白 雪

(1 上海市建筑科學研究院有限公司， 上海 200032； 2 上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點實驗室， 上海 200032)

0 引言

上海近代混凝土公共建筑是隨著19世紀末、20世紀初西方建筑的引入而繁榮起來的[1]。這一時期，上海幾千年來穩(wěn)定的建筑體系受到了前所未有的沖擊，推動了建筑的進步；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為新建筑體系的創(chuàng)作提供了各種可能性，引發(fā)了上海近代建筑在功能和造型上的變革。到了新中國成立前期，混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)大量運用于各種公共建筑中，不僅增加了建筑的層數(shù)，也增強了建筑的防火性能、耐久性能和安全性能。

上海近代混凝土公共建筑體現(xiàn)了當時先進的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工技術(shù)成就，但是當初的設(shè)計方法尚不成熟，且使用至今已超出了混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限，多數(shù)建筑存在不同程度的各種結(jié)構(gòu)問題；此外，近代混凝土公共建筑一般都沒有考慮抗震設(shè)防，其梁、柱和節(jié)點的抗震性能普遍不足，為達到現(xiàn)行標準要求，往往需要進行大規(guī)模結(jié)構(gòu)加固改造。因此，認識并挖掘近代公共建筑的結(jié)構(gòu)特征，了解其材料、構(gòu)造特點和設(shè)計理念，才能更好地保護這些優(yōu)秀歷史文化遺產(chǎn)。

目前國內(nèi)外研究近代混凝土公共建筑主要是從建筑史、建筑設(shè)計、建筑師、建筑技術(shù)、修繕保護和改造利用等角度切入，對近代建筑的構(gòu)造方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的研究比較罕見。結(jié)構(gòu)方面的研究較多側(cè)重于加固技術(shù)，很少涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。張凱[2]和許先寶[3]通過對《上海市建筑規(guī)則》[4]、《鋼筋混凝土學》[5]等歷史資料進行研究，分析江浙地區(qū)民國時期鋼筋混凝土建筑的構(gòu)造和結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。淳慶等[6]通過研究民國時期歷史資料，結(jié)合檢測數(shù)據(jù)，總結(jié)出民國時期鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的材料特征和構(gòu)造特征，并與現(xiàn)行標準進行對比。王海軍[7]結(jié)合某上海近代混凝土結(jié)構(gòu)建筑檢測及安全性分析結(jié)果，總結(jié)了近代梁板柱結(jié)構(gòu)建模計算分析時應采取的調(diào)整措施。但是上述研究成果參考的歷史資料有限，且未針對上海近代混凝土公共建筑典型結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征進行分析。

本文通過對比《中國工程師手冊》[8]、《上海市建筑規(guī)則》[4]、《鋼筋混凝土規(guī)范》[9]、《鋼筋混凝土學》[5](表1)和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)[10](簡稱混凝土規(guī)范)和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[11](簡稱荷載規(guī)范)，判斷近代及現(xiàn)代混凝土公共建筑材料及設(shè)計理念差異；結(jié)合典型工程案例，分析上海近代混凝土公共建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征。研究成果可為上海近代混凝土公共建筑檢測評估、加固修繕提供依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 混凝土強度及和易性

根據(jù)《中國工程師手冊》，影響混凝土強度的主要因素為澆筑時的用水量，水灰比與抗壓強度的關(guān)系最大；強度及耐久性為水灰比的直接函數(shù)，其他因素為常數(shù)。若須增加其和易性以便于施工，則可增減水泥漿與拌合料的比例，但水與水泥的相對量不可變更。

近代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計書目 表1

根據(jù)美國鋼筋混凝土聯(lián)合委員會制訂的《鋼筋混凝土規(guī)范》，混凝土水灰比與混凝土強度之間關(guān)系見表2，水灰比不得超過表2所列數(shù)值，表內(nèi)所列的配合比為概數(shù)，應須按照具體情形酌情加減。

水灰比與抗壓強度關(guān)系[7] 表2

由表2可知，根據(jù)不同水灰比混凝土養(yǎng)護28d后抗壓強度有四種，分別為10.6，14.0，17.6，21.1MPa。依據(jù)《中國工程師手冊》，根據(jù)混凝土構(gòu)件的裸露程度(耐久性)，鋼筋混凝土房屋外部混凝土構(gòu)件抗壓強度通常選用17.6MPa，室內(nèi)混凝土構(gòu)件抗壓強度通常選用14.0MPa。

考慮到混凝土強度隨齡期的增長而不斷發(fā)展，上海近代建筑混凝土強度基本介于C10～C20之間。根據(jù)混凝土規(guī)范，目前我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強度等級不應低于C20?，F(xiàn)代混凝土在水泥、砂、石子和水基礎(chǔ)上加入化學外加劑和礦物摻合料等材料，強度高于上海近代建筑。因此上海近代混凝土公共建筑的混凝土強度普遍偏低，達不到現(xiàn)行標準的要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 安全系數(shù)

上海近代混凝土公共建筑結(jié)構(gòu)采用以彈性理論為基礎(chǔ)的容許應力法進行設(shè)計，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土容許應力和安全系數(shù)見表3～5。

《上海市建筑規(guī)則》中混凝土容許應力和安全系數(shù) 表3

《中國工程師手冊》中混凝土容許應力和安全系數(shù) 表4

《鋼筋混凝土規(guī)范》中混凝土容許應力和安全系數(shù) 表5

根據(jù)《中國工程師手冊》，對于鋼筋抗拉強度的數(shù)值，約以鋼筋屈服點的50%為限，即鋼筋安全系數(shù)約為2。

由表3～5可知，混凝土構(gòu)件根據(jù)受力特征不同采用不同的安全系數(shù)，如混凝土受彎構(gòu)件，按照彈性理論進行應力分析時，應力分布不均勻，因此安全系數(shù)偏低，而混凝土全截面受壓構(gòu)件，應力分布均勻，因此安全系數(shù)偏高。此外，混凝土安全系數(shù)取值范圍為2.2～5.0，鋼筋安全系數(shù)取值約為2.0，將材料變異性、計算模型不確定性都綜合考慮在安全系數(shù)中；而混凝土規(guī)范中混凝土抗拉和抗壓材料強度分項系數(shù)為1.4，延性較好的熱軋鋼筋材料強度分項系數(shù)為1.1，說明當時的設(shè)計者對于混凝土和鋼筋的容許應力的取值是較為謹慎的，具有一定的安全冗余度。

但是上海近代混凝土公共建筑采用容許應力法進行構(gòu)件設(shè)計存在一定不足，具體表現(xiàn)為：容許應力法把影響結(jié)構(gòu)安全的眾多因素歸結(jié)于對材料強度的折減，無法分別加以考慮；安全系數(shù)是經(jīng)驗值，不同規(guī)范和手冊對于同等強度的同類型構(gòu)件取值有差異，缺乏嚴格的科學依據(jù)；容許應力法未區(qū)分荷載情況，未區(qū)分不同恒、活荷載比例對結(jié)構(gòu)安全的影響。

2.2 荷載取值

將《上海市建筑規(guī)則》和荷載規(guī)范中樓面荷載取值進行對比(表6)，《上海市建筑規(guī)則》中樓面活荷載取值普遍偏大，《上海市建筑規(guī)則》與荷載規(guī)范中相應房屋類別的荷載比值在1.5～4.1之間，考慮了荷載不確定性的影響；《上海市建筑規(guī)則》中恒載按照實際荷載計算，未考慮荷載分項系數(shù)。

《上海市建筑規(guī)則》和荷載規(guī)范中樓面荷載取值對比 表6

《上海市建筑規(guī)則》規(guī)定，如屋面坡度在20°及以下，屋面荷載為1.5kN/m2；如屋面坡度在20°以上者，屋面荷載為1.0kN/m2，大于荷載規(guī)范規(guī)定的不上人屋面荷載標準值(0.5kN/m2)，小于上人屋面荷載標準值(2.0 kN/m2)。

2.3 構(gòu)件承載力設(shè)計

(1)梁正截面承載力設(shè)計

《中國工程師手冊》與混凝土規(guī)范中混凝土梁正截面承載力計算時受壓區(qū)混凝土的應力圖形不一致。《中國工程師手冊》中混凝土壓應力與混凝土應變之間的關(guān)系假定為直線，混凝土規(guī)范中混凝土梁正截面承載力計算時采用等效受壓區(qū)高度?！吨袊こ處熓謨浴放c混凝土規(guī)范混凝土梁正截面承載力計算公式分別見式(1)和(2)。

(1)

(2)

式中：M為構(gòu)件彎矩設(shè)計值；h0為截面有效高度；Es為鋼筋彈性模量；Ec為混凝土彈性模量；fy為鋼筋抗拉強度設(shè)計值；fc為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值；As為受拉區(qū)縱向普通鋼筋的截面面積；b為矩形截面的寬度；α1為系數(shù)。

《鋼筋混凝土學》僅給出了少筋梁的規(guī)定，最小配筋率為1%，根據(jù)混凝土規(guī)范，梁最小配筋率為0.2%，梁端縱向受拉鋼筋的配筋率不宜大于2.5%。

《中國工程師手冊》與混凝土規(guī)范中T形梁受彎構(gòu)件受壓區(qū)有效翼緣計算寬度bf′不一致?；炷烈?guī)范中bf′定義數(shù)值偏大，更多地考慮了受壓區(qū)樓板對抗彎承載力的影響。

(2)梁斜截面承載力設(shè)計

《中國工程師手冊》與混凝土規(guī)范中混凝土梁彎起鋼筋抗剪承載力計算不一致?！吨袊こ處熓謨浴分谢炷亮盒苯孛婵辜舫休d力計算公式分別見式(3)，(4)，混凝土規(guī)范中混凝土梁(有彎起鋼筋)斜截面抗剪承載力計算公式見式(5)。

當45°≤αs≤90°時，

(3)

當αs<45°時，

(4)

(5)

式中：Vcs為構(gòu)件斜截面受剪承載力設(shè)計值；fv為混凝土容許抗剪強度值；fyv為箍筋的抗拉強度設(shè)計值；Asv為配置在同一截面內(nèi)箍筋各肢的全部截面面積；s為沿構(gòu)件長度方向的箍筋間距；Asb為同一平面內(nèi)的彎起普通鋼筋的截面面積；αs為斜截面上彎起普通鋼筋與構(gòu)件縱軸線的夾角；αcv為斜截面混凝土受剪承載力系數(shù)；ft為混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值。

(3)柱軸壓承載力設(shè)計

《中國工程師手冊》中柱正截面受壓承載力計算時未考慮可能存在的初始偏心，因此沒有同混凝土規(guī)范一樣乘以折減系數(shù)0.9。

《中國工程師手冊》與混凝土規(guī)范對長柱(考慮失穩(wěn)因素的影響)的定義不同?！吨袊こ處熓謨浴分虚L柱定義為h/d>10或h/i>40，需要考慮柱失穩(wěn)的影響；混凝土規(guī)范中，當l0/d≤8或l0/i≤28時可不考慮失穩(wěn)的影響，其中l(wèi)0為計算長度，d為圓截面直徑，i為截面回轉(zhuǎn)半徑。

《鋼筋混凝土學》中混凝土軸心受壓構(gòu)件的配筋率范圍為0.5%～2%，混凝土規(guī)范要求受壓構(gòu)件的配筋率范圍為0.5%～5%?！朵摻罨炷翆W》中最大配筋率偏小是因為未考慮抗震要求。

(4)板承載力設(shè)計

《中國工程師手冊》與混凝土規(guī)范中單向板和雙向板長寬比定義不同。混凝土規(guī)范中長邊與短邊比大于3.0按照單向板計算；《中國工程師手冊》中長邊與短邊比大于1.5按照單向板計算。

2.4 構(gòu)件構(gòu)造設(shè)計

上海近代混凝土公共建筑梁柱及節(jié)點未考慮抗震構(gòu)造設(shè)計，因此通常存在部分柱網(wǎng)上下不對齊、梁柱構(gòu)件端部箍筋未加密、節(jié)點核心區(qū)箍筋未加密、部分箍筋采用U形和W形、梁頂部沿全長未設(shè)置通長縱向鋼筋、填充墻與框架柱之間未拉結(jié)等構(gòu)造缺陷，因此近代建筑普遍達不到現(xiàn)行抗震設(shè)計標準的要求。具體表現(xiàn)為：

(1)結(jié)構(gòu)布置

房屋采用的柱網(wǎng)不規(guī)則，設(shè)計時根據(jù)建筑實際需要設(shè)置梁、柱，橫向未形成完整框架，部分柱上未設(shè)置梁，部分梁未設(shè)置在柱上。各梁端支座處配筋弱，跨中配筋較強。

(2)節(jié)點

設(shè)計時未采用“強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計原則，具體表現(xiàn)為梁柱構(gòu)件端部箍筋未加密、節(jié)點核心區(qū)箍筋未加密，與依據(jù)現(xiàn)行標準設(shè)計的框架結(jié)構(gòu)相比，其節(jié)點處抗彎能力較弱。

(3)配筋方式

近代建筑允許采用U形或W形箍筋(均不閉合)，U形或W形箍筋僅提供抗剪承載力，抗扭和抗震承載力較低。

部分梁上部未設(shè)置通長縱向鋼筋，靠近端部時其底部縱向鋼筋分批彎起以承受負彎矩。對于連續(xù)梁，由于彎起鋼筋穿過節(jié)點一段距離，不僅考慮此側(cè)彎起鋼筋，還應考慮相鄰側(cè)穿過來的鋼筋，當彎起鋼筋不足以承擔荷載時，支座處設(shè)置上部鋼筋。

(4)構(gòu)件截面尺寸

部分梁柱構(gòu)件截面尺寸偏小，部分電梯井、樓梯間混凝土墻體厚度偏小，無法作為主要抗側(cè)力構(gòu)件。

(5)其他方面

大部分近代建筑填充墻體與框架柱之間無拉結(jié)鋼筋。

3 典型案例分析

本文以某近代公共建筑為例，分析上海近代混凝土公共建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征。

3.1 項目概況

大樓設(shè)計人為鄔達克，結(jié)構(gòu)形式均為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)類型為交叉梁筏殼基礎(chǔ)，建于1930年～1933年。大樓西側(cè)共九層，東側(cè)共八層，于1994年被列為第二批上海市優(yōu)秀近代保護建筑，保護類別為三類。底層沿街房屋大多用作商鋪，二層以上作為辦公使用。

3.2 檢測結(jié)果

(1)材料強度

采用鉆芯修正法檢測混凝土強度，混凝土實測強度平均值為21.6MPa，最小值為16.8MPa，總體上實測強度推定為C18。

采用表面硬度法推定鋼筋強度，推算鋼筋抗拉強度的最小值為499MPa，實測鋼筋強度滿足HPB235級熱軋鋼筋的要求。

(2)房屋損傷和構(gòu)造缺陷

房屋部分墻體和天花板有嚴重滲水現(xiàn)象，部分構(gòu)件鋼筋嚴重銹蝕。

結(jié)構(gòu)布置缺陷包括局部柱網(wǎng)不對齊，走廊無橫梁使房屋結(jié)構(gòu)無法形成完整的平面框架，梁托柱、板托墻等轉(zhuǎn)換構(gòu)件較多造成豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，平面凹進尺寸較大等。

配筋構(gòu)造缺陷包括梁端頂部配筋較少，梁柱節(jié)點核心區(qū)未配置箍筋，梁柱構(gòu)件端部箍筋配置較少，樓板板面無鋼筋，墻體僅配單排鋼筋等。

構(gòu)件截面尺寸缺陷包括部分柱截面尺寸偏小，電梯井墻體作為剪力墻其厚度偏小等。

其他方面包括填充墻體與框架柱之間無拉結(jié)鋼筋等。

3.3 承載力計算結(jié)果

《上海市建筑規(guī)則》和荷載規(guī)范中荷載取值見表7，《中國工程師手冊》和混凝土規(guī)范中材料強度取值見表8。房屋原設(shè)計時未考慮抗震設(shè)防，當時柱設(shè)計僅考慮豎向荷載作用，梁和板的邊界條件按簡支考慮。梁、板和柱承載力計算基于構(gòu)件層面，不考慮真實情況下結(jié)構(gòu)整體平面和空間作用?！渡虾Ｊ薪ㄖ?guī)則》和混凝土規(guī)范典型柱、梁和樓板承載力計算結(jié)果見表9～12。

《上海市建筑規(guī)則》和荷載規(guī)范中荷載取值 表7

《中國工程師手冊》和混凝土規(guī)范中材料強度取值 表8

典型柱抗壓承載力計算結(jié)果 表9

典型梁抗彎承載力計算結(jié)果 表10

典型梁抗剪承載力計算結(jié)果 表11

典型板抗彎承載力計算結(jié)果 表12

由表9可知，《中國工程師手冊》和混凝土規(guī)范中柱設(shè)計軸力計算結(jié)果接近，但是由于混凝土規(guī)范中混凝土容許全截面受壓強度值偏低，軸壓承載力計算結(jié)果偏保守。原設(shè)計混凝土柱箍筋按構(gòu)造要求配置，柱端配筋未加密，梁柱節(jié)點核心區(qū)未配置箍筋(圖1)。

圖1 典型框架柱配筋示意圖

由于大多梁支座的實配鋼筋很少(圖2)，按兩端鉸接梁計算，但仍有部分梁跨中承載力不足，進一步考慮受壓區(qū)樓板的作用，按T形截面進行梁跨中正截面承載力驗算。表10中由于混凝土梁正截面承載力計算時《中國工程師手冊》和混凝土規(guī)范中受壓區(qū)混凝土的應力圖形不一致，計算結(jié)果有差異。

圖2 典型梁配筋示意圖

大部分梁端配置的箍筋和彎起鋼筋提供抗剪承載力。表11中由于《中國工程師手冊》梁彎起鋼筋抗剪承載力計算公式與混凝土規(guī)范中的有差異，《中國工程師手冊》計算結(jié)果偏大，高估了彎起鋼筋抗剪承載力。

由于樓板板面未配鋼筋(圖3)，計算時將支座假定為簡支。表12中板長邊和短邊長度之比為1.8，《中國工程師手冊》按單向板計算板承載力，混凝土規(guī)范中按雙向板計算，由于長邊和短邊尺寸相差較小，按雙向板計算結(jié)果更合理。

圖3 典型樓板配筋示意圖

4 結(jié)論

本文以上海近代混凝土公共建筑的混凝土力學性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計方法為研究對象，通過研究上海近代建筑設(shè)計規(guī)范、設(shè)計手冊、教科書等資料，總結(jié)歸納出當時混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計和構(gòu)件承載力計算要求，并與現(xiàn)行標準的相關(guān)內(nèi)容進行對比分析，得到如下結(jié)論：

(1)根據(jù)不同水灰比，上海近代混凝土公共建筑的混凝土養(yǎng)護28d后預定強度(抗壓強度)有四種，分別為10.6，14.0，17.6，21.1MPa?？紤]到混凝土強度隨齡期的增長而不斷發(fā)展，上海近代混凝土公共建筑的混凝土強度基本介于C10～C20之間，混凝土強度普遍偏低。

(2)上海近代混凝土公共建筑采用容許應力法進行設(shè)計，混凝土安全系數(shù)取值范圍為2.2～5.0，鋼筋安全系數(shù)取值約為2.0，具有一定的安全冗余度。但是安全系數(shù)是經(jīng)驗值，不同規(guī)范和手冊對于同等強度同類型構(gòu)件取值有差異，缺乏嚴格的科學依據(jù)。

(3)上海近代混凝土公共建筑采用的樓面活荷載取值普遍偏大，與荷載規(guī)范中荷載比值在1.5～4.1之間，屋面荷載與荷載規(guī)范有差異，恒載按照實際荷載計算，但是均未考慮荷載分項系數(shù)。

(4)上海近代混凝土公共建筑梁正截面承載力、梁斜截面承載力、柱軸壓承載力和板承載力計算方式均與混凝土規(guī)范有差異，其中《中國工程師手冊》中梁彎起鋼筋抗剪承載力計算公式以及單向板和雙向板判別標準相對不合理。

(5)上海近代混凝土公共建筑梁柱及節(jié)點未考慮抗震構(gòu)造設(shè)計，因此通常存在部分柱網(wǎng)上下不對齊、梁柱構(gòu)件端部箍筋未加密、節(jié)點核心區(qū)箍筋未加密、部分箍筋采用U形和W形、梁頂部沿全長未設(shè)置通長縱向鋼筋、填充墻與框架柱之間未拉結(jié)等構(gòu)造缺陷，因此上海近代混凝土公共建筑普遍達不到現(xiàn)行抗震設(shè)計標準的要求。

(6)由于上海近代混凝土公共建筑受到建筑材料、施工技術(shù)、設(shè)計水平等因素制約，上海近代混凝土公共建筑原始設(shè)計、材料質(zhì)量和建造工藝與現(xiàn)行標準相比通常存在缺陷。對既有上海近代混凝土公共建筑結(jié)構(gòu)鑒定、改造和修繕不能簡單套用現(xiàn)行標準，而應考慮原設(shè)計方法，才能正確地改造利用。