大型公共建筑加固改造若干問題的思考

程紹革

(中國建筑科學(xué)研究院有限公司工程抗震研究所，北京 100013)

0 概述

我國的城市建設(shè)發(fā)展正處在由以增量建設(shè)為主向存量提質(zhì)改造與增量結(jié)構(gòu)并重的階段，隨著網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)的崛起，實(shí)體經(jīng)濟(jì)受到巨大沖擊，城市大批的商業(yè)建筑將逐步改造為辦公建筑、養(yǎng)老設(shè)施等。建筑功能的變化必然引起對(duì)原有建筑進(jìn)行大規(guī)模的改造，由此也形成了以“結(jié)構(gòu)安全為主的加固+局部建筑功能的改造”模式向以“大拆大改為主+被動(dòng)性結(jié)構(gòu)加固”模式的轉(zhuǎn)變，結(jié)構(gòu)加固的難度與復(fù)雜性大大增加，這無疑對(duì)結(jié)構(gòu)工程師提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50023—2009)、《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》(JGJ 116—2009)實(shí)施了十年之久，已不能完全勝任當(dāng)下大型公共建筑的抗震鑒定與加固。例如：加固設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)適用性問題，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)問題，地震作用計(jì)算問題，加固改造設(shè)計(jì)的后續(xù)使用年限問題等。

本文將針對(duì)上述工程中遇到的實(shí)際問題提出相應(yīng)的解決方案，同時(shí)對(duì)一些特殊的大型公共建筑提出性能化的抗震鑒定與加固方法，供結(jié)構(gòu)鑒定與加固設(shè)計(jì)技術(shù)員參考。

1 既有建筑的定義

1.1 定義既有建筑的意義

既有建筑是相對(duì)于新建建筑而言的，新建建筑的設(shè)計(jì)毫無疑問應(yīng)該嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)，從抗震設(shè)計(jì)的角度，包括抗震概念設(shè)計(jì)、地震動(dòng)參數(shù)取值、抗震措施等都必須符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)(簡(jiǎn)稱2016年版抗規(guī))的規(guī)定。

既有建筑的加固改造，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可略低于新建工程，對(duì)于有些工程很難判定是新建工程還是屬于既有建筑，這類工程的加固改造如按新建工程對(duì)待，則實(shí)施的可能性幾乎為零。例如某工程原設(shè)計(jì)作為賓館使用，已完成了全部的精裝修工程，而后業(yè)主擬改為養(yǎng)老設(shè)施，設(shè)計(jì)單位若按新建工程考慮，則由于抗震措施的提高，大量的梁、柱配筋都不滿足計(jì)算要求需進(jìn)行加固，并且還要增加上百個(gè)防屈曲約束支撐進(jìn)行抗震加固，原有精裝修需全部拆除。后經(jīng)專家論證，認(rèn)為該工程可作為既有建筑考慮，并經(jīng)大震彈塑性計(jì)算分析后，僅對(duì)少量的框架柱進(jìn)行適當(dāng)加固即可。由此可見給出既有建筑的一個(gè)合理定義至關(guān)重要。

1.2 我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的定義

《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50292—1999)[1]中定義既有建筑為“已建成二年且已投入使用的建筑物”，表示整體完工滿二年(可能有未進(jìn)行竣工驗(yàn)收的嫌疑)，但已經(jīng)使用的房屋，至于建成二年的要求，標(biāo)準(zhǔn)的編制者主要是考慮到建成的房屋需要進(jìn)行經(jīng)過一段使用時(shí)間的考驗(yàn)，特別是地基基礎(chǔ)的考驗(yàn)?！段ｋU(xiǎn)房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 125—2016)[2]中既有建筑的定義與此相同?！睹裼媒ㄖ煽啃澡b定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50292—2015)[3]將既有建筑定義修改為“已建成可以驗(yàn)收的和已投入使用的非生產(chǎn)性的居住建筑和公共建筑”，明確了可以是未進(jìn)行竣工驗(yàn)收，但達(dá)到了竣工驗(yàn)收的要求，至于是否投入使用無所謂，因此時(shí)間節(jié)點(diǎn)是工程完工，關(guān)鍵詞是“達(dá)到工程驗(yàn)收條件”。后一個(gè)關(guān)鍵詞“已投入使用”則隱含著未通過工程驗(yàn)收而投入使用。

《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50144—2008)[4]定義既有建筑為“已存在的、為工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)，可以進(jìn)行和實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)工藝過程”的建筑，關(guān)鍵詞是“已存在的”，對(duì)于建造過程不予考究，對(duì)是否已投入使用也不關(guān)心，《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50144—2019)[5]只是將關(guān)鍵詞“已存在的”改為“已建成的”，與2008年版標(biāo)準(zhǔn)沒有實(shí)質(zhì)性的變化。

1.3 對(duì)既有建筑定義的商榷

從我國現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來看，既有建筑主要還是按建筑在全生命周期(圖1)中所處的階段來定義的，可以是開工、基礎(chǔ)施工、出地面、主體結(jié)構(gòu)封頂、主體結(jié)構(gòu)驗(yàn)收、建筑整體竣工、建筑整體竣工驗(yàn)收、建筑交付使用、后期改造。

圖1 建筑全壽命過程圖

多數(shù)人的觀點(diǎn)是以建筑交付使用(H)作為分界點(diǎn)，其出發(fā)點(diǎn)是建筑需要經(jīng)過使用荷載作用下承載能力考驗(yàn)，然而有些建筑在建成后可能需要改變使用功能，因此，這種定義不完全合理。如前述某建筑已完工并通過了整體竣工驗(yàn)收，但還沒有正式投入使用前因?yàn)闃I(yè)主希望改變功能，導(dǎo)致設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)提高，若按既有建筑考慮，可在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下大大減少結(jié)構(gòu)的加固工作量。

也有觀點(diǎn)認(rèn)為既有建筑應(yīng)以通過竣工驗(yàn)收作為分界點(diǎn)，這個(gè)觀點(diǎn)也不盡合理。一是以主體結(jié)構(gòu)驗(yàn)收(E)點(diǎn)還是以整體竣工驗(yàn)收(G)點(diǎn)作為分界線；二是我國早期的工程建設(shè)并沒有竣工驗(yàn)收制度，文物建筑就是一個(gè)極端例子。

至于“已建成的”這種說法，相對(duì)比較合理，但我國建筑的現(xiàn)狀比較復(fù)雜，一些特殊情況(如爛尾樓)并不能涵蓋其中。如：

(1)某建筑按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 11—89)(簡(jiǎn)稱89版抗規(guī))設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)已經(jīng)封頂(是否經(jīng)過主體結(jié)構(gòu)驗(yàn)收不詳)，后因種種原因停工，至今已矗立二十多年。顯然該樓不屬于“已建成的”，若該樓要續(xù)建，如按新建工程的要求，可實(shí)施的可能性幾乎是零。這種情況下以主體結(jié)構(gòu)封頂(D)點(diǎn)作為分界點(diǎn)更為合理。

(2)有些建筑主體結(jié)構(gòu)還未封頂就停止施工，擱置數(shù)年后重新施工時(shí)不再繼續(xù)往上建，這類建筑雖不屬于按原設(shè)計(jì)“已建成的”，但仍可作為既有建筑對(duì)待。如果要續(xù)建則應(yīng)仍按原設(shè)計(jì)繼續(xù)往上建造，應(yīng)屬于“新建工程”。

筆者認(rèn)為，既有建筑可定義為“出地面且主體結(jié)構(gòu)不再續(xù)建擬投入使用的建筑”，即在圖中分界點(diǎn)C和D之間的建筑物即為既有建筑。

2 加固改造中的標(biāo)準(zhǔn)適用性

2.1 幾個(gè)關(guān)鍵性標(biāo)準(zhǔn)的變化

《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50068—2018)[6]和上一版《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50068—2001)的差別在于：1)恒荷載分項(xiàng)系數(shù)由1.2提高到1.3，活荷載分項(xiàng)系數(shù)由1.4提高到1.5；2)結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)對(duì)于2016年版抗規(guī)中的甲、乙類建筑(大型公共建筑)安全等級(jí)提高為一級(jí)，重要性系數(shù)取1.1。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2001)進(jìn)行了兩次修訂，2010年版相比2001年版提高了抗震措施(內(nèi)力調(diào)整系數(shù)的變化)，2016年版中抗震設(shè)防烈度按《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)進(jìn)行了調(diào)整，隨著抗震設(shè)防烈度的提高，地震作用增大，抗震措施提高。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)變化對(duì)安全性評(píng)級(jí)的影響

《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50292—2015)規(guī)定按國家現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行構(gòu)件承載力的驗(yàn)算：

(1)結(jié)構(gòu)構(gòu)件驗(yàn)算采用的結(jié)構(gòu)分析方法，應(yīng)符合國家現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定。

(2)作用的組合、作用的分項(xiàng)系數(shù)及組合值系數(shù)，應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[7](簡(jiǎn)稱荷載規(guī)范)的規(guī)定執(zhí)行。

(3)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性鑒定，應(yīng)按承載能力、構(gòu)造、不適于承載的位移或變形、裂縫或其他損傷等四個(gè)檢查項(xiàng)目，分別評(píng)定每一受檢構(gòu)件的等級(jí)，并取其中最低一級(jí)作為該構(gòu)件安全性等級(jí)。

由于鑒定標(biāo)準(zhǔn)要求按國家現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行構(gòu)件承載力的驗(yàn)算，隨著荷載分項(xiàng)系數(shù)的提高、結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)的提高，不少構(gòu)件按承載力評(píng)定等級(jí)降低，從au，bu級(jí)降至cu甚至du級(jí)是很正常的，構(gòu)件的最后評(píng)級(jí)取最低一級(jí)也就成了cu或du級(jí)，最后有可能導(dǎo)致鑒定單元評(píng)定為Csu或Dsu級(jí)。而Dsu級(jí)的房屋標(biāo)準(zhǔn)中要求“必須立即采取措施”，但現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)構(gòu)件完全處于正常使用狀態(tài)，對(duì)于既有建筑加固改造來說還真是一件很麻煩的事。

2.3 解決問題的辦法

造成上述現(xiàn)象的原因主要有三個(gè)：1)既有建筑加固改造的標(biāo)準(zhǔn)適用性，一律采用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)判定是否可行；2)構(gòu)件的安全性等級(jí)評(píng)定方法，取四個(gè)檢查項(xiàng)目中的最低一級(jí)作為該構(gòu)件的安全性等級(jí)是否合理；3)一些鑒定人員缺乏工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，不理解新建工程設(shè)計(jì)與既有建筑加固改造的差別。

筆者建議：1)對(duì)于加固改造工程，構(gòu)件的恒、活荷載分項(xiàng)系數(shù)仍按《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50068—2001)規(guī)定取值，特別重要的構(gòu)件按《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50068—2018)規(guī)定取值；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)按原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)取值，一般情況下取1.0，盡可能減少基礎(chǔ)加固工作量。2)正確理解“結(jié)構(gòu)構(gòu)件驗(yàn)算使用的計(jì)算模型，應(yīng)符合其實(shí)際受力與構(gòu)造狀況”，同一構(gòu)件在新建工程和加固改造工程中的受力狀況、邊界條件是不同的，而且也與具體采用的加固技術(shù)和施工工藝有關(guān)。3)不要盲目相信軟件分析結(jié)果，計(jì)算軟件只是一個(gè)輔助工具，一個(gè)優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)具有對(duì)結(jié)構(gòu)分析中出現(xiàn)異?，F(xiàn)象的分析判斷能力。4)重視現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性等級(jí)應(yīng)根據(jù)承載能力、構(gòu)造、不適宜承載的位移和變形、裂縫和其他損傷，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果結(jié)合計(jì)算分析進(jìn)行綜合評(píng)定，而不是取最低等級(jí)。

3 加固改造中的后續(xù)使用年限

3.1 后續(xù)使用年限是否要保留

《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50023—2009)引入了后續(xù)使用年限的概念，不同時(shí)期的建筑依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鑒定加固，為既有建筑的加固改造起到了“辟新徑、保底線”的作用。近年來，不少設(shè)計(jì)人員對(duì)抗震加固設(shè)計(jì)中是否要明確后續(xù)使用年限提出了質(zhì)疑，本文從以下幾個(gè)角度來說明后續(xù)使用年限的重要性。

(1)關(guān)于設(shè)計(jì)使用年限

《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50068—2018)第3.3.2條規(guī)定：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)規(guī)定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限。設(shè)計(jì)使用年限指“設(shè)計(jì)規(guī)定的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件不需進(jìn)行大修即可按預(yù)定目的使用的年限”。結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)應(yīng)具有足夠的可靠性，滿足安全性、適用性和耐久性的功能要求，當(dāng)房屋建筑達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限后，經(jīng)過鑒定和維修，仍可繼續(xù)使用，設(shè)計(jì)使用年限隨建筑結(jié)構(gòu)的重要性而不同。《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50068—2018)規(guī)定：建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)按表1采用。對(duì)于加固改造工程，后續(xù)使用年限即為設(shè)計(jì)使用年限，在設(shè)計(jì)總說明中必須給予明確。

建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限 表1

(2)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算公式

荷載規(guī)范給出了承載能力極限狀態(tài)下的設(shè)計(jì)表達(dá)式：

γ0Sd≤Rd

(1)

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；Sd為作用組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；Rd為結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計(jì)值。

對(duì)于由可變荷載控制的效應(yīng)設(shè)計(jì)值，其荷載基本組合公式為：

(2)

式中：γGj為第j個(gè)永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)；SGjk為按第j個(gè)永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的荷載效應(yīng)值；γQi為第i個(gè)可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)；γLi為第i個(gè)可變荷載考慮設(shè)計(jì)使用年限的調(diào)整系數(shù)；SQik為按第i個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值Qik計(jì)算的荷載效應(yīng)值；φci為第i個(gè)可變荷載的組合值系數(shù)。

Qik是在一個(gè)固定年限內(nèi)對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上提出來的，一般情況下不能隨便更改，我國的工程建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的固定年限為50年，即設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50068—2018)第3.3.1條規(guī)定：建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，荷載規(guī)范第3.1.3條規(guī)定：確定可變荷載代表值時(shí)應(yīng)采用50年基準(zhǔn)期。

注意到式(2)中的系數(shù)γLi為考慮設(shè)計(jì)使用年限的調(diào)整系數(shù)，荷載規(guī)范第3.2.5條根據(jù)可靠性統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限給出了調(diào)整系數(shù)取值，見表2。

活荷載考慮設(shè)計(jì)使用年限的調(diào)整系數(shù) 表2

由此可見，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期是用于確定可變作用及與時(shí)間相關(guān)的材料特性取值而選用的時(shí)間參數(shù)，其取值會(huì)影響到式(1)中的Sd和Rd。如設(shè)計(jì)時(shí)需要采用其他設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，則必須確定在該基準(zhǔn)期內(nèi)結(jié)構(gòu)材料性能和最大荷載的概率分布及相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

(3)考慮地震作用時(shí)的效應(yīng)基本組合

2016年版抗規(guī)第5.4.1條規(guī)定：結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)的基本組合，應(yīng)按下式計(jì)算：

S=γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+ψwγwSwk

(3)

式中各符號(hào)含義見2016年版抗規(guī)。

式(3)中地震作用作為可變荷載的一種，自然也可以根據(jù)設(shè)計(jì)使用年限的不同進(jìn)行調(diào)整，但和式(2)不同的是，式(3)中沒有可變荷載調(diào)整系數(shù)，唯一的處理辦法就是對(duì)地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。地震作用和普通活荷載有很大的不同：首先大量的研究表明地震作用的分布符合極值Ⅱ型分布，其次考慮不同設(shè)計(jì)使用年限的地震作用差別比普通活荷載變化要大得多，研究表明按100年設(shè)計(jì)使用年限設(shè)計(jì)時(shí)的地震作用約是按50年設(shè)計(jì)的1.4倍。

抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)的處理方法與荷載規(guī)范采用的50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期不同，抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)的處理方法是延用了2016年版抗規(guī)中的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)具有等效超越概率來確定地震動(dòng)參數(shù)的方法，這就為抗震鑒定與加固時(shí)地震動(dòng)參數(shù)取值找到了理論依據(jù)，這也是抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)的特色之處。

3.2 不同后續(xù)使用年限的地震作用

我國早期的抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)地震作用的折減主要是依據(jù)震害教訓(xùn)和專家經(jīng)驗(yàn)確定的，自《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50023—95)實(shí)施后，開始了不同后續(xù)使用年限地震作用的計(jì)算理論研究，大致可分為三個(gè)階段。

3.2.1 筑夢(mèng)階段

戴國瑩等[8]提出了“抗震鑒定與加固時(shí)可考慮后續(xù)設(shè)計(jì)工作壽命期的不同建立相應(yīng)的鑒定用地震動(dòng)參數(shù)。新建工程按50年設(shè)計(jì)工作壽命期內(nèi)超越概率10%確定其設(shè)計(jì)所用的抗震設(shè)防烈度，對(duì)于已經(jīng)使用了T1年的現(xiàn)有建筑，可按(50-T1)年內(nèi)超越概率10%確定其鑒定與加固時(shí)所用的設(shè)防烈度，再確定對(duì)應(yīng)的地震動(dòng)參數(shù)”的重要思想，為地震作用的計(jì)算奠定了理論基礎(chǔ)，從而使地震作用的折減系數(shù)的專家經(jīng)驗(yàn)法過渡到半經(jīng)驗(yàn)半理論方法。

這一階段的重要貢獻(xiàn)在于，借助于地震危險(xiǎn)性分析，在潛在震源、地震活動(dòng)性、衰減規(guī)律的基礎(chǔ)上，可得到某個(gè)地區(qū)以年超越概率P(I>i)表示的地震危險(xiǎn)性，再根據(jù)給定期限T年內(nèi)發(fā)生大于某一烈度的超越概率P(I>i|T)與年超越概率的關(guān)系，確定不同期限內(nèi)在給定超越概率下的地震烈度。超越概率P(I>i|T)定義為：

P(I>i|T)=1-[1-P(I>i)]T

但上述觀點(diǎn)也存在著一些問題：1)用結(jié)構(gòu)的剩余使用年限代替后續(xù)使用年限；2)根據(jù)剩余使用年限折減設(shè)防烈度，進(jìn)而對(duì)地震作用進(jìn)行折減。

以北京地區(qū)為例，已經(jīng)使用了20年的建筑，烈度降0.3，地震作用可取0.8的折減系數(shù)；使用了30年的建筑，烈度降0.8，地震作用折減系數(shù)可取0.57！

3.2.2 解夢(mèng)階段

毋劍平等[9]基于我國華北、西北和西南45個(gè)城鎮(zhèn)以及新疆地區(qū)20個(gè)城鎮(zhèn)的地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果，提出50年地震烈度的概率符合極值Ⅲ型分布，進(jìn)而得到不同后續(xù)使用年限內(nèi)在給定概率下的地震烈度，從而確定不同后續(xù)使用年限所對(duì)應(yīng)的地震作用的參數(shù)。分別求出45個(gè)城鎮(zhèn)在不同設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)超越概率為63.2%的地震烈度，然后分別對(duì)6，7，8，9度區(qū)取平均值，得出不同基本烈度地區(qū)在不同后續(xù)使用年限內(nèi)超越概率為63.2%的眾值地震烈度。

有了不同后續(xù)使用年限的小震烈度，采用劉恢先教授給出的地面運(yùn)動(dòng)加速度峰值與基本烈度的關(guān)系式就可以以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年為基準(zhǔn)，計(jì)算得到不同后續(xù)使用年限的地震影響系數(shù)比值，見表3，相應(yīng)的曲線見圖2。

不同后續(xù)使用年限的地震影響系數(shù)比值 表3

圖2 不同后續(xù)使用年限與地震影響系數(shù)比值關(guān)系曲線

白雪霜等[10]按照等超越概率原則確定了不同后續(xù)使用年限在不同設(shè)防水準(zhǔn)下(小震、中震、大震)等效超越概率、地震動(dòng)參數(shù)(水平地震影響系數(shù)、地面峰值加速度)的取值，并給出了三水準(zhǔn)的地震作用折減系數(shù)建議值(表4與圖3)。

不同后續(xù)使用年限各水準(zhǔn)地震作用折減系數(shù)建議值 表4

圖3 三水準(zhǔn)的地震作用折減系數(shù)建議值與后續(xù)使用年限的關(guān)系曲線

3.2.3 圓夢(mèng)階段

以往的地震作用調(diào)整系數(shù)均是先對(duì)設(shè)防烈度進(jìn)行調(diào)整，然后根據(jù)調(diào)整后的設(shè)防烈度確定地震作用。然而作為工程技術(shù)人員更為關(guān)心的是直接可用于設(shè)計(jì)的地震作用，眾多學(xué)者的研究表明：地震作用服從極值Ⅱ型分布，地震烈度服從極值Ⅲ型分布。

(1)地震作用分布規(guī)律

程紹革等[11]研究了點(diǎn)震源、線震源、面震源及復(fù)合震源的地震發(fā)震機(jī)制及傳播規(guī)律，推導(dǎo)出地震動(dòng)參數(shù)的累積分布函數(shù)F(A)可統(tǒng)一表達(dá)為：

F(A)=exp[-CGAk]

(4)

式中：C為與震級(jí)相關(guān)的系數(shù)；G為與場(chǎng)地位置相關(guān)的系數(shù)；A為地震動(dòng)參數(shù)；k為指數(shù)，k<0,說明地震作用的確服從極值Ⅱ型分布。

此外，程紹革等還對(duì)我國大陸地區(qū)1913～1963年、1967～2016年兩個(gè)50年間的最大震級(jí)地震及相應(yīng)的烈度和地面峰值加速度進(jìn)行了數(shù)據(jù)擬合，進(jìn)一步驗(yàn)證了地震烈度服從極值Ⅲ型分布，地面峰值加速度服從極值Ⅱ型分布。

(2)不同設(shè)計(jì)使用年限的地震作用計(jì)算方法[12]

第一步：構(gòu)造地震動(dòng)參數(shù)的累積分布函數(shù)統(tǒng)一表達(dá)式。

(5)

式中：A為地面峰值加速度；σ為尺度參數(shù)；k為地震動(dòng)參數(shù)分布形狀參數(shù)。

第二步：計(jì)算以50年為基準(zhǔn)期的不同設(shè)計(jì)使用年限的等效超越概率。

Pi/T=1-(1-Pi/T(50))50/T

(6)

式中：i為1，2，3，分別對(duì)應(yīng)小震、中震和大震，相應(yīng)的超越概率分別為63.2%，10%和2%～3%；T為設(shè)計(jì)使用年限，年；Pi/T(50)為抗震設(shè)防水準(zhǔn)為i，設(shè)計(jì)使用年限為50年的超越概率。

第三步：計(jì)算三水準(zhǔn)地面峰值加速度Ai,T。

Ai,T=σ·[-ln(1-Pi/T)]1/k

(7)

式中Pi/T為后續(xù)使用年限為T年的等效超越概率。

第四步：以50年為基準(zhǔn)期計(jì)算地震作用調(diào)整系數(shù)α。

α=Ai,T/Ai,T(50)=(T/50)1/k

(8)

式中Ai,T(50)為后續(xù)使用年限為50年的地面峰值加速度。

顯然，調(diào)整系數(shù)α與設(shè)防水準(zhǔn)無關(guān)，烈度影響參數(shù)k對(duì)其影響不大，主要與設(shè)計(jì)使用年限有關(guān)，不同設(shè)計(jì)使用年限的地震作用調(diào)整系數(shù)見表5。

建議今后鑒定標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)，后續(xù)使用年限30，40，50年的地震作用折減系數(shù)分別取0.8，0.9，1.0。

不同設(shè)計(jì)使用年限對(duì)應(yīng)地震作用的調(diào)整系數(shù) 表5

4 C類建筑加固改造設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

4.1 問題的由來

《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50023—2009)中第1.0.4條第3款規(guī)定：在2001年以后(按當(dāng)時(shí)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范系列設(shè)計(jì))建造的現(xiàn)有建筑，后續(xù)使用年限宜采用50年。第1.0.5條第3款又規(guī)定：后續(xù)使用年限50年的建筑(簡(jiǎn)稱C類建筑)，應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)的要求進(jìn)行抗震鑒定。

《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50023—2009)已實(shí)施了10多年了，按2001年版抗規(guī)建造的房屋(所謂的C類建筑)也已經(jīng)使用了20年，在此期間《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50068—2001)進(jìn)行了修訂，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011進(jìn)行了3次修訂，包括2008年版、2010年版、2016年版，在設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)、抗震措施方面都有了很大變化。

這類所謂的C類建筑抗震加固又如何確定抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)呢？如果能適當(dāng)降低設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，又如何把握尺度？

4.2 C類建筑加固的原則與方法

(1)基本原則

C類建筑加固時(shí)需堅(jiān)守以下原則：1)不得突破鑒定標(biāo)準(zhǔn)的紅線要求，即后續(xù)使用年限不得低于30年；2)不得低于原設(shè)計(jì)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的底線要求，即加固改造后的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)要高于原設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不足之處要有明顯的改善。

(2)合理的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)確定

在基本原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程加固改造的具體情況可采取相應(yīng)的靈活處理方式，如：1)后續(xù)使用年限的確定；2)對(duì)地震作用進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蹨p；3)尋找降低抗震措施的途徑。

4.3 典型C類建筑加固改造案例

目前按2016年版抗規(guī)設(shè)計(jì)建造的房屋一般情況下改造的難度不大，多為局部改造，在遇到特殊情況，如功能改變和設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)提高時(shí)，按2016年版抗規(guī)執(zhí)行即可，不再特殊介紹。本文主要介紹下按2010年版抗規(guī)、2001年版抗規(guī)、89版抗規(guī)設(shè)計(jì)建造的房屋加固改造案例。

4.3.1 按2010年版抗規(guī)設(shè)計(jì)建造的房屋

這類建筑的主要問題是抗震設(shè)防烈度的提高，導(dǎo)致地震作用增大和抗震等級(jí)提高，且這類建筑基本已投入使用近10年，按原設(shè)計(jì)使用年限50年算起則后續(xù)使用年限還有40年。

解決方案：

(1)地震作用。對(duì)于設(shè)計(jì)基本加速度提高0.05g、0.10g的地區(qū)，在構(gòu)件抗震承載力驗(yàn)算時(shí)，地震作用可以乘上0.9的折減系數(shù)(6度區(qū)不得折減)，但總的地震作用不得低于原設(shè)計(jì)水平。

(2)抗震措施。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震下的彈塑性變形驗(yàn)算時(shí)，當(dāng)大震下結(jié)構(gòu)的層間位移角遠(yuǎn)小于規(guī)范限值時(shí)(如混凝土結(jié)構(gòu)1/100)，抗震等級(jí)可按現(xiàn)行抗規(guī)降低一級(jí)考慮，但不得低于2010年版抗規(guī)所對(duì)應(yīng)的抗震等級(jí)。

(3)后續(xù)使用年限。加固改造后的設(shè)計(jì)使用年限維持原設(shè)計(jì)不變或40年，但此40年非B類建筑之40年。

4.3.2 按2001年版抗規(guī)設(shè)計(jì)建造的房屋

這類房屋的問題比較復(fù)雜，首先2010年版抗規(guī)較2001年版抗規(guī)提高了抗震措施，2016年版抗規(guī)對(duì)設(shè)防烈度進(jìn)行了調(diào)整，抗震等級(jí)進(jìn)一步提高，地震作用增大，即便設(shè)防烈度不變但由于設(shè)計(jì)地震分組調(diào)整，反應(yīng)譜下降段地震作用影響系數(shù)仍有所增大。

解決方案：

(1)地震作用?？紤]這一類房屋已投入使用20年，剩余使用年限30年，因此建議在構(gòu)件抗震承載力驗(yàn)算時(shí)，折減系數(shù)可分別按0.9，0.8進(jìn)行分析(折減后的總地震作用仍不得小于原按2001年版抗規(guī)的計(jì)算結(jié)果)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)與技術(shù)因素確定折減系數(shù)取值，同樣6度區(qū)不得折減。

當(dāng)折減系數(shù)取0.9時(shí)，則在設(shè)計(jì)總說明上明確設(shè)計(jì)使用年限40年；當(dāng)折減系數(shù)取0.8時(shí)，則在設(shè)計(jì)總說明上明確設(shè)計(jì)使用年限30年。

(2)抗震措施。標(biāo)準(zhǔn)的修訂引起的抗震等級(jí)的提高是制約既有建筑改造的最大障礙，而抗震等級(jí)的確定是與地震作用計(jì)算的方法選擇要配套協(xié)調(diào)。

若地震作用折減系數(shù)取0.9，則相應(yīng)的抗震措施宜根據(jù)2016年版抗規(guī)的地震動(dòng)參數(shù)按2010年版抗規(guī)確定抗震等級(jí)，這樣加固改造的后續(xù)使用年限為40年。

若地震作用折減系數(shù)取0.8，則相應(yīng)的抗震措施宜根據(jù)2016年版抗規(guī)的地震動(dòng)參數(shù)按2001年版抗規(guī)確定抗震等級(jí)，這樣加固改造的后續(xù)使用年限為30年且維持原設(shè)計(jì)使用年限不變。

4.3.3 按89版抗規(guī)設(shè)計(jì)建造的房屋

對(duì)于抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)中按89版抗規(guī)設(shè)計(jì)建造的已明確規(guī)定其后續(xù)使用年限為40年的建筑(B類建筑)，由于現(xiàn)階段建筑改造形勢(shì)已和以前有很大的不同，結(jié)構(gòu)變化很大，如大量抽梁拔柱、樓板開大洞嚴(yán)重不連續(xù)，仍按B類建筑的要求進(jìn)行鑒定和加固，其抗震安全性是不夠的。此外，這一時(shí)期建成的房屋同樣面臨著設(shè)防烈度的提高，且89版抗規(guī)中對(duì)某些抗震概念設(shè)計(jì)的內(nèi)容也缺少量化標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于這一類建筑，建議與按2001年版抗規(guī)設(shè)計(jì)建造的房屋采用相同的處理方法，同時(shí)還應(yīng)對(duì)建筑加固改造前后的抗震性能進(jìn)行對(duì)比，確保加固后的規(guī)則性比加固前有明顯的改善，但不一定必須達(dá)到現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)則性要求，當(dāng)樓層的彈性層間位移角較小時(shí)，可適當(dāng)放松扭轉(zhuǎn)規(guī)則性要求，當(dāng)樓層的大震彈塑性層間位移角較小時(shí)，可適當(dāng)降低抗震措施的要求。

5 結(jié)論

本文針對(duì)既有大型公共建筑抗震鑒定與加固改造工程的幾個(gè)熱點(diǎn)問題進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的解決方案，具體內(nèi)容如下：

(1)對(duì)既有建筑的定義進(jìn)行了探討，為后續(xù)加固改造采取的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和確定提供了依據(jù)。

(2)對(duì)既有建筑鑒定與加固改造的采用標(biāo)準(zhǔn)的適用性進(jìn)行了探討，在確保結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上大大減少了加固工作量。

(3)基于地震作用符合極值Ⅱ型分布的特點(diǎn)，給出了抗震加固中三水準(zhǔn)設(shè)防的地震作用折減系數(shù)取值。

(4)對(duì)當(dāng)前城市大型公共建筑加固改造的疑難問題進(jìn)行了分類，并提出了相應(yīng)的解決方案。