高,老舊建筑抗震性能差距大等原因,抗震鑒定(抗震安全性評定)成為既有結構評定中一個十分特殊且需求和困難均較大的問題。國家標準《建筑抗震鑒定標準》(GB 50023—2009)[7]是指導既有建筑抗震鑒定的主要技術標準,該標準將既有結構抗震鑒定的設防水準分為A、B、C三類,分別對應于評估使用年限30年、40年和50年,其抗震性能分別與《建筑抗震鑒定標準》(GB 50023—1995)、《建筑抗震設計規(guī)范》(GBJ11—89)和《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2001)[15]相當。該標準采用地震作用等超越概率的原則,即近似認為在不同評估使用年限等超越概率的地震作用下,三類建筑均能達到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標。換句話說,對評估使用年限為50年的既有結構,遭遇與《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2001)[15]相同的地震作用時,其破壞程度與新設計的建筑相當;對評估使用年限少于50年的既有結構,遭遇與《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2001)[15]相同的地震作用時,其破壞程度略大于新設計的建筑。作者認為,對抗震設防目標的分類處理是十分實事求是的,貫徹了“基本一致但有差別”的原則,較好地協(xié)調(diào)了不同時期建筑抗震設防水準問題。但是,就實現(xiàn)上述抗震設防目標的具體鑒定方法而言,該標準提出的方法尚不夠理想。該標準對三類建筑分別采取了與《建筑抗震鑒定標準》(GB 50023—1995)、《建筑抗震設計規(guī)范》(GBJ11—89)和《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2001)[15]基本相同的鑒定方法。對A類建筑采取二級鑒定,最終用考慮抗震措施影響的抗震能力指數(shù)評定綜合抗震能力,作者認為,這個方法貫徹了樸素的性能化抗震鑒定的理念,概念清晰且簡單實用,經(jīng)多次地震檢驗效果得到保證;對B類建筑,主要參考《建筑抗震設計規(guī)范》(GBJ11—89)進行抗震措施鑒定和抗震驗算,允許在部分抗震措施不足或超強時對抗震承載力進行適當調(diào)整;對C類建筑,直接采用《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2001)[15]進行抗震措施鑒定和抗震驗算。對比這三類建筑的評定方法可見,從A類到B類、C類建筑,抗震設防水準逐步提高,但所采用方法中性能化鑒定理念的應用逐步減少,C類建筑幾乎未見性能化鑒定方法的應用?？拐鹦阅茉O計的思想一開始是美國科學家為了解決既有建筑抗震問題而提出的,也只有性能化鑒定方法的應用才能合理解決既有建筑的抗震問題。由上述分析可見,我國現(xiàn)行抗震鑒定標準對既有結構抗震設防水準分類具有合理性,但相應的抗震鑒定方法未采用一以貫之的性能化鑒定方法,是目前既有結構抗震鑒定中的一個突出矛盾。

4既有結構可靠性評定的基本策略

為解決目前既有結構可靠性評定中普遍存在的上述五個方面的突出問題,作者提出安全水準多元化、使用年限目標化、管理措施具體化、檢測評定精細化、抗震鑒定性能化的基本策略,簡略分析如下。

(1) 安全水準多元化

一般而言,現(xiàn)行結構設計規(guī)范是擬建結構設計應執(zhí)行的最低標準要求。但對既有結構而言,完全按照現(xiàn)行設計規(guī)范進行評定往往是一個高不可及的標準。為了貫徹好既有結構可靠性評定的三個原則,以現(xiàn)行結構設計規(guī)范為依據(jù),在可靠度有保證、失效概率可接受的前提下適當降低正常使用條件下的可靠度或安全度水準,設立多個標準。相當于參考現(xiàn)行設計規(guī)范這個“青年人標準”建立“青年人標準”、“中年人標準”、“老年人標準”等多個標準,這是解決既有結構可靠性評定突出矛盾的必須且可行的途徑。這也是《工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》(GB 50153—2008)[1]有條件允許、《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB 50292—1999)[5]和《工業(yè)建筑可靠性鑒定標準》(GB 50144—2008)[6]已采用的方法。目標可靠度降低到何種程度,可以采用兩種方法確定:一種是以《工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》(GB 50153—2008)[1]提出的目標可靠度為基本依據(jù),在對近幾代結構設計規(guī)范可靠度進行校準的基礎上,以不同評估使用年限為限制條件來確定;另一種是采用全壽命周期理念,以年失效概率相等為原則,確定不同評估使用年限對應的目標可靠度。采用兩種方法確定可靠度分級標準的一個共同的重要參數(shù)是評估使用年限。因此,既有結構的可靠性(安全性)與耐久性密切相關。由于解決既有結構整體穩(wěn)固性的技術難度和經(jīng)濟代價均很大,可根據(jù)業(yè)主的要求確定是否評定以及評定不足后是否采取措施,如不評定或評定不足后不采取措施,則降低安全性等級,以此來制約業(yè)主的選擇。另一方面,對于耐久性或整體穩(wěn)固性有欠缺的結構,應采取更嚴格的檢查維護和使用管理措施。

(2) 使用年限目標化

確定評估使用年限是既有結構可靠性評定不可回避的問題,也是確定安全性分級標準、對業(yè)主選擇進行制約的主要措施,因此是既有結構可靠性評定中一件十分重要的工作。我國現(xiàn)行《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB 50292—1999)[5]未提出確定評估使用年限的要求,也幾乎沒有結構耐久性評定的內(nèi)容;現(xiàn)行《工業(yè)建筑可靠性鑒定標準》(GB 50144—2008)[1]提出了確定評估使用年限的要求,也列入了結構耐久性評定的一些內(nèi)容?！睹裼媒ㄖ煽啃澡b定標準》(修訂報批稿)增加了大量結構耐久性評估的內(nèi)容,但該標準(修訂報批稿)對混凝土、砌體和鋼結構的耐久性評估方法各不相同。作者認為,鑒于耐久性評估的難度很大,精度不高,在現(xiàn)有技術條件下可主要依靠經(jīng)驗確定評估使用年限:一種是按照已使用年限確定,另一種是按照已發(fā)生的耐久性損傷確定。可參考經(jīng)驗適當偏于保守確定評估使用年限,并以不同的檢查維護措施來保證達到預期目標。

(3) 管理措施具體化。

《工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》(GB 50153—2008)[1]專門設立一節(jié)“可靠性管理”,這是確保工程結構可靠性定義中“規(guī)定條件”的具體措施,也是建筑結構全壽命周期管理的具體要求。具體內(nèi)容包括按設計用途正常使用,不經(jīng)專業(yè)單位評定或原設計認可不得改變用途或改動結構構件;定期檢查結構狀況,進行必要的維護維修;加強管理,對可能受到的爆炸、撞擊等偶然作用采取必要的防護措施等?！痘炷两Y構設計規(guī)范》(GB 50010—2010)還提出對構件表面的防護層按規(guī)定進行維護或更換、出現(xiàn)可見的耐久性缺陷時及時進行處理等具體要求[3]。對于既有結構而言,由于安全性水準可能低于新設計結構,耐久性損傷的不確定性增大,還很可能存在不能徹底解決的整體穩(wěn)固性缺陷,因此安全風險大于新設計結構,在不改變用途、不改動結構構件、檢查維護、偶然作用防范等方面的管理措施應該比新設計結構有更高的要求,這是保證實現(xiàn)評估使用年限內(nèi)既有結構可靠性的關鍵措施。

(4) 檢測評定精細化。

《工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》(GB 50153—2008)規(guī)定,對既有結構進行驗算分析時,可利用結構材料的實測后期強度,可根據(jù)不同評估使用年限對可變荷載進行調(diào)整,利用縱筋對混凝土構件抗剪承載力的有利作用以及受壓區(qū)鋼筋對混凝土梁抗彎承載力的有利作用,甚至可利用實測材料性能離散性對抗力分項系數(shù)進行調(diào)整[1]?，F(xiàn)行結構設計規(guī)范的可靠指標均只考慮結構構件的可靠性,考慮了荷載的不確定性但未考慮荷載效應計算模式的不確定性,而作者的研究發(fā)現(xiàn),是否考慮現(xiàn)澆梁板、框架與填充墻[18]、砌體縱橫墻等結構整體效應對荷載效應計算結果的影響很大,傳統(tǒng)方法推定砌體抗壓強度過程中有大量的強度損失,實測砌體抗壓強度的離散性可能低于規(guī)范隱含值,特殊情況下可用構件材料強度實測值代替檢測批強度推定值對特定構件進行驗算分析,結構計算模式中應盡量反映結構損傷的影響,等等。在這些方面進行精細化檢測評定,有助于使既有結構的驗算分析結果客觀反映結構的真實狀況,使結構驗算結果似然性檢驗的結果更加趨于理想。

(5) 抗震鑒定性能化。

如前所述,合理解決既有結構抗震安全性問題的出路在于性能化抗震鑒定和加固技術的應用?！督ㄖ拐痂b定標準》(GB 50023—2008)[7]建立A、B、C三類不同抗震設防水準總體上是合適,但具體鑒定方法尚不理想?？刹捎玫卣鹱饔玫瘸礁怕实幕驹瓌t,建立三類水準地震作用之間的定量換算關系。在此基礎上對三類水準采用基本統(tǒng)一的性能化抗震鑒定方法;對于多層砌體結構,可建立多遇地震、設防地震和罕遇地震下基本統(tǒng)一的抗震承載力驗算方法,建立最不利構件與樓層綜合承載力之間的關系,建立抗震措施與抗震承載力之間相互轉(zhuǎn)換的關系,建立基本完好、輕微損壞、中等破壞、嚴重破壞、倒塌等性能目標的評判標準。最終實現(xiàn)以罕遇地震下極限承載力驗算結果為主來評定結構抗震性能的方法,將結構的綜合抗震能力轉(zhuǎn)化為多遇地震下最不利構件的抗震承載力、材料強度超強、塑性內(nèi)力重分布超強和結構延性超強四個因素的綜合能力,從而實現(xiàn)從抗震措施鑒定加抗震驗算、缺什么必須補什么的傳統(tǒng)非性能化抗震鑒定技術向綜合抗震能力驗算、缺多少補多少的性能化抗震鑒定技術的轉(zhuǎn)變,合理解決既有結構的抗震安全性不足問題。

5結語

既有結構可靠性評定相對于擬建結構設計,既有不確定性降低等有利因素,又有經(jīng)濟性要求更高、制約因素更多等不利因素。隨著時代的進步和以人為本理念的深入人心,對建筑結構的可靠性提出越來越高、越來越全面的要求是必然的趨勢,耐久性、整體穩(wěn)固性等新要求已明確列入我國結構設計統(tǒng)一標準,這對既有結構可靠性評定帶來更嚴峻的挑戰(zhàn)。本文提出安全水準多元化、使用年限目標化、管理措施具體化、檢測評定精細化、抗震鑒定性能化等五個方面的策略來解決當前既有結構可靠性評定中面臨的突出問題,具體技術和措施有待于深入研究和實踐,并不斷總結經(jīng)驗。

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收稿日期：2014-10-22

*聯(lián)系作者， Email:jianglixue@sohu.com