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百年建筑,结构工程师,你准备好了吗?

友聊,当得知,大部分建筑设计使用年限只有50年时候,非常惊,百年建筑不了吗当然不是啦。说完,其实有点心虚。


回来之后,我就赶紧整理了这篇文章,希望能揭开百年建——结构设计——的神秘面纱


1、设计使用年限100年的含义


《可靠性标准》(GB50068-2018) 2.1.5条,设计使用年限是指“设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按预定目的使用的年限”。

 

《可靠性标准》4.1.1条规定,极限状态可分为承载力极限状态、正常使用极限状态和耐久性极限状态。

 

设计使用年限100年,即要求设计至少满足100年的承载力极限状态、正常使用极限状态和耐久性极限状态。

 

单独规定耐久性100年是否有必要,尚存在争议。

 

1)《抗震设防分类标准》2.0.2条条文说明,“若投资方提出的所谓设计使用年限100年的功能要求仅仅是100年的要求,则抗震设防类别和相应的设防标准仍按本标准(50年)的规定采用。”


2)从概念上来说,耐久性100年是设计使用年限100年的必要条件不充分条件。


3)建筑使用年限最终由哪个极限状态控制,事实上并不容易判断。比如,建筑在50年设计使用年限内,未遭遇50年一遇的地震及风载,此时,承载力仍符合设计要求,耐久性则成为控制项。在这种情况下,提高耐久性设计年限就是有意义的。


作为一名结构工程师,最需要明白的是,如果设计使用年限为100年,则结构主体工程的责任年限就是100年。

 

2、设计使用年限100年的设计方法

 

《抗震设防分类标准》2.0.2条条文说明,“对纪念性的、特别重要的建筑的设计使用年限为100年,要对完成预定的功能具有足够的可靠度,所对应的各种可变荷载(作用)的标准值和变异系数、材料强度设计值、设计表达式的各个分项系数、可靠指标的确定等需要互相配套,是一个系统工程。”

 

在现有规范框架内,设计使用年限100年的实现方法如下:

 

1.1承载能力极限状态

 

1)结构重要性系数

 

《可靠性标准》8.2.2条,当结构安全等级为一级时,重要性系数取为1.1,主要指的是标志性建筑和特别重要的建筑结构(比如部分公共建筑),这类建筑的破坏后果很严重,设计使用年限为100年。

 

但设计使用年限为100年的也可以是普通建筑,比如高端住宅或公寓,或开发商指定的需要将设计使用年限定为100年的其他普通建筑。此时,结构安全等级为二级,结构重要性系数仍然取为1.0.

 

《可靠度设计标准》(GB50068-2001)7.0.3条曾规定,“对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件,结构重要性系数不应小于1.1”。但新版的《可靠性标准》已删除此项规定,结构重要性系数仅和安全等级有关。


2)建筑结构考虑结构设计使用年限的荷载调整系数

 

《可靠性标准》8.2.4条,在基本组合中引用了可变作用的荷载调整系数,对结构的设计使用年限为100年的情况,调整系数取为1.1;

 

对地震参与的组合,荷载调整系数反应在重力荷载代表值中。

 

SGE=D+0.5X1.1XL

 

3)荷载及作用标准值取值

 

a)对重现期为100年的风荷载和雪荷载,《荷载规范》有明确规定;

b)对使用活荷载,规范尚无具体规定;

c)对地震作用,规范也无具体规定,但相关研究比较成熟,容易得到相应的地震设计参数。


关于风荷载和地震作用的使用年限调整,可参考本号的一篇旧文《荷载的时空调整》

 

4)材料分项系数

 

设计使用年限100年,与材料分项系数的关系,规范尚无规定。

 

1.2正常使用极限状态

 

根据《混规》3.4节,正常使用极限状态主要包括变形、应力、裂缝宽度及振动频率等要求。

 

根据《可靠性标准》8.3节,正常使用极限状态的验算组合与荷载使用年限没有明确联系,材料分项系数取为1.0.

 

根据相关规范,挠度限值、应力、裂缝宽度限值(混凝土)、振动频率及振动加速度限值,与设计使用年限无关。

 

使用年限100年对正常使用极限状态的影响,主要反映在荷载取值方面。

 

1.3耐久性极限状态

 

《混规》3.5.5条、3.5.6条,及《混凝土结构耐久性设计标准》对设计使用年限为100年的最低混凝土强度等级、氯离子含量、碱含量、水胶比、混凝土保护层厚度等进行了明确规定。

 

《转自:钢结构设计-公众号标准》未对100年使用年限的防护(防火、防腐、隔热)措施作出明确规定。

 

个人理解,钢结构相关防护措施主要在于全寿命期内的检查和维护。

 

3、设计使用年限100年与抗震设防类别的不同

 

设计使用年限与抗震设防类别没有直接联系。对大量的丙类建筑,设计使用年限也可以为100年,对部分乙类建筑,设计使用年限也可以为50年。

 

不能因设计使用年限提高为100年,而将抗震设防类别提高一级,比如将丙类提高为乙类。

 

抗震设防类别对应的抗震措施(包括抗震等级和抗震构造措施),均不受设计使用年限的影响。

 

4、设计使用年限100年对基础设计的影响

 

根据《地基规范》3.0.1条,地基基础设计等级与设计使用年限无关。

 

《地基规范》3.0.7条,地基基础的设计使用年限不应小于建筑结构的设计使用年限。

 

当基础设计使用年限为100年时,除了上部荷载、荷载组合按100年考虑,地基承载力特征值及单桩承载力特征值,规范未明确规定。

 

结构重要性系数是否需要取为1.1,基础规范也未明确,如参考《可靠性标准》,可不取1.1。

 

基础混凝土的耐久性应满足设计使用年限100年的相关要求。

 

《广东省建筑工程抗浮设计规程》3.0.3条,将地下工程抗浮安全等级分为两类,“对使用功能有特殊要求或涉及国家公共安全的地下室或地下空间”,安全等级为一级,结构重要性系数取为1.1,其余均为二级,取为1.0.

 

可见,结构重要性系数与设计使用年限无关。

 

抗浮设防水位应参照设计使用年限进行取值。《抗浮设计规程》4.2.1条,“抗浮设防水位应取设计使用年限内最高水位。”


5、总结


1)设计使用年限主要影响活载、风载及地震作用取值,针对活载,需额外考虑一个活载调整系数1.1;


2)设计使用年限与结构安全等级、抗震设防类别并无直接关系。通常情况下,对某些重要的公共建筑,结构安全等级为一级,抗震设防类别为甲类或乙类,设计使用年限为100年。但是,对一些丙类建筑(安全等级为二级),如业主要求,也可以将设计使用年限提高为100年;


3)设计使用年限100年,对耐久性设计影响较大,尤其是混凝土保护层厚度,通常要取为50年的1.4倍,这意味着构件的有效截面减小,总截面尺寸需要加大。


最后,我们思考一个问题。住宅的设计使用年限提高为100年,究竟有没有必要?按照我国现行法律规定,住宅产权年限一般为70年。房屋产权包含房屋所有权和土地使用权,房屋的所有权其实是没有期限的,但土地使用权是有期限的。


土地使用权到期后,该怎么办呢?根据相关规定,“住宅建设用地使用权期满后,将自动续期”。至于是否免费续期,各地政策不一,但如果要补交土地出让金,费用也是很少的。


你看,对房屋所有者来说,设计使用年限提高,其实是有价值的。他们可能也愿意为屋延长使用年限支付一定


以后,等社会发展稳定了,速度慢下来,我们也许会仔细考虑这个问题。至少,对当下的我们而言,50年和100年,一样遥远。


今天是深圳成立40周年,回想一下这40年的变化吧。

百年建筑,结构工程师,你准备好了吗?
本文转自公众号“JIE构生活”作者:鲲鹏 

百年建筑,结构工程师,你准备好了吗?

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作者: ganggouren

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