施工资料缺失的既有混凝土高层建筑结构安全性评定技术

赵国军，崔 浩

（国投工程检验检测有限公司，云南 昆明 650000）

0 引言

昆明市某项目总建筑面积 453 478 m2，为住宅和商业一体化小区，共包括 17 栋 27～33 层的高层建筑、10 栋2～4 层的低层建筑，带有 1 层地下室。因建设过程管理不善，建筑结构施工图纸未进行审查，大部分施工过程控制资料缺失。如何科学评定混凝土高层建筑结构的安全性，给后续处理决策提供技术性指导和依据，本文结合实际项目的评定过程及经验，对结构参数采集、数据信息提取和应用数据评定结构安全性的技术进行了研究。

1 建筑概况

该项目高层建筑为住宅楼，剪力墙结构，设计使用年限为 50 年，建筑结构安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，剪力墙抗震等级为一级，地下室顶板为嵌固端，基础除 2 # 楼为旋挖成孔灌注桩基础外，其余各栋均采用预应力管桩基础。截至评定工作开展时，中途停工两年左右，结构均已封顶，填充墙体已砌筑完成，部分户型已做二次装修。

2 评定过程

2.1 图纸复核

2.1.1 结构构件的布置情况调查

施工时结构布置是否与既有设计图纸资料相符，或采用何种结构布置形式的情况调查是评定工作开展的前提。根据现场排查，本次评定的各栋建筑按图进行结构布置施工，后续评定工作依据既有结构设计文件资料展开。

2.1.2 尺寸检测

1）构件截面尺寸。本次评定以楼栋作评定单元，楼层为检测批划分范围，按 GB/T 50344－2019《建筑结构检测技术标准》（以下简称“GB/T 50344－2019”）［1］第 3.3.10 条检测类别 B 类确定尺寸检测批抽样检测的最小样本容量。17 栋高层建筑共计抽检板构件 2 955 个、梁构件 3 983 个和墙构件 4 064 个，以构件实测值与设计值的比值作为统计参数。

经统计分析，各栋建筑板厚比值在 0.91～1.28，平均值在 1.04～1.11，≥1.00 的构件占抽检构件的比例在 83.8 %～99.3 %；梁截面面积（梁宽×梁底至板底高度）比值在 0.93～1.05，平均值均为 1.00，≥1.00 的构件占抽检构件的比例在 61.5 %～90.9 %；墙厚比值在 0.99～1.03，平均值均为 1.00，≥1.00 的构件占抽检构件的比例在 90.4 %～100 %。各栋建筑构件尺寸的比值分布情况如图 1～图 3 所示。

图1 板构件检测结果比值分布图

图2 梁构件检测结果比值分布图

图3 墙构件检测结果比值分布图

2）楼层层高。各栋建筑层高（实测净高+实测板厚）比值在0.99～1.01，平均值均为 1.00，≥1.00 的位置占抽检位置的比例在 90.4 %～100 %。各栋建筑层高的比值分布情况如图 4 所示。

图4 层高检测结果比值分布图

2.1.3 混凝土抗压强度检测

本次评定按 GB/T 50344－2019 检测类别 B 类确定强度检测批抽样检测的最小样本容量。采用回弹法对构件现龄期混凝土强度进行检测，按 DBJ 53/T－52－2013《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》［2］给定的云南省地区测强曲线计算测区混凝土抗压强度，并对每栋同一设计强度等级测区强度计算结果进行钻芯法修正。17 栋高层建筑共检测 8 048 个构件强度，包括 1 093 个批，其中设计强度等级为 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，检测范围覆盖所有承重构件的设计强度等级，且基本覆盖每一楼层；共计钻取混凝土芯样 441 个。按 GB/T 50344－2019 计算具有 95 % 保证率标准值的推定区间，以检测批推定区间下限值与设计值的比值作为统计参数。

经统计分析，强度比值在 0.84～1.92，平均值在 1.03～1.39，≥1.00 检测批占同等级检测批的比例在 90.5 %～99.6 %。各强度等级检测批比值分布情况如图 5 所示。

图5 构件混凝土强度检测结果比值分布图

实测混凝土强度推定结果总体高于设计要求的强度值，沿建筑高度方向的总体变化趋势与设计强度的变化趋势基本一致，呈随高度增加递减趋势，但就变化程度而言则每栋建筑各不相同。各栋建筑梁和墙构件的实测强度与设计强度间的变化情况如图 6 和图 7 所示。

图6 梁构件混凝土强度检测结果分布图

图7 墙构件混凝土强度检测结果分布图

2.1.4 钢筋配置情况检测

既有建筑中的钢筋已被浇筑在构件内部，了解具体钢筋配置情况存在较大困难。现场检测时，板和墙构件具备检测受力主筋的工作面，梁构件则存在填充墙阻挡、底部宽度较窄和受力主筋配置密集等情况，间距和根数均难以准确测定。检测时，对板和墙构件主受力钢筋的配置间距进行检测，梁构件以检测箍筋间距为主，同时抽检具有检测条件的梁构件的纵向钢筋数量，并记录纵向钢筋检测结果是否存在疑义；当检测工作完成后，选取存在疑义较大的数根梁构件进行剔凿，验证其钢筋的配置根数和直径是否与设计相符。现场按 GB/T 50344－2019 检测类别 A 类确定间距检测批抽样检测的最小样本容量，17 栋高层建筑共计抽检间距为板构件 2 955 个、梁构件 1 710 个和墙构件 1 730 个，以间距实测值与设计值的偏差作为统计参数。经统计分析，板、梁和墙构件钢筋间距偏差服从 N（μ，σ2）正态分布，其平均值分别为 1.2 mm、3.0 mm 和2.1 mm，标准差分别为 5.7 mm、6.1 mm 和 6.0 mm。各栋建筑间距偏差频率散点图及偏差总体的正态曲线分别如图 8～图 10 所示。

图8 板底分布钢筋间距检测结果偏差分布图

图9 梁底箍筋间距检测结果偏差分布图

图10 墙体竖向钢筋间距检测结果偏差分布图

钢筋间距现场检测工作完成后，共确定 10 根梁构件进行剔凿验证检测。经检测，所剔凿梁构件的纵向钢筋数量和直径均与设计相符，未发现存在异常的情况。现场剔凿情况如图 11 所示。

图11 梁构件受力主筋现场剔凿验证

2.2 资料核查

经查阅和统计，该项目的大部分工程资料存在缺失，各栋建筑资料均不完整。考虑大部分分项工程在既有建筑中已完全隐蔽，无有效的手段对其质量进行检测，故资料核查工作中重点对钢筋原材、连接件的见证送检资料，钢筋加工、安装和隐蔽验收资料，基桩承载力、桩身完整性和管桩对接焊缝检测资料，及建筑施工过程中的沉降观测资料进行核查。

经核查，各栋建筑现有资料显示钢筋原材、连接件试验结果满足规范要求，钢筋加工、安装和隐蔽验收结果合格；基桩承载力试验结果满足设计要求，桩身完整性检测结果中仅含Ⅰ、Ⅱ类桩，无Ⅲ、Ⅳ类桩，管桩对接焊缝质量满足Ⅱ级焊缝质量等级要求；建筑沉降观测最后 100 d 的最大沉降速率已达到 JGJ 8－2016《建筑变形测量规范》［3］关于稳定状态的技术要求，实测累计沉降量平均值和基础倾斜小于 GB 50007－2011《建筑地基基础设计规范》［4］对高层建筑基础平均沉降量和倾斜限值，观测过程中未发现存在大规模沉降、严重不均匀沉降和地面开裂情况。其他工程资料核查结果未发现存在异常。

2.3 结构损伤排查

现场主要检查板、梁和墙构件表面是否存在开裂损伤、蜂窝、麻面、孔洞、夹渣和离析的情况。经排查，板构件顶面四周和底面中部、梁构件两端节点和跨中及墙构件基本完好，地下室基础筏板柱脚、墙脚和柱作为分割的单元区域中部位置完好，未发现存在显著影响结构或构件承载力的裂缝及其他损伤情况。

2.4 结构验算

在本次结构安全性评定过程中，以结构验算作为将现场检测参数与结构安全性评定相互关联的重要手段。考虑该项目设计与施工同步，施工图纸未进行审核，验算时结构模型以设计单位提供的原始结构计算模型为基础，验算前对结构模型进行复核，复核后根据当前建筑的实际情况，引入结构实测参数进行验算。

2.4.1 结构设计模型复核

1）参数复核。本项目结构设计采用中国建筑科学研究院有限公司研发的 PKPM 系列有限元计算软件。经复核，结构模型中结构及构件布置与本次评定采用的结构设计图纸相符，构件间连接节点的处理符合剪力墙结构的传力要求；结构计算参数设置基本合理，满足相关规范要求，未发现存在明显错误的情况；设计模型中平面荷载设置与建筑实际情况基本相符，满足 GB 50009－2012《建筑结构荷载规范》［5］的相关规定，荷载在构件中的导荷方式设置合理。

2）结果复核。参数复核后对结构承载力进行验算，并复核验算结果。结果显示各栋建筑上部结构构件无超筋情况，构件设计截面承载力满足 GB 50010－2010（2015 版）《混凝土结构设计规范》［6］的相关规定，对比施工图中主要承重构件的配筋情况，各构件配筋面积均大于计算配筋面积；结构抗震验算结果中，3 栋、4 栋、5 栋和 6 栋建筑存在层间最大弹性位移角设计值超限情况，其余建筑抗震验算结果均满足 GB 50011－2010（2016 版）《建筑抗震设计规范》［7］和 JGJ 3－2020《高层建筑混凝土结构技术规程》［8］的相关规定。基础筏板抗浮验算结果满足GB 5007－2011《建筑地基基础设计规范》的相关规定，基桩竖向承载力验算结果均小于设计竖向承载力标准值，且满足 JGJ 94－2008《建筑桩基技术规范》［9］的相关规定。

2.4.2 模型修正

对建筑结构验算模型详细了解后，引入结构实测参数对验算模型进行修正。因实测结构参数庞大且复杂，未做一定的处理就引入结构模型，非但徒增评定工作量，还不能准确描述实际结构的安全性。因此，本次对模型的修正工作中，对引入的实测参数作了恰当的假定和简化处理。

1）尺寸修正。根据尺寸检测结果，楼板构件厚度总体偏厚，因楼面板构件承载力具有明显的区域性特征，当某个楼面板构件承载力不满足要求时，不致影响结构的整体承载，且在结构整体承载力计算时，楼面板采取了面内刚性假定。故本次楼面板对模型的修正主要体现在楼面板偏厚对结构质量的贡献中，修正时以均布恒荷载的形式布置在各层楼面板上，修正量恒荷载值计算公式（1）如下。

式中：q为修正量恒荷载值，kN/m2；为各栋建筑抽检楼面板厚度实测值与设计值比值的平均值；γ为混凝土容重，取 25 kN/m3；为楼层设计板厚平均值，m。

框架梁构件截面尺寸仅少数构件与设计差异较大，比值的平均值为 1.00，修正时仅对差异较大的构件按实测截面建模，不考虑截面变化后质量对结构整体的影响。剪力墙构件厚度仅极少数构件与设计存在差异，比值的平均值为 1.00，考虑墙构件的承载力特性与混凝土强度检测情况，不对墙构件进行修正处理。

2）强度修正。根据混凝土强度检测结果，强度呈总体偏高的情况，设计强度等级较低的混凝土构件偏高的程度较大，检测批强度推定值最大偏高为设计强度的 1.92 倍。参考 GB/T 50344－2019 推荐使用推定上限值作为检测结果判定的方法，若完全按对应检测批推定上限值修正各楼层混凝土构件强度，则存在混凝土强度对结构承载力评定过于偏大的可能，验算结果不利于对结构整体承载力的控制，且强度沿结构高度变化的随机性，难于对数据作规整处理并修正验算模型。

本次强度修正采用检测批推定下限值数据作相应规整处理后引入结构验算模型的方法。数据处理时根据推定下限值沿建筑高度的分布情况，参考设计强度沿建筑高度的变化，从建筑底层开始寻找推定值在设计强度变化位置附近具有明显变化特征的点，若某设计强度变化位置无明显的特征点，则查看设计强度下一变化位置附近推定值的变化情况，当全楼的特征点确定完后，以该类点作强度修正区间划分，并计算各区间内推定值的平均值，并将平均值以 5 为修约间隔修约，修约结果作为该区间的强度修正值；特征点确定时应重点把握推定值与设计值间的总体变化趋势，如存在某个推定值呈孤立的变化点，当变化值超过 10 MPa，则该点所代表的检测批单独进行修约和修正，当变化值＜10 MPa 时，该点纳入最终确定后所在的区间内计算。具体修正值确定情况如图 12 所示。

图12 混凝土强度修正示例图

3）钢筋配置修正。根据钢筋配置情况检测结果，该项目板、梁和墙构件钢筋间距总体偏差统计结果呈正态分布，偏差平均值在 1.2～3.0 mm，各栋建筑板、梁和墙构件钢筋间距偏差平均值在 -2～4 mm，钢筋间距偏差值远小于配置钢筋直径，钢筋配置数量检查结果与设计相符，故构件实际配筋面积不作修正，以设计配筋情况校核配筋验算结果。

根据现有的钢筋母材及连接件的力学性能检测报告，送检材料性能指标均符合设计要求，故结构验算时，钢筋强度均按原设计取值，不作修正。

4）地基基础模型修正。针对既有建筑基础基本已被完全覆盖，地基基础模型修正主要参考设计文件资料、施工资料、验收资料和功能检验资料。根据资料核查结果，现有的施工资料和验收资料显示地基基础均按图施工，功能检验资料显示施工结果符合设计要求，故地基基础结构模型不作修正。但因设计时采用的地质数据文件丢失，本次地基基础验算时，根据该项目的地质勘察报告，按 PKPM 软件的格式要求重新进行对应建筑基础模型的地质数据文件编写。

2.4.3 结构验算

1）地基基础验算。地基基础验算时，主要校核基桩在荷载效应标准组合及地震作用效应和荷载效应标准组合轴心竖向力作用下的承载力，筏板配筋，桩、柱和核心筒对筏板的冲切承载力；同时，控制桩基沉降变形和筏基抗浮稳定性的总体情况。

经验算，各栋建筑基桩竖向承载力、抗震承载力和冲切承载力满足现行规范规定，筏板施工配筋符合结构受力计算结果要求；基桩沉降量、整体倾斜和筏板抗浮稳定性满足现行规范规定，未发现异常情况。

2）上部结构验算。上部结构验算时，主要校核结构构件配筋、挠度和开裂情况，并对结构整体的剪重比、刚度比、受剪承载力、位移比、位移角、周期比和轴压比进行验算控制。

经验算，各栋建筑结构构件施工配筋符合结构受力计算结果要求，挠度和裂缝宽度验算结果小于规范限值；结构剪重比、刚度比和受剪承载力沿建筑高度均匀变化，无异常突变情况，比值满足规范规定，周期比和轴压比小于规范限值。2～6 栋、12 栋和 13 栋结构位移比最大值＞1.2，但≤1.5，其余各栋结构位移比最大值＜1.2；3～6 栋结构模型经修正后，层间最大弹性位移角计算结果较修正前有所减小，但依然超过规范限值。

2.5 沉降变形观测

沉降变形观测点主要布置于结构与室外地面交接处，建筑大转角位置的剪力墙上，当建筑大转角相距较大时，在两测点间适当增加 1～2 个测点；为尽可能地了解建筑物整体沉降变形情况及趋势，本次沉降变形观测历时 98 d，观测期次为 5 期。

经观测，各栋建筑最大累计沉降量在 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 ；过程中未出现较大不均匀沉降，未发现危及建筑物安全的陡降和突降等异常现象，周边场地无不均匀沉降裂缝。各栋建筑物沉降变形观测结果统计情况如表 1 所示。

表1 建筑物沉降变形观测结果统计汇总表

2.6 结构倾斜观测

2.6.1 倾斜观测及数据处理方法

结构倾斜测点主要布置在建筑大转角的阳角位置，观测前在转角底部和顶部分别粘贴划有十字线的反射片。观测时，根据结构平面布置确定建筑的两个主轴，采用全站仪观测各测点位置结构顶部相对底部沿建筑两个主轴的偏移情况，记录偏移量、偏移方向和观测高度，具体观测方法和结果记录情况如图 13 所示。

图13 结构倾斜观测及结果记录示意图

考虑倾斜观测受现场条件和结构体型等影响，测点间的观测高度存在差异，影响倾斜数据对结构安全的评价。数据处理时，以测点中最大观测高度为基准，将观测高度较低测点的相对偏移量按该测点的观测斜率（观测偏移量/观测高度）换算为最大观测高度下沿建筑结构平面两个主轴方向的等效矢量偏移，最后按等效矢量偏移进行结构主轴偏移、整体偏移、整体偏移方向与X主轴夹角以及倾斜斜率的计算，具体计算过程及公式如下。

等效矢量偏移：

式中：x′i、y′i为等效矢量偏移，mm；xi、yi为测点观测矢量偏移，mm；hi为测点观测高度，m；hmax为测点中最大观测高度，hmax=max｛h1，h2，…，hn｝。

主轴矢量偏移：

式中：X、Y为主轴矢量偏移量，mm。

整体偏移：

式中：S为结构整体偏移量，mm。

整体偏移方向与X主轴夹角：

式中：θ为结构整体偏移方向与建筑X主轴的夹角，单位度（°）；倾斜方向根据主轴矢量偏移计算结果确定。

结构整体倾斜斜率：

式中：K为结构整体倾斜斜率，‰。

2.6.2 倾斜观测结果

经观测，各栋建筑的倾斜数据无异常，同一建筑的测点倾斜方向均未出现明显趋同情况；各栋建筑外立面竖向连续，无明显异常变化；上部结构中的填充墙体及承重构件表面无明显因结构变形所产生的开裂或损伤。

采用本文所述方法进行倾斜数据处理，上部结构 沿建筑两主轴方向的矢量偏移量在 -127.74～168.50 mm，结构整体倾斜斜率在 0.06 ‰～2.42 ‰。各栋建筑上部结构整体倾斜观测结果统计情况如表 2 所示。

表2 建筑物结构倾斜观测结果统计表

3 结构安全评定

根据现场检测和结构验算结果，各栋建筑物日均沉降速率与规范 JGJ 8－2016《建筑变形测量规范》对建筑物沉降稳定状态的判定速率相符，无明显不均匀沉降，地基基础承载力验算结果满足现行相关设计规范规定；上部结构整体倾斜观测结果均小于 GB 5007－2011《建筑地基基础设计规范》规定的 2.5 ‰ 限值，结构承载力验算结果满足现行相关设计规范规定；3～6 栋建筑结构抗震承载力验算层间最大弹性位移角超限，抗震承载力不满足现行相关设计规范规定，其余各栋结构抗震承载力满足规范规定。综上，本次评定认为在不考虑地震作用时各栋建筑结构具有足够的安全储备；考虑地震作用时 3～6 栋建筑结构抗震存在缺陷，其余各栋建筑结构抗震承载力满足现行相关规范规定。

4 结语

实际工程中，结构内部的隐蔽缺陷是难以发现的，因此结构安全评定时对结构总体的宏观特性参数进行控制具有重要意义。本文通过对多栋施工资料缺失的混凝土高层建筑结构安全性的评定，通过结构参数检测数据分析、既有资料核查、结构损伤排查、结构验算、建筑物沉降观测、结构倾斜观测和结构安全评定，较为详细地演示了结构安全性评定的过程。其中结构验算模型修正和结构倾斜观测数据的处理技术是本文提出的方法，旨在引入实际结构的状态参数，在结构承载力分析的基础上，从宏观角度对既有结构安全性进行控制，以进一步提高结构的安全评定技术。

该项目在评定工作中，因项目特殊性和时间计划等因素的影响，未能对各栋混凝土高层建筑进行结构动力特性参数的检测。了解结构的动力特性参数，在结构安全评定时，对结构安全的宏观控制技术具有重要意义，可作为进一步研究的工作。Q