建筑结构加固设计的使用年限探讨
1概述
众所周知，建筑结构的加固是一项牵涉面广、受诸多因素制约、不定性多而繁杂的综合工程。就已有建筑物而言,有建国前的老建筑,有建国后不同年代的建筑。由于不同时期设计的工程所采用的设计规范和计算方法不同,可靠度亦不同，如果考虑到不同时期施工质量的差异,则实际的可靠度差异更大。此外,已有建筑使用年限长短各异,其可靠度亦各不相同。20世纪80年代以来,随着我国市场经济的迅速发展,城镇建筑工程大量兴建,高楼林立,建筑业蓬勃发展。有关政府主管部门和社会公众迫切要求明确建筑结构的目标安全使用期即结构的设计使用年限,以规范建筑市场以及建筑结临时性结构为5年；易于替换的结构件为25年；普通房屋和构筑物为50年；纪念性建筑和特别重要的建筑结构为100年。
明确设计使用年限是设计规定的一个使用时期,在这一规定期内,只需进行正常的维护而不需进行大修就能按预期目的使用,完成预定的功能, 即房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维护下所应达到的使用年限。同时,统一标准 还规定了设计基准期为50年。此外,(建筑结构荷载规范 (GB50009-2001)(以下简称荷载规范) 和各类结构设计规范均遵守统一标准,给出了各自结构的设计使用年限的规定.统一标准 规定设计使用年限的做法在我国建筑结构设计史上是首次,这对规范建筑市场管理和建筑结构安全合理使用,以及建筑业持续健康发展具有深远影响。但对于建筑结构因各种原因加固后的下一目标使用的安全合理使用和妥善管理方面还存在问题。为此，对于新建工程，现行建筑结构可靠度设计统一标准)(GB50068-2001)(以下简称统一标准) 借鉴了《结构可靠度总原则(ISO2394:1998),用强制性条文规定了不同类型结构的设计使用年限,即结构的加固设计使用年限应如何确定,目前尚无统一的标准明确规定。这是加固行业中亟待研究解决的重大问题。
2讨论
据有关部门初步统计, 我国已有建筑物总量(包括城镇房屋建筑、工业建筑等) 已超过400亿㎡, 且每年新增20亿㎡以上的新建筑。据一些专家估计, 约有30%~50%的建筑物出现安全性失效或进入功能退化期。也有统计资料表明:约有25亿㎡的建筑物急需进行鉴定与加固处理。不论是前者还是后者, 都显示出加固工程量的巨大。可是, 在当前加固工程如此繁重的情况下,不协调的是结构加固设计队伍中, 经验不足的设计人员占较大比重,致使加固工程失误案例时有发生,对于结构的加固设计使用年限的重大问题更感迷惑,难以正确把握。建筑结构加固后的设计使用年限问题确实是当前加固行业中急待解决的重大问题。
可喜的是,最近颁布实施的国家标《混凝土结构加固设计规范(GB50367-2013)》(以下简称混凝土加固规范) 第3.1.7条规定: 混凝土结构的加固设计使用年限,应按下列原则确定:
1)结构加固后的使用年限,应由业主与设计单位共同商定。
2)当结构的加固材料中含有合成树脂或其他聚合物成分时,其结构加固后的使用年限宜按30年考虑；当业主要求结构加固后的使用年限为50年时,其所使用的胶和聚合物的粘结性能,应通过耐长期应力作用能力的检检验。
3)使用年限到期后，当重新进行的可靠性鉴定认为该结构工作正常,仍可继续延长其使用年限。
4)对使用胶粘方法或掺有聚合物加固的结构、构件,尚应定期检查其工作状态。检查时间间隔可由设计单位确定, 但第一次检查时间不应迟于10年。
5)当为局部加固时,应考虑原建筑物剩余设计使用年限对结构加固后设计使用年限的影响。
但是, 此规定似过于原则,尚未考虑到结构加固的多种复杂情况应如何区别对待的问题。
我们认为,下列几点值得进一步探讨:
1)被加固结构已服役年限问题。已有建筑物服役年限长短不同,其剩余可靠度亦各不同,加固时均按30年考虑,似过粗。
2)已有建筑物由于增层或改造所引起的加固与一般结构构件所需要的加固区别很大,前者应考虑新、老部分如何协调使用年限的问题; 而后者处理相对比较单一。
3)政府规划部门或业主要求的加固后使用年限不足30年的应如何处理。
4)对于可变作用即楼面活荷载、风荷载和雪荷载标准的取值问题应予考虑。因荷载规范是按设计基准期50年考虑的,而加固结构应按加固后下一目标使用期(如30年) 取值,两者显而易见应是不同的.实际上,加固材料性能取值亦是不同的。
5)对于某些遭受偶然事件如爆炸、火灾、撞击等引起的抢险加固或一些危房已被判死刑而缓期执行的抢险加固或急需的临时加固(我们曾负责处理过多起这方面工程)也应区别对待。
6)对某些经验尚不足的加固技术,如使用胶粘剂或其他聚合物的情况,不可避免地存在着耐老化等问题,是业主和设计者非常关心的现实问题, 加固后结构的性能是否能与原结构的性能相同,必须进一步研究。
3建议
我们认为,在确定结构的加固设计使用年限时,上述问题必须予以考虑,尽可能定得细一些,以便业主和设计者能正确掌握和处理。为此,可考虑分级处理: 即分为抢修加固、临时加固、短期加固和长期加固四级,并相应规定其设计使用年限。
1.抢修加固
有的建筑由于种种原因已被鉴定为危险房屋(整体或局部),但又因特殊原因而不能即行拆除重建,即所谓被判死缓,也有某些建筑遭受爆炸、火灾等偶然事件引起的局部破坏,则必须即行抢修加固。建议抢修加固后的使用年限一般不应超过1年。这种情况加固后应经常检 查(如三个月做 一次),以防再次发生险情。
2.临时加固
为与统一标准相协调,对于一些临时性结 构或已有建筑结构遭受火灾、地震、爆炸 等损坏,业主要求应急加固,然后从长远考虑后再进行处理时,可采取临时加固。建议临时加固的设计使用年限一般不超过5年, 并应加固后每年检查一次;到期后,若重新进行的可靠性鉴定认为该结构工作正常, 则仍可适当延长其使用年限。
3.短期加固
短期加固一般适宜于已服役30年左右的建筑物需改变使用功能(包括增层、改造)引起的加固情况,或业主使用要求仅需此期限要考虑拆除翻建,以及城市规划部门有要求的情况。
建议短期加固的设计使用年限一般不超过25年。这与统一标准对易于替换的结构构件规定的25年也是相协调的。必须指出,短期加固设计时所取用的可变荷载值除应按现行荷载规范的规定采取外,还应按下一步目标使用期乘以小于1.0的折减系数予以折减。
4.长期加固
长期加固一般适宜于在役时间不长或服役不超过20年的建筑物因各种原因所需的加固。一般情况下其加固设计使用年限为30~50年或更长。此外,在建工程所需的加固,应按新建工程即50年考虑。这时,加固设计应遵守混凝土加固规范的有关规定。
应该指出,对于一些纪念性建筑物和特别重要 的建筑结构, 以及业主认为其 建筑物极具保存价值,而加固费用也不成问题,则可商定一个超过50年的设计使用年限。这样,加固设计时其可变荷载取值除应按荷载规范规定的取值外,应乘以大于1.0的荷载扩大系数,而材料强度值除应按有关规定取值外,应乘以小于1.0的折减系数予以折减。扩大系数和折减系数应根据商定的实际设计使用年限按统一标准有关规定的概率分布及相应的统计系数确定。
最后,应强调指出,业主和设计方在商定加固设计使用年限时,前者应耐心听取后者的技术经济分析意见;后者也应尊重前者所提的使用功能和使用年限的要求。双方必须在被加固建筑物的安全适用,经济合理,技术可靠,施工方便,节能环保前提下取得共识。