上海近代混凝土公共建筑結構設計理念與現行標準對比研究*

白 雪

(1 上海市建筑科學研究院有限公司， 上海 200032； 2 上海市工程結構安全重點實驗室， 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；鋼筋混凝土結構為新建筑體系的創作提供了各種可能性，引發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，混凝土結構已經大量運用于各種公共建筑中，不僅增加了建筑的層數，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了當時先進的結構設計和施工技術成就，但是當初的設計方法尚不成熟，且使用至今已超出了混凝土結構的使用年限，多數建筑存在不同程度的各種結構問題；此外，近代混凝土公共建筑一般都沒有考慮抗震設防，其梁、柱和節點的抗震性能普遍不足，為達到現行標準要求，往往需要進行大規模結構加固改造。因此，認識并挖掘近代公共建筑的結構特征，了解其材料、構造特點和設計理念，才能更好地保護這些優秀歷史文化遺產。

目前國內外研究近代混凝土公共建筑主要是從建筑史、建筑設計、建筑師、建筑技術、修繕保護和改造利用等角度切入，對近代建筑的構造方法和結構設計方法的研究比較罕見。結構方面的研究較多側重于加固技術，很少涉及結構設計方法。張凱[2]和許先寶[3]通過對《上海市建筑規則》[4]、《鋼筋混凝土學》[5]等歷史資料進行研究，分析江浙地區民國時期鋼筋混凝土建筑的構造和結構設計方法。淳慶等[6]通過研究民國時期歷史資料，結合檢測數據，總結出民國時期鋼筋混凝土結構的材料特征和構造特征，并與現行標準進行對比。王海軍[7]結合某上海近代混凝土結構建筑檢測及安全性分析結果，總結了近代梁板柱結構建模計算分析時應采取的調整措施。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構構造特征進行分析。

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

1 混凝土強度及和易性

根據《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系最大；強度及耐久性為水灰比的直接函數，其他因素為常數。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。

近代建筑結構設計書目 表1

根據美國鋼筋混凝土聯合委員會制訂的《鋼筋混凝土規范》，混凝土水灰比與混凝土強度之間關系見表2，水灰比不得超過表2所列數值，表內所列的配合比為概數，應須按照具體情形酌情加減。

水灰比與抗壓強度關系[7] 表2

由表2可知，根據不同水灰比混凝土養護28d后抗壓強度有四種，分別為10.6，14.0，17.6，21.1MPa。依據《中國工程師手冊》，根據混凝土構件的裸露程度(耐久性)，鋼筋混凝土房屋外部混凝土構件抗壓強度通常選用17.6MPa，室內混凝土構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展，上海近代建筑混凝土強度基本介于C10～C20之間。根據混凝土規范，目前我國鋼筋混凝土結構的混凝土強度等級不應低于C20。現代混凝土在水泥、砂、石子和水基礎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，達不到現行標準的要求。

2 結構設計

2.1 安全系數

上海近代混凝土公共建筑結構采用以彈性理論為基礎的容許應力法進行設計，鋼筋混凝土結構中混凝土容許應力和安全系數見表3～5。

《上海市建筑規則》中混凝土容許應力和安全系數 表3

《中國工程師手冊》中混凝土容許應力和安全系數 表4

《鋼筋混凝土規范》中混凝土容許應力和安全系數 表5

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

由表3～5可知，混凝土構件根據受力特征不同采用不同的安全系數，如混凝土受彎構件，按照彈性理論進行應力分析時，應力分布不均勻，因此安全系數偏低，而混凝土全截面受壓構件，應力分布均勻，因此安全系數偏高。此外，混凝土安全系數取值范圍為2.2～5.0，鋼筋安全系數取值約為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中；而混凝土規范中混凝土抗拉和抗壓材料強度分項系數為1.4，延性較好的熱軋鋼筋材料強度分項系數為1.1，說明當時的設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件設計存在一定不足，具體表現為：容許應力法把影響結構安全的眾多因素歸結于對材料強度的折減，無法分別加以考慮；安全系數是經驗值，不同規范和手冊對于同等強度的同類型構件取值有差異，缺乏嚴格的科學依據；容許應力法未區分荷載情況，未區分不同恒、活荷載比例對結構安全的影響。

2.2 荷載取值

將《上海市建筑規則》和荷載規范中樓面荷載取值進行對比(表6)，《上海市建筑規則》中樓面活荷載取值普遍偏大，《上海市建筑規則》與荷載規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；《上海市建筑規則》中恒載按照實際荷載計算，未考慮荷載分項系數。

《上海市建筑規則》和荷載規范中樓面荷載取值對比 表6

《上海市建筑規則》規定，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，大于荷載規范規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 構件承載力設計

(1)梁正截面承載力設計

《中國工程師手冊》與混凝土規范中混凝土梁正截面承載力計算時受壓區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系假定為直線，混凝土規范中混凝土梁正截面承載力計算時采用等效受壓區高度。《中國工程師手冊》與混凝土規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為構件彎矩設計值；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為鋼筋抗拉強度設計值；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值；As為受拉區縱向普通鋼筋的截面面積；b為矩形截面的寬度；α1為系數。

《鋼筋混凝土學》僅給出了少筋梁的規定，最小配筋率為1%，根據混凝土規范，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》與混凝土規范中T形梁受彎構件受壓區有效翼緣計算寬度bf′不一致。混凝土規范中bf′定義數值偏大，更多地考慮了受壓區樓板對抗彎承載力的影響。

(2)梁斜截面承載力設計

《中國工程師手冊》與混凝土規范中混凝土梁彎起鋼筋抗剪承載力計算不一致。《中國工程師手冊》中混凝土梁斜截面抗剪承載力計算公式分別見式(3)，(4)，混凝土規范中混凝土梁(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為構件斜截面受剪承載力設計值；fv為混凝土容許抗剪強度值；fyv為箍筋的抗拉強度設計值；Asv為配置在同一截面內箍筋各肢的全部截面面積；s為沿構件長度方向的箍筋間距；Asb為同一平面內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件縱軸線的夾角；αcv為斜截面混凝土受剪承載力系數；ft為混凝土軸心抗拉強度設計值。

(3)柱軸壓承載力設計

《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范一樣乘以折減系數0.9。

《中國工程師手冊》與混凝土規范對長柱(考慮失穩因素的影響)的定義不同。《中國工程師手冊》中長柱定義為h/d>10或h/i>40，需要考慮柱失穩的影響；混凝土規范中，當l0/d≤8或l0/i≤28時可不考慮失穩的影響，其中l0為計算長度，d為圓截面直徑，i為截面回轉半徑。

《鋼筋混凝土學》中混凝土軸心受壓構件的配筋率范圍為0.5%～2%，混凝土規范要求受壓構件的配筋率范圍為0.5%～5%。《鋼筋混凝土學》中最大配筋率偏小是因為未考慮抗震要求。

(4)板承載力設計

《中國工程師手冊》與混凝土規范中單向板和雙向板長寬比定義不同。混凝土規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 構件構造設計

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

(1)結構布置

房屋采用的柱網不規則，設計時根據建筑實際需要設置梁、柱，橫向未形成完整框架，部分柱上未設置梁，部分梁未設置在柱上。各梁端支座處配筋弱，跨中配筋較強。

(2)節點

設計時未采用“強節點弱構件”的設計原則，具體表現為梁柱構件端部箍筋未加密、節點核心區箍筋未加密，與依據現行標準設計的框架結構相比，其節點處抗彎能力較弱。

(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。對于連續梁，由于彎起鋼筋穿過節點一段距離，不僅考慮此側彎起鋼筋，還應考慮相鄰側穿過來的鋼筋，當彎起鋼筋不足以承擔荷載時，支座處設置上部鋼筋。

(4)構件截面尺寸

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

(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構構造特征。

3.1 項目概況

大樓設計人為鄔達克，結構形式均為鋼筋混凝土框架結構，基礎類型為交叉梁筏殼基礎，建于1930年～1933年。大樓西側共九層，東側共八層，于1994年被列為第二批上海市優秀近代保護建筑，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)房屋損傷和構造缺陷

房屋部分墻體和天花板有嚴重滲水現象，部分構件鋼筋嚴重銹蝕。

結構布置缺陷包括局部柱網不對齊，走廊無橫梁使房屋結構無法形成完整的平面框架，梁托柱、板托墻等轉換構件較多造成豎向抗側力構件不連續，平面凹進尺寸較大等。

配筋構造缺陷包括梁端頂部配筋較少，梁柱節點核心區未配置箍筋，梁柱構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鋼筋等。

3.3 承載力計算結果

《上海市建筑規則》和荷載規范中荷載取值見表7，《中國工程師手冊》和混凝土規范中材料強度取值見表8。房屋原設計時未考慮抗震設防，當時柱設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件層面，不考慮真實情況下結構整體平面和空間作用。《上海市建筑規則》和混凝土規范典型柱、梁和樓板承載力計算結果見表9～12。

《上海市建筑規則》和荷載規范中荷載取值 表7

《中國工程師手冊》和混凝土規范中材料強度取值 表8

典型柱抗壓承載力計算結果 表9

典型梁抗彎承載力計算結果 表10

典型梁抗剪承載力計算結果 表11

典型板抗彎承載力計算結果 表12

由表9可知，《中國工程師手冊》和混凝土規范中柱設計軸力計算結果接近，但是由于混凝土規范中混凝土容許全截面受壓強度值偏低，軸壓承載力計算結果偏保守。原設計混凝土柱箍筋按構造要求配置，柱端配筋未加密，梁柱節點核心區未配置箍筋(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》和混凝土規范中受壓區混凝土的應力圖形不一致，計算結果有差異。

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范中的有差異，《中國工程師手冊》計算結果偏大，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，按雙向板計算結果更合理。

圖3 典型樓板配筋示意圖

4 結論

本文以上海近代混凝土公共建筑的混凝土力學性能、結構設計方法為研究對象，通過研究上海近代建筑設計規范、設計手冊、教科書等資料，總結歸納出當時混凝土結構構造設計和構件承載力計算要求，并與現行標準的相關內容進行對比分析，得到如下結論：

(1)根據不同水灰比，上海近代混凝土公共建筑的混凝土養護28d后預定強度(抗壓強度)有四種，分別為10.6，14.0，17.6，21.1MPa。考慮到混凝土強度隨齡期的增長而不斷發展，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計，混凝土安全系數取值范圍為2.2～5.0，鋼筋安全系數取值約為2.0，具有一定的安全冗余度。但是安全系數是經驗值，不同規范和手冊對于同等強度同類型構件取值有差異，缺乏嚴格的科學依據。

(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，與荷載規范中荷載比值在1.5～4.1之間，屋面荷載與荷載規范有差異，恒載按照實際荷載計算，但是均未考慮荷載分項系數。

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

(6)由于上海近代混凝土公共建筑受到建筑材料、施工技術、設計水平等因素制約，上海近代混凝土公共建筑原始設計、材料質量和建造工藝與現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構鑒定、改造和修繕不能簡單套用現行標準，而應考慮原設計方法，才能正確地改造利用。