结构的文档资料不仅可以让工程师对现有建筑的原始情况有概念性的了解,也可以促进一些新想法的产生。“还能搞到哪些现有结构的图纸吗?”这往往是工程师在遇到改建、复原或修葺现有结构之类的工程时,最先提出的问题。这些资料可以为评估一个结构现有或潜在的承载能力提供很大的帮助。结构图纸一般包括平面图、框架构件尺寸、材料强度表和设计荷载。这些信息对于评估已建建筑的能力和确定改造措施有至关重要的作用。一些必要的调查工作是为了核实现有图纸上的信息或获得一些实际的情况,从而可以回答一些工程上的问题,如:结构采用的是什么样的框架体系?改造工程是仅涉及一小部分结构,还是会涉及主要结构?抗侧力体系会不会受到结构改动的影响?容积有没有改变?荷载会不会增加?框架布局需不需要改变?结构已使用了多长时间?所有这些因素都会对调查产生影响。
调研文档
如果可以找到建筑的结构图纸,那么第一项工作往往就是核实现有结构是否与资料中的相一致。如果找不到这些文档,那么这些任务则变得复杂的多。这时需要广泛的现场调查去获得一些实际情况。了解结构框架系统的本质和工程师最初的设计思路,对于获得必要的结构信息很有益。任何现场调查必然要求接触相关的结构构件,这很可能需要去除观测部位(天花板、墙、柱末端等)的建筑装饰。在钢框架结构中,一旦覆盖物被去除露出框架,我们就可以观测梁的布局、间距、高度、翼缘厚度和宽度等。同时也可以了解到抗侧力体系的布局,比如侧向支承、抗弯框架,带有混凝土剪力墙的钢结构体系。当然,也可以从中取出样品做一些必要的测试。
过去的方法
当评估一个现有结构时,如果能够熟悉当初建设时的框架体系类型和相关的设计参数,那么可以为我们试图获取的信息提供很大的帮助。经济合理的结构概念直到现今都在使用,因此如果发现一些结构类型一直被广泛应用,这并不是一件奇怪的事情。建筑高度曾经是一个影响结构类型的重要因素,而施工技术的发展又在决定建筑高度时扮演了主要的角色。
较早期的结构大都是仅可以支承短横梁的承重墙体系。砌体承重墙上架着木质横梁,或纯木结构框架,这在当时非常普遍。如果想采用砌体承重墙增加建筑高度,那么唯一可行的办法是加厚(尤其是基础的)墙体。因此,这样做的结果便是随着建筑高度的增加,底层承重墙占用了大量的空间。
19世纪后期,钢结构改变了高层建筑的特点。同以前被广泛应用的结构材料相比,这种新材料的强度无论是受拉还是受压时都更加优良。梁柱钢框架体系从而可以实现更大的跨度和更高的高度。当建筑变高后,抗侧力体系显得至关重要,这时抗弯框架和侧向支撑等概念得以发展并应用到钢框架体系当中。这就是现在普遍应用的钢框架的开端。1885年建造于芝加哥的10层高的家用保险大厦就是第一个采用全钢框架的结构,也被称作第一幢摩天大楼。
楼板结构也随着时间发生了很大的变化。随着钢框架体系的发展,为了适应不断增加的横向跨度,楼板体系也在发展。平板拱加内置钢梁体系被广泛应用于19世纪末和20世纪初。用金属板包制的混凝土托梁,并置于钢骨混凝土框架中,是一种流行于1920年左右的结构型式。二次世界大战后,金属楼板体系成为一种无需支撑的结构型式。
材料因素
评估中的一个主要问题就是建筑用钢的强度。如果可以查到建设的年代,那么就很容易得到一个相对准确的钢材性质。这些信息可以通过研究类似以前的AISC规范和手册或者美国试验和材料协会(sTM)的材料标准等历史资料获得。有人曾对历史上的ASTM标准进行了编辑和小结,并发表于《1873-1952年的钢和铁制梁》一书中。《aisC设计指导15》一书将该小结扩展到了200年,同时也包含了另外一些在AISC规范和施工手册上的历史信息,以及从《钢和铁制梁》书中继承的东西。
金属结构构件在美国的使用可以追溯到1830年代。这类构件是一种抗压强度高、抗拉强度低、无确定屈服点的脆性铸铁材料。延性更强的铸铁出现于1850年左右,后来的锻铁应用始于1870年代。用于柱的铸铁结构构件,从20世纪初期开始应用,但1910年以后就很少出现在结构框架中了。结构钢比铸铁有更好的延性,并拥有更显著的抗拉能力,因此自从1870年以后,就迅速替代铸铁在受力结构中的使用。主要的结构用金属制造商都开发了关于他们各自产品的荷载表以及产品目录信息。当ASTM于1898年建立时,铁路工业正蓬勃发展,不过也经常出现铁轨断裂的问题,从而促进了材料标准的发展。这项工作使铁路用钢趋于规范。在1900年,ASTM制定了结构用钢标准:桥梁用钢标准 ASTM A7ASTM7和建筑用钢标准 A99这两个标准制定了结构用钢材料的最低要求,同时也将各个制造商的不同标准进行了统一。
ASTM A7ASTM7和 A99在1939年被合并到普遍适用于桥梁和建筑的 ASTM A7标准中。该标准作为主要的结构钢材料标准一直保持到1960年左右,这时 ASTM A336成为了建筑用结构钢的权威标准。在1960年代开发和应用了其他类型的高强度低合金钢。这些高强钢材经常用于一些高层建筑中承受大轴压荷载的柱,或一些特殊用途的耐候钢上。1998年开始使用的 ASTM992标准适用于现在广泛使用的W型钢。
ASTM标准对钢材的最低要求体现在受拉和屈服强度上,这是过去也是现在钢结构设计标准的基本要求回顾某些特定工程时期的ATM标准,能够帮助我们更好地了解当时这些基本的屈服和受拉强度要求。值得注意的是,在ASTM标准早期发展过程中的不成熟阶段,并不是所有的结构钢材都能够满足标准的要求。
根据工程需求,判断是否需要检测材料强度来确定有无达到TM标准的最低要求。不过需要说明的是,任何检测的结果都仅代表某个特定的试件或者试件某一小部分的材料特性。因此,这也提出了另一个问题,需要取多少试样检测来得出一个可信度,以判断材料是否满足当时的ASTM的最低标准。如果结构图纸或工程规范上标明了钢材的要求,那么这就对确定测试方案起到了决定性影响。
钢材的统一
前面提到,在19世纪末二十世纪初各个钢材制造商都制定了允许荷载表。1921年,AISC成立并将建筑用结构钢的设计和施工规范进行了统一,第一部AISC《建筑结构钢标准规范》于1923年出版。这部规范规定结构钢的允许应力应满足 ASTM A99-21规范的要求,即最小的抗拉强度为60,000psi和最小的屈服点为0,000psi。1924年,ASC的《标准作业规范》写进了当时生产的24英寸标准梁的截面特性和荷载表。第一版《钢材施工手册》,也被称作AISC手册,出版于1927年,包括了当时较广泛使用的各类形状的截面特性和荷载表信息。表1列出了ASTM和AISC关于建筑用结构钢在各个时期的关键事件和历史小结。从结构钢的允许应力可以看出,屈服强度随着新钢材的发展不断增加。唯一例外的是1942年,战争生产委员会颁布的《建筑钢结构生产、制作和安装国家紧急规范》由于处于二次世界大战中,基于这本规范的建筑必然带有临时或紧急状态的特点,它所带来的风险也是可接受的。当然这类建筑如果在将来得以补强或增加关键构件,也是可以长期使用的。
1963年,AISC修改了当初只针对一种级别钢材的允许应力表述形式,变成可以针对规范里允许使用的多种钢材的统一的允许应力形式。例如,原来规范规定A36钢的基本允许工作应力为22ksi,新的表述方式为0.6Fy。1963年规范的另外一个主要的改动是认识到紧凑截面如果得到充分的支撑,可以实现弯曲塑性的能力要求。对于这类截面允许提高10%的受弯能力(0.66Fy)。实际上类似现在针对该类截面的塑性截面模量方法。
截面形状
《钢和铁制梁,设计指导15》和最近开发的AISC截面数据库都是很好的工具,它们既可以用于联系现场测量和设计结果,也可以用于确认旧图纸上的截面尺寸。在已有构件的评估中,确定合适的截面特性,是理论评估过程中最初的几步工作之一。
值得注意的是,结构施工时期应用的多种截面型式,现在有些已经不再使用了。早期的钢构施工普遍采用一种截面形状为“”的梁,也被称作梁。这种截面翼缘宽度相对于截面高度较小,而且翼缘内表面有坡度。如今这种截面被定为S形截面。
从1927年开始,卡内基钢铁公司生产了更多宽翼缘非楔形的高效截面型式。这些截面被成为CB型钢,或卡内基梁美国现在生产和使用的大多数钢结构梁都是CB型钢的某种型式,通常被称为宽翼缘梁或正规名称W型钢(中国工程师称之为轧制H型钢-译者注)一些可能在旧图纸中经常遇到的旧式截面列在表2中。
荷载分析
一旦结构布置、构件尺寸、连接形式和材料强度的情况都已掌握,下一步工作就要分析结构在预期荷载下如何设计。问题是,应该用最初设计时的规范检验结构,还是用现在的规范检验。设计公式的荷载项由当地的规范规定数值,承载力项由材料规范提供,比如AISC规范。一个建筑结构的设计荷载往往按一定的使用条件确定,因此只要使用条件没有大的变化,除非有充分的理由觉得不安全,结构一般不需进行大规模改动。BC的《模型建筑规范》规定,如果一个结构修改或用途改变使得荷载增加超过5%,结构必须用现在的规范进行检验。
相反,当初设计建筑时所使用的规范不应该作为评判的对象。钢材不会“聪明”到自己可以知道设计时采用的标准。如果布局、尺寸、截面特性和材料强度已经知道了,那么用现在的标准检验设计是合适的。不过,如果用建筑当初所依据的设计规范作为检验一些分析假定的指导工具还是很有好处的。例如如果你很了解当初建筑设计时的平面布局、构件尺寸、间距、或者恒荷载,并且通过分析发现结构构件处于过载或者欠载时,明智的做法是检验一下分析过程中所搜集的信息或使用的假定是否准确。总而言之,复查一下你的数据。
2005年ASC的《钢结构建筑规范》(在www.aisc.org/20spec可免费下载)的附录5可用于评估现有结构。这个附录采用结构分析、荷载检验或者同时使用两者来评估已建结构在竖向荷载(重力作用)下的强度和刚度。
正确的立足点
对于现有结构的评估具有相当的难度,如果工程师充分了解了这些结构在建设之初时使用的材料和一些技术内容,并且有能力利用各种工具从事评估工作,那么他就会充满自信地知道自己已经站在了正确的立足点上了。
