上海近代混凝土公共建筑结构设计理念与现行标准对比研究*

白 雪

(1 上海市建筑科学研究院有限公司， 上海 200032； 2 上海市工程结构安全重点实验室， 上海 200032)

0 引言

上海近代混凝土公共建筑是随着19世纪末、20世纪初西方建筑的引入而繁荣起来的[1]。这一时期，上海几千年来稳定的建筑体系受到了前所未有的冲击，推动了建筑的进步；钢筋混凝土结构为新建筑体系的创作提供了各种可能性，引发了上海近代建筑在功能和造型上的变革。到了新中国成立前期，混凝土结构已经大量运用于各种公共建筑中，不仅增加了建筑的层数，也增强了建筑的防火性能、耐久性能和安全性能。

上海近代混凝土公共建筑体现了当时先进的结构设计和施工技术成就，但是当初的设计方法尚不成熟，且使用至今已超出了混凝土结构的使用年限，多数建筑存在不同程度的各种结构问题；此外，近代混凝土公共建筑一般都没有考虑抗震设防，其梁、柱和节点的抗震性能普遍不足，为达到现行标准要求，往往需要进行大规模结构加固改造。因此，认识并挖掘近代公共建筑的结构特征，了解其材料、构造特点和设计理念，才能更好地保护这些优秀历史文化遗产。

目前国内外研究近代混凝土公共建筑主要是从建筑史、建筑设计、建筑师、建筑技术、修缮保护和改造利用等角度切入，对近代建筑的构造方法和结构设计方法的研究比较罕见。结构方面的研究较多侧重于加固技术，很少涉及结构设计方法。张凯[2]和许先宝[3]通过对《上海市建筑规则》[4]、《钢筋混凝土学》[5]等历史资料进行研究，分析江浙地区民国时期钢筋混凝土建筑的构造和结构设计方法。淳庆等[6]通过研究民国时期历史资料，结合检测数据，总结出民国时期钢筋混凝土结构的材料特征和构造特征，并与现行标准进行对比。王海军[7]结合某上海近代混凝土结构建筑检测及安全性分析结果，总结了近代梁板柱结构建模计算分析时应采取的调整措施。但是上述研究成果参考的历史资料有限，且未针对上海近代混凝土公共建筑典型结构构造特征进行分析。

本文通过对比《中国工程师手册》[8]、《上海市建筑规则》[4]、《钢筋混凝土规范》[9]、《钢筋混凝土学》[5](表1)和《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)[10](简称混凝土规范)和《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[11](简称荷载规范)，判断近代及现代混凝土公共建筑材料及设计理念差异；结合典型工程案例，分析上海近代混凝土公共建筑结构构造特征。研究成果可为上海近代混凝土公共建筑检测评估、加固修缮提供依据和理论基础。

1 混凝土强度及和易性

根据《中国工程师手册》，影响混凝土强度的主要因素为浇筑时的用水量，水灰比与抗压强度的关系最大；强度及耐久性为水灰比的直接函数，其他因素为常数。若须增加其和易性以便于施工，则可增减水泥浆与拌合料的比例，但水与水泥的相对量不可变更。

近代建筑结构设计书目 表1

根据美国钢筋混凝土联合委员会制订的《钢筋混凝土规范》，混凝土水灰比与混凝土强度之间关系见表2，水灰比不得超过表2所列数值，表内所列的配合比为概数，应须按照具体情形酌情加减。

水灰比与抗压强度关系[7] 表2

由表2可知，根据不同水灰比混凝土养护28d后抗压强度有四种，分别为10.6，14.0，17.6，21.1MPa。依据《中国工程师手册》，根据混凝土构件的裸露程度(耐久性)，钢筋混凝土房屋外部混凝土构件抗压强度通常选用17.6MPa，室内混凝土构件抗压强度通常选用14.0MPa。

考虑到混凝土强度随龄期的增长而不断发展，上海近代建筑混凝土强度基本介于C10～C20之间。根据混凝土规范，目前我国钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20。现代混凝土在水泥、砂、石子和水基础上加入化学外加剂和矿物掺合料等材料，强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强度普遍偏低，达不到现行标准的要求。

2 结构设计

2.1 安全系数

上海近代混凝土公共建筑结构采用以弹性理论为基础的容许应力法进行设计，钢筋混凝土结构中混凝土容许应力和安全系数见表3～5。

《上海市建筑规则》中混凝土容许应力和安全系数 表3

《中国工程师手册》中混凝土容许应力和安全系数 表4

《钢筋混凝土规范》中混凝土容许应力和安全系数 表5

根据《中国工程师手册》，对于钢筋抗拉强度的数值，约以钢筋屈服点的50%为限，即钢筋安全系数约为2。

由表3～5可知，混凝土构件根据受力特征不同采用不同的安全系数，如混凝土受弯构件，按照弹性理论进行应力分析时，应力分布不均匀，因此安全系数偏低，而混凝土全截面受压构件，应力分布均匀，因此安全系数偏高。此外，混凝土安全系数取值范围为2.2～5.0，钢筋安全系数取值约为2.0，将材料变异性、计算模型不确定性都综合考虑在安全系数中；而混凝土规范中混凝土抗拉和抗压材料强度分项系数为1.4，延性较好的热轧钢筋材料强度分项系数为1.1，说明当时的设计者对于混凝土和钢筋的容许应力的取值是较为谨慎的，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许应力法进行构件设计存在一定不足，具体表现为：容许应力法把影响结构安全的众多因素归结于对材料强度的折减，无法分别加以考虑；安全系数是经验值，不同规范和手册对于同等强度的同类型构件取值有差异，缺乏严格的科学依据；容许应力法未区分荷载情况，未区分不同恒、活荷载比例对结构安全的影响。

2.2 荷载取值

将《上海市建筑规则》和荷载规范中楼面荷载取值进行对比(表6)，《上海市建筑规则》中楼面活荷载取值普遍偏大，《上海市建筑规则》与荷载规范中相应房屋类别的荷载比值在1.5～4.1之间，考虑了荷载不确定性的影响；《上海市建筑规则》中恒载按照实际荷载计算，未考虑荷载分项系数。

《上海市建筑规则》和荷载规范中楼面荷载取值对比 表6

《上海市建筑规则》规定，如屋面坡度在20°及以下，屋面荷载为1.5kN/m2；如屋面坡度在20°以上者，屋面荷载为1.0kN/m2，大于荷载规范规定的不上人屋面荷载标准值(0.5kN/m2)，小于上人屋面荷载标准值(2.0 kN/m2)。

2.3 构件承载力设计

(1)梁正截面承载力设计

《中国工程师手册》与混凝土规范中混凝土梁正截面承载力计算时受压区混凝土的应力图形不一致。《中国工程师手册》中混凝土压应力与混凝土应变之间的关系假定为直线，混凝土规范中混凝土梁正截面承载力计算时采用等效受压区高度。《中国工程师手册》与混凝土规范混凝土梁正截面承载力计算公式分别见式(1)和(2)。

(1)

(2)

式中：M为构件弯矩设计值；h0为截面有效高度；Es为钢筋弹性模量；Ec为混凝土弹性模量；fy为钢筋抗拉强度设计值；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；As为受拉区纵向普通钢筋的截面面积；b为矩形截面的宽度；α1为系数。

《钢筋混凝土学》仅给出了少筋梁的规定，最小配筋率为1%，根据混凝土规范，梁最小配筋率为0.2%，梁端纵向受拉钢筋的配筋率不宜大于2.5%。

《中国工程师手册》与混凝土规范中T形梁受弯构件受压区有效翼缘计算宽度bf′不一致。混凝土规范中bf′定义数值偏大，更多地考虑了受压区楼板对抗弯承载力的影响。

(2)梁斜截面承载力设计

《中国工程师手册》与混凝土规范中混凝土梁弯起钢筋抗剪承载力计算不一致。《中国工程师手册》中混凝土梁斜截面抗剪承载力计算公式分别见式(3)，(4)，混凝土规范中混凝土梁(有弯起钢筋)斜截面抗剪承载力计算公式见式(5)。

当45°≤αs≤90°时，

(3)

当αs<45°时，

(4)

(5)

式中：Vcs为构件斜截面受剪承载力设计值；fv为混凝土容许抗剪强度值；fyv为箍筋的抗拉强度设计值；Asv为配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积；s为沿构件长度方向的箍筋间距；Asb为同一平面内的弯起普通钢筋的截面面积；αs为斜截面上弯起普通钢筋与构件纵轴线的夹角；αcv为斜截面混凝土受剪承载力系数；ft为混凝土轴心抗拉强度设计值。

(3)柱轴压承载力设计

《中国工程师手册》中柱正截面受压承载力计算时未考虑可能存在的初始偏心，因此没有同混凝土规范一样乘以折减系数0.9。

《中国工程师手册》与混凝土规范对长柱(考虑失稳因素的影响)的定义不同。《中国工程师手册》中长柱定义为h/d>10或h/i>40，需要考虑柱失稳的影响；混凝土规范中，当l0/d≤8或l0/i≤28时可不考虑失稳的影响，其中l0为计算长度，d为圆截面直径，i为截面回转半径。

《钢筋混凝土学》中混凝土轴心受压构件的配筋率范围为0.5%～2%，混凝土规范要求受压构件的配筋率范围为0.5%～5%。《钢筋混凝土学》中最大配筋率偏小是因为未考虑抗震要求。

(4)板承载力设计

《中国工程师手册》与混凝土规范中单向板和双向板长宽比定义不同。混凝土规范中长边与短边比大于3.0按照单向板计算；《中国工程师手册》中长边与短边比大于1.5按照单向板计算。

2.4 构件构造设计

上海近代混凝土公共建筑梁柱及节点未考虑抗震构造设计，因此通常存在部分柱网上下不对齐、梁柱构件端部箍筋未加密、节点核心区箍筋未加密、部分箍筋采用U形和W形、梁顶部沿全长未设置通长纵向钢筋、填充墙与框架柱之间未拉结等构造缺陷，因此近代建筑普遍达不到现行抗震设计标准的要求。具体表现为：

(1)结构布置

房屋采用的柱网不规则，设计时根据建筑实际需要设置梁、柱，横向未形成完整框架，部分柱上未设置梁，部分梁未设置在柱上。各梁端支座处配筋弱，跨中配筋较强。

(2)节点

设计时未采用“强节点弱构件”的设计原则，具体表现为梁柱构件端部箍筋未加密、节点核心区箍筋未加密，与依据现行标准设计的框架结构相比，其节点处抗弯能力较弱。

(3)配筋方式

近代建筑允许采用U形或W形箍筋(均不闭合)，U形或W形箍筋仅提供抗剪承载力，抗扭和抗震承载力较低。

部分梁上部未设置通长纵向钢筋，靠近端部时其底部纵向钢筋分批弯起以承受负弯矩。对于连续梁，由于弯起钢筋穿过节点一段距离，不仅考虑此侧弯起钢筋，还应考虑相邻侧穿过来的钢筋，当弯起钢筋不足以承担荷载时，支座处设置上部钢筋。

(4)构件截面尺寸

部分梁柱构件截面尺寸偏小，部分电梯井、楼梯间混凝土墙体厚度偏小，无法作为主要抗侧力构件。

(5)其他方面

大部分近代建筑填充墙体与框架柱之间无拉结钢筋。

3 典型案例分析

本文以某近代公共建筑为例，分析上海近代混凝土公共建筑结构构造特征。

3.1 项目概况

大楼设计人为邬达克，结构形式均为钢筋混凝土框架结构，基础类型为交叉梁筏壳基础，建于1930年～1933年。大楼西侧共九层，东侧共八层，于1994年被列为第二批上海市优秀近代保护建筑，保护类别为三类。底层沿街房屋大多用作商铺，二层以上作为办公使用。

3.2 检测结果

(1)材料强度

采用钻芯修正法检测混凝土强度，混凝土实测强度平均值为21.6MPa，最小值为16.8MPa，总体上实测强度推定为C18。

采用表面硬度法推定钢筋强度，推算钢筋抗拉强度的最小值为499MPa，实测钢筋强度满足HPB235级热轧钢筋的要求。

(2)房屋损伤和构造缺陷

房屋部分墙体和天花板有严重渗水现象，部分构件钢筋严重锈蚀。

结构布置缺陷包括局部柱网不对齐，走廊无横梁使房屋结构无法形成完整的平面框架，梁托柱、板托墙等转换构件较多造成竖向抗侧力构件不连续，平面凹进尺寸较大等。

配筋构造缺陷包括梁端顶部配筋较少，梁柱节点核心区未配置箍筋，梁柱构件端部箍筋配置较少，楼板板面无钢筋，墙体仅配单排钢筋等。

构件截面尺寸缺陷包括部分柱截面尺寸偏小，电梯井墙体作为剪力墙其厚度偏小等。

其他方面包括填充墙体与框架柱之间无拉结钢筋等。

3.3 承载力计算结果

《上海市建筑规则》和荷载规范中荷载取值见表7，《中国工程师手册》和混凝土规范中材料强度取值见表8。房屋原设计时未考虑抗震设防，当时柱设计仅考虑竖向荷载作用，梁和板的边界条件按简支考虑。梁、板和柱承载力计算基于构件层面，不考虑真实情况下结构整体平面和空间作用。《上海市建筑规则》和混凝土规范典型柱、梁和楼板承载力计算结果见表9～12。

《上海市建筑规则》和荷载规范中荷载取值 表7

《中国工程师手册》和混凝土规范中材料强度取值 表8

典型柱抗压承载力计算结果 表9

典型梁抗弯承载力计算结果 表10

典型梁抗剪承载力计算结果 表11

典型板抗弯承载力计算结果 表12

由表9可知，《中国工程师手册》和混凝土规范中柱设计轴力计算结果接近，但是由于混凝土规范中混凝土容许全截面受压强度值偏低，轴压承载力计算结果偏保守。原设计混凝土柱箍筋按构造要求配置，柱端配筋未加密，梁柱节点核心区未配置箍筋(图1)。

图1 典型框架柱配筋示意图

由于大多梁支座的实配钢筋很少(图2)，按两端铰接梁计算，但仍有部分梁跨中承载力不足，进一步考虑受压区楼板的作用，按T形截面进行梁跨中正截面承载力验算。表10中由于混凝土梁正截面承载力计算时《中国工程师手册》和混凝土规范中受压区混凝土的应力图形不一致，计算结果有差异。

图2 典型梁配筋示意图

大部分梁端配置的箍筋和弯起钢筋提供抗剪承载力。表11中由于《中国工程师手册》梁弯起钢筋抗剪承载力计算公式与混凝土规范中的有差异，《中国工程师手册》计算结果偏大，高估了弯起钢筋抗剪承载力。

由于楼板板面未配钢筋(图3)，计算时将支座假定为简支。表12中板长边和短边长度之比为1.8，《中国工程师手册》按单向板计算板承载力，混凝土规范中按双向板计算，由于长边和短边尺寸相差较小，按双向板计算结果更合理。

图3 典型楼板配筋示意图

4 结论

本文以上海近代混凝土公共建筑的混凝土力学性能、结构设计方法为研究对象，通过研究上海近代建筑设计规范、设计手册、教科书等资料，总结归纳出当时混凝土结构构造设计和构件承载力计算要求，并与现行标准的相关内容进行对比分析，得到如下结论：

(1)根据不同水灰比，上海近代混凝土公共建筑的混凝土养护28d后预定强度(抗压强度)有四种，分别为10.6，14.0，17.6，21.1MPa。考虑到混凝土强度随龄期的增长而不断发展，上海近代混凝土公共建筑的混凝土强度基本介于C10～C20之间，混凝土强度普遍偏低。

(2)上海近代混凝土公共建筑采用容许应力法进行设计，混凝土安全系数取值范围为2.2～5.0，钢筋安全系数取值约为2.0，具有一定的安全冗余度。但是安全系数是经验值，不同规范和手册对于同等强度同类型构件取值有差异，缺乏严格的科学依据。

(3)上海近代混凝土公共建筑采用的楼面活荷载取值普遍偏大，与荷载规范中荷载比值在1.5～4.1之间，屋面荷载与荷载规范有差异，恒载按照实际荷载计算，但是均未考虑荷载分项系数。

(4)上海近代混凝土公共建筑梁正截面承载力、梁斜截面承载力、柱轴压承载力和板承载力计算方式均与混凝土规范有差异，其中《中国工程师手册》中梁弯起钢筋抗剪承载力计算公式以及单向板和双向板判别标准相对不合理。

(5)上海近代混凝土公共建筑梁柱及节点未考虑抗震构造设计，因此通常存在部分柱网上下不对齐、梁柱构件端部箍筋未加密、节点核心区箍筋未加密、部分箍筋采用U形和W形、梁顶部沿全长未设置通长纵向钢筋、填充墙与框架柱之间未拉结等构造缺陷，因此上海近代混凝土公共建筑普遍达不到现行抗震设计标准的要求。

(6)由于上海近代混凝土公共建筑受到建筑材料、施工技术、设计水平等因素制约，上海近代混凝土公共建筑原始设计、材料质量和建造工艺与现行标准相比通常存在缺陷。对既有上海近代混凝土公共建筑结构鉴定、改造和修缮不能简单套用现行标准，而应考虑原设计方法，才能正确地改造利用。