施工資料缺失的既有混凝土高層建筑結構安全性評定技術

趙國軍，崔 浩

（國投工程檢驗檢測有限公司，云南 昆明 650000）

0 引言

昆明市某項目總建筑面積 453 478 m2，為住宅和商業一體化小區，共包括 17 棟 27～33 層的高層建筑、10 棟2～4 層的低層建筑，帶有 1 層地下室。因建設過程管理不善，建筑結構施工圖紙未進行審查，大部分施工過程控制資料缺失。如何科學評定混凝土高層建筑結構的安全性，給后續處理決策提供技術性指導和依據，本文結合實際項目的評定過程及經驗，對結構參數采集、數據信息提取和應用數據評定結構安全性的技術進行了研究。

1 建筑概況

該項目高層建筑為住宅樓，剪力墻結構，設計使用年限為 50 年，建筑結構安全等級為二級，抗震設防類別為丙類，剪力墻抗震等級為一級，地下室頂板為嵌固端，基礎除 2 # 樓為旋挖成孔灌注樁基礎外，其余各棟均采用預應力管樁基礎。截至評定工作開展時，中途停工兩年左右，結構均已封頂，填充墻體已砌筑完成，部分戶型已做二次裝修。

2 評定過程

2.1 圖紙復核

2.1.1 結構構件的布置情況調查

施工時結構布置是否與既有設計圖紙資料相符，或采用何種結構布置形式的情況調查是評定工作開展的前提。根據現場排查，本次評定的各棟建筑按圖進行結構布置施工，后續評定工作依據既有結構設計文件資料展開。

2.1.2 尺寸檢測

1）構件截面尺寸。本次評定以樓棟作評定單元，樓層為檢測批劃分范圍，按 GB/T 50344－2019《建筑結構檢測技術標準》（以下簡稱“GB/T 50344－2019”）［1］第 3.3.10 條檢測類別 B 類確定尺寸檢測批抽樣檢測的最小樣本容量。17 棟高層建筑共計抽檢板構件 2 955 個、梁構件 3 983 個和墻構件 4 064 個，以構件實測值與設計值的比值作為統計參數。

經統計分析，各棟建筑板厚比值在 0.91～1.28，平均值在 1.04～1.11，≥1.00 的構件占抽檢構件的比例在 83.8 %～99.3 %；梁截面面積（梁寬×梁底至板底高度）比值在 0.93～1.05，平均值均為 1.00，≥1.00 的構件占抽檢構件的比例在 61.5 %～90.9 %；墻厚比值在 0.99～1.03，平均值均為 1.00，≥1.00 的構件占抽檢構件的比例在 90.4 %～100 %。各棟建筑構件尺寸的比值分布情況如圖 1～圖 3 所示。

圖1 板構件檢測結果比值分布圖

圖2 梁構件檢測結果比值分布圖

圖3 墻構件檢測結果比值分布圖

2）樓層層高。各棟建筑層高（實測凈高+實測板厚）比值在0.99～1.01，平均值均為 1.00，≥1.00 的位置占抽檢位置的比例在 90.4 %～100 %。各棟建筑層高的比值分布情況如圖 4 所示。

圖4 層高檢測結果比值分布圖

2.1.3 混凝土抗壓強度檢測

本次評定按 GB/T 50344－2019 檢測類別 B 類確定強度檢測批抽樣檢測的最小樣本容量。采用回彈法對構件現齡期混凝土強度進行檢測，按 DBJ 53/T－52－2013《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》［2］給定的云南省地區測強曲線計算測區混凝土抗壓強度，并對每棟同一設計強度等級測區強度計算結果進行鉆芯法修正。17 棟高層建筑共檢測 8 048 個構件強度，包括 1 093 個批，其中設計強度等級為 C 30 的 270 批、C35的 363 批、C40 的 274 批、C45 的 76 批、C50 的 88 批和 C55 的 22 批，檢測范圍覆蓋所有承重構件的設計強度等級，且基本覆蓋每一樓層；共計鉆取混凝土芯樣 441 個。按 GB/T 50344－2019 計算具有 95 % 保證率標準值的推定區間，以檢測批推定區間下限值與設計值的比值作為統計參數。

經統計分析，強度比值在 0.84～1.92，平均值在 1.03～1.39，≥1.00 檢測批占同等級檢測批的比例在 90.5 %～99.6 %。各強度等級檢測批比值分布情況如圖 5 所示。

圖5 構件混凝土強度檢測結果比值分布圖

實測混凝土強度推定結果總體高于設計要求的強度值，沿建筑高度方向的總體變化趨勢與設計強度的變化趨勢基本一致，呈隨高度增加遞減趨勢，但就變化程度而言則每棟建筑各不相同。各棟建筑梁和墻構件的實測強度與設計強度間的變化情況如圖 6 和圖 7 所示。

圖6 梁構件混凝土強度檢測結果分布圖

圖7 墻構件混凝土強度檢測結果分布圖

2.1.4 鋼筋配置情況檢測

既有建筑中的鋼筋已被澆筑在構件內部，了解具體鋼筋配置情況存在較大困難。現場檢測時，板和墻構件具備檢測受力主筋的工作面，梁構件則存在填充墻阻擋、底部寬度較窄和受力主筋配置密集等情況，間距和根數均難以準確測定。檢測時，對板和墻構件主受力鋼筋的配置間距進行檢測，梁構件以檢測箍筋間距為主，同時抽檢具有檢測條件的梁構件的縱向鋼筋數量，并記錄縱向鋼筋檢測結果是否存在疑義；當檢測工作完成后，選取存在疑義較大的數根梁構件進行剔鑿，驗證其鋼筋的配置根數和直徑是否與設計相符。現場按 GB/T 50344－2019 檢測類別 A 類確定間距檢測批抽樣檢測的最小樣本容量，17 棟高層建筑共計抽檢間距為板構件 2 955 個、梁構件 1 710 個和墻構件 1 730 個，以間距實測值與設計值的偏差作為統計參數。經統計分析，板、梁和墻構件鋼筋間距偏差服從 N（μ，σ2）正態分布，其平均值分別為 1.2 mm、3.0 mm 和2.1 mm，標準差分別為 5.7 mm、6.1 mm 和 6.0 mm。各棟建筑間距偏差頻率散點圖及偏差總體的正態曲線分別如圖 8～圖 10 所示。

圖8 板底分布鋼筋間距檢測結果偏差分布圖

圖9 梁底箍筋間距檢測結果偏差分布圖

圖10 墻體豎向鋼筋間距檢測結果偏差分布圖

鋼筋間距現場檢測工作完成后，共確定 10 根梁構件進行剔鑿驗證檢測。經檢測，所剔鑿梁構件的縱向鋼筋數量和直徑均與設計相符，未發現存在異常的情況。現場剔鑿情況如圖 11 所示。

圖11 梁構件受力主筋現場剔鑿驗證

2.2 資料核查

經查閱和統計，該項目的大部分工程資料存在缺失，各棟建筑資料均不完整。考慮大部分分項工程在既有建筑中已完全隱蔽，無有效的手段對其質量進行檢測，故資料核查工作中重點對鋼筋原材、連接件的見證送檢資料，鋼筋加工、安裝和隱蔽驗收資料，基樁承載力、樁身完整性和管樁對接焊縫檢測資料，及建筑施工過程中的沉降觀測資料進行核查。

經核查，各棟建筑現有資料顯示鋼筋原材、連接件試驗結果滿足規范要求，鋼筋加工、安裝和隱蔽驗收結果合格；基樁承載力試驗結果滿足設計要求，樁身完整性檢測結果中僅含Ⅰ、Ⅱ類樁，無Ⅲ、Ⅳ類樁，管樁對接焊縫質量滿足Ⅱ級焊縫質量等級要求；建筑沉降觀測最后 100 d 的最大沉降速率已達到 JGJ 8－2016《建筑變形測量規范》［3］關于穩定狀態的技術要求，實測累計沉降量平均值和基礎傾斜小于 GB 50007－2011《建筑地基基礎設計規范》［4］對高層建筑基礎平均沉降量和傾斜限值，觀測過程中未發現存在大規模沉降、嚴重不均勻沉降和地面開裂情況。其他工程資料核查結果未發現存在異常。

2.3 結構損傷排查

現場主要檢查板、梁和墻構件表面是否存在開裂損傷、蜂窩、麻面、孔洞、夾渣和離析的情況。經排查，板構件頂面四周和底面中部、梁構件兩端節點和跨中及墻構件基本完好，地下室基礎筏板柱腳、墻腳和柱作為分割的單元區域中部位置完好，未發現存在顯著影響結構或構件承載力的裂縫及其他損傷情況。

2.4 結構驗算

在本次結構安全性評定過程中，以結構驗算作為將現場檢測參數與結構安全性評定相互關聯的重要手段。考慮該項目設計與施工同步，施工圖紙未進行審核，驗算時結構模型以設計單位提供的原始結構計算模型為基礎，驗算前對結構模型進行復核，復核后根據當前建筑的實際情況，引入結構實測參數進行驗算。

2.4.1 結構設計模型復核

1）參數復核。本項目結構設計采用中國建筑科學研究院有限公司研發的 PKPM 系列有限元計算軟件。經復核，結構模型中結構及構件布置與本次評定采用的結構設計圖紙相符，構件間連接節點的處理符合剪力墻結構的傳力要求；結構計算參數設置基本合理，滿足相關規范要求，未發現存在明顯錯誤的情況；設計模型中平面荷載設置與建筑實際情況基本相符，滿足 GB 50009－2012《建筑結構荷載規范》［5］的相關規定，荷載在構件中的導荷方式設置合理。

2）結果復核。參數復核后對結構承載力進行驗算，并復核驗算結果。結果顯示各棟建筑上部結構構件無超筋情況，構件設計截面承載力滿足 GB 50010－2010（2015 版）《混凝土結構設計規范》［6］的相關規定，對比施工圖中主要承重構件的配筋情況，各構件配筋面積均大于計算配筋面積；結構抗震驗算結果中，3 棟、4 棟、5 棟和 6 棟建筑存在層間最大彈性位移角設計值超限情況，其余建筑抗震驗算結果均滿足 GB 50011－2010（2016 版）《建筑抗震設計規范》［7］和 JGJ 3－2020《高層建筑混凝土結構技術規程》［8］的相關規定。基礎筏板抗浮驗算結果滿足GB 5007－2011《建筑地基基礎設計規范》的相關規定，基樁豎向承載力驗算結果均小于設計豎向承載力標準值，且滿足 JGJ 94－2008《建筑樁基技術規范》［9］的相關規定。

2.4.2 模型修正

對建筑結構驗算模型詳細了解后，引入結構實測參數對驗算模型進行修正。因實測結構參數龐大且復雜，未做一定的處理就引入結構模型，非但徒增評定工作量，還不能準確描述實際結構的安全性。因此，本次對模型的修正工作中，對引入的實測參數作了恰當的假定和簡化處理。

1）尺寸修正。根據尺寸檢測結果，樓板構件厚度總體偏厚，因樓面板構件承載力具有明顯的區域性特征，當某個樓面板構件承載力不滿足要求時，不致影響結構的整體承載，且在結構整體承載力計算時，樓面板采取了面內剛性假定。故本次樓面板對模型的修正主要體現在樓面板偏厚對結構質量的貢獻中，修正時以均布恒荷載的形式布置在各層樓面板上，修正量恒荷載值計算公式（1）如下。

式中：q為修正量恒荷載值，kN/m2；為各棟建筑抽檢樓面板厚度實測值與設計值比值的平均值；γ為混凝土容重，取 25 kN/m3；為樓層設計板厚平均值，m。

框架梁構件截面尺寸僅少數構件與設計差異較大，比值的平均值為 1.00，修正時僅對差異較大的構件按實測截面建模，不考慮截面變化后質量對結構整體的影響。剪力墻構件厚度僅極少數構件與設計存在差異，比值的平均值為 1.00，考慮墻構件的承載力特性與混凝土強度檢測情況，不對墻構件進行修正處理。

2）強度修正。根據混凝土強度檢測結果，強度呈總體偏高的情況，設計強度等級較低的混凝土構件偏高的程度較大，檢測批強度推定值最大偏高為設計強度的 1.92 倍。參考 GB/T 50344－2019 推薦使用推定上限值作為檢測結果判定的方法，若完全按對應檢測批推定上限值修正各樓層混凝土構件強度，則存在混凝土強度對結構承載力評定過于偏大的可能，驗算結果不利于對結構整體承載力的控制，且強度沿結構高度變化的隨機性，難于對數據作規整處理并修正驗算模型。

本次強度修正采用檢測批推定下限值數據作相應規整處理后引入結構驗算模型的方法。數據處理時根據推定下限值沿建筑高度的分布情況，參考設計強度沿建筑高度的變化，從建筑底層開始尋找推定值在設計強度變化位置附近具有明顯變化特征的點，若某設計強度變化位置無明顯的特征點，則查看設計強度下一變化位置附近推定值的變化情況，當全樓的特征點確定完后，以該類點作強度修正區間劃分，并計算各區間內推定值的平均值，并將平均值以 5 為修約間隔修約，修約結果作為該區間的強度修正值；特征點確定時應重點把握推定值與設計值間的總體變化趨勢，如存在某個推定值呈孤立的變化點，當變化值超過 10 MPa，則該點所代表的檢測批單獨進行修約和修正，當變化值＜10 MPa 時，該點納入最終確定后所在的區間內計算。具體修正值確定情況如圖 12 所示。

圖12 混凝土強度修正示例圖

3）鋼筋配置修正。根據鋼筋配置情況檢測結果，該項目板、梁和墻構件鋼筋間距總體偏差統計結果呈正態分布，偏差平均值在 1.2～3.0 mm，各棟建筑板、梁和墻構件鋼筋間距偏差平均值在 -2～4 mm，鋼筋間距偏差值遠小于配置鋼筋直徑，鋼筋配置數量檢查結果與設計相符，故構件實際配筋面積不作修正，以設計配筋情況校核配筋驗算結果。

根據現有的鋼筋母材及連接件的力學性能檢測報告，送檢材料性能指標均符合設計要求，故結構驗算時，鋼筋強度均按原設計取值，不作修正。

4）地基基礎模型修正。針對既有建筑基礎基本已被完全覆蓋，地基基礎模型修正主要參考設計文件資料、施工資料、驗收資料和功能檢驗資料。根據資料核查結果，現有的施工資料和驗收資料顯示地基基礎均按圖施工，功能檢驗資料顯示施工結果符合設計要求，故地基基礎結構模型不作修正。但因設計時采用的地質數據文件丟失，本次地基基礎驗算時，根據該項目的地質勘察報告，按 PKPM 軟件的格式要求重新進行對應建筑基礎模型的地質數據文件編寫。

2.4.3 結構驗算

1）地基基礎驗算。地基基礎驗算時，主要校核基樁在荷載效應標準組合及地震作用效應和荷載效應標準組合軸心豎向力作用下的承載力，筏板配筋，樁、柱和核心筒對筏板的沖切承載力；同時，控制樁基沉降變形和筏基抗浮穩定性的總體情況。

經驗算，各棟建筑基樁豎向承載力、抗震承載力和沖切承載力滿足現行規范規定，筏板施工配筋符合結構受力計算結果要求；基樁沉降量、整體傾斜和筏板抗浮穩定性滿足現行規范規定，未發現異常情況。

2）上部結構驗算。上部結構驗算時，主要校核結構構件配筋、撓度和開裂情況，并對結構整體的剪重比、剛度比、受剪承載力、位移比、位移角、周期比和軸壓比進行驗算控制。

經驗算，各棟建筑結構構件施工配筋符合結構受力計算結果要求，撓度和裂縫寬度驗算結果小于規范限值；結構剪重比、剛度比和受剪承載力沿建筑高度均勻變化，無異常突變情況，比值滿足規范規定，周期比和軸壓比小于規范限值。2～6 棟、12 棟和 13 棟結構位移比最大值＞1.2，但≤1.5，其余各棟結構位移比最大值＜1.2；3～6 棟結構模型經修正后，層間最大彈性位移角計算結果較修正前有所減小，但依然超過規范限值。

2.5 沉降變形觀測

沉降變形觀測點主要布置于結構與室外地面交接處，建筑大轉角位置的剪力墻上，當建筑大轉角相距較大時，在兩測點間適當增加 1～2 個測點；為盡可能地了解建筑物整體沉降變形情況及趨勢，本次沉降變形觀測歷時 98 d，觀測期次為 5 期。

經觀測，各棟建筑最大累計沉降量在 2.47～6.05 mm，平均沉降量在 1.65～3.83 mm，日均沉降量在 0.02～ 0.04 mm ；過程中未出現較大不均勻沉降，未發現危及建筑物安全的陡降和突降等異常現象，周邊場地無不均勻沉降裂縫。各棟建筑物沉降變形觀測結果統計情況如表 1 所示。

表1 建筑物沉降變形觀測結果統計匯總表

2.6 結構傾斜觀測

2.6.1 傾斜觀測及數據處理方法

結構傾斜測點主要布置在建筑大轉角的陽角位置，觀測前在轉角底部和頂部分別粘貼劃有十字線的反射片。觀測時，根據結構平面布置確定建筑的兩個主軸，采用全站儀觀測各測點位置結構頂部相對底部沿建筑兩個主軸的偏移情況，記錄偏移量、偏移方向和觀測高度，具體觀測方法和結果記錄情況如圖 13 所示。

圖13 結構傾斜觀測及結果記錄示意圖

考慮傾斜觀測受現場條件和結構體型等影響，測點間的觀測高度存在差異，影響傾斜數據對結構安全的評價。數據處理時，以測點中最大觀測高度為基準，將觀測高度較低測點的相對偏移量按該測點的觀測斜率（觀測偏移量/觀測高度）換算為最大觀測高度下沿建筑結構平面兩個主軸方向的等效矢量偏移，最后按等效矢量偏移進行結構主軸偏移、整體偏移、整體偏移方向與X主軸夾角以及傾斜斜率的計算，具體計算過程及公式如下。

等效矢量偏移：

式中：x′i、y′i為等效矢量偏移，mm；xi、yi為測點觀測矢量偏移，mm；hi為測點觀測高度，m；hmax為測點中最大觀測高度，hmax=max｛h1，h2，…，hn｝。

主軸矢量偏移：

式中：X、Y為主軸矢量偏移量，mm。

整體偏移：

式中：S為結構整體偏移量，mm。

整體偏移方向與X主軸夾角：

式中：θ為結構整體偏移方向與建筑X主軸的夾角，單位度（°）；傾斜方向根據主軸矢量偏移計算結果確定。

結構整體傾斜斜率：

式中：K為結構整體傾斜斜率，‰。

2.6.2 傾斜觀測結果

經觀測，各棟建筑的傾斜數據無異常，同一建筑的測點傾斜方向均未出現明顯趨同情況；各棟建筑外立面豎向連續，無明顯異常變化；上部結構中的填充墻體及承重構件表面無明顯因結構變形所產生的開裂或損傷。

采用本文所述方法進行傾斜數據處理，上部結構 沿建筑兩主軸方向的矢量偏移量在 -127.74～168.50 mm，結構整體傾斜斜率在 0.06 ‰～2.42 ‰。各棟建筑上部結構整體傾斜觀測結果統計情況如表 2 所示。

表2 建筑物結構傾斜觀測結果統計表

3 結構安全評定

根據現場檢測和結構驗算結果，各棟建筑物日均沉降速率與規范 JGJ 8－2016《建筑變形測量規范》對建筑物沉降穩定狀態的判定速率相符，無明顯不均勻沉降，地基基礎承載力驗算結果滿足現行相關設計規范規定；上部結構整體傾斜觀測結果均小于 GB 5007－2011《建筑地基基礎設計規范》規定的 2.5 ‰ 限值，結構承載力驗算結果滿足現行相關設計規范規定；3～6 棟建筑結構抗震承載力驗算層間最大彈性位移角超限，抗震承載力不滿足現行相關設計規范規定，其余各棟結構抗震承載力滿足規范規定。綜上，本次評定認為在不考慮地震作用時各棟建筑結構具有足夠的安全儲備；考慮地震作用時 3～6 棟建筑結構抗震存在缺陷，其余各棟建筑結構抗震承載力滿足現行相關規范規定。

4 結語

實際工程中，結構內部的隱蔽缺陷是難以發現的，因此結構安全評定時對結構總體的宏觀特性參數進行控制具有重要意義。本文通過對多棟施工資料缺失的混凝土高層建筑結構安全性的評定，通過結構參數檢測數據分析、既有資料核查、結構損傷排查、結構驗算、建筑物沉降觀測、結構傾斜觀測和結構安全評定，較為詳細地演示了結構安全性評定的過程。其中結構驗算模型修正和結構傾斜觀測數據的處理技術是本文提出的方法，旨在引入實際結構的狀態參數，在結構承載力分析的基礎上，從宏觀角度對既有結構安全性進行控制，以進一步提高結構的安全評定技術。

該項目在評定工作中，因項目特殊性和時間計劃等因素的影響，未能對各棟混凝土高層建筑進行結構動力特性參數的檢測。了解結構的動力特性參數，在結構安全評定時，對結構安全的宏觀控制技術具有重要意義，可作為進一步研究的工作。Q