鋼筋混凝土結構的火災鑒定與加固

　　夏廣錄

　　摘 要】在我國 ,鋼筋混凝土結構和磚混結構形式占絕大多數 ,建筑物火災主要是發生在混凝土結構的火災 。因此研究火災在混凝土結構鑒定與加固有其重要的作用。

　　【關鍵字】火災 鋼筋混凝土 力學性能 加固

　　近年來 ,火災給人類社會帶來了巨大災難和損失。全世界每年火災經濟損失達到社會生產總值的0.2% ,死亡10余萬人 ,還會造成巨大的社會和政治影響。就我國而言 ,每年約發生20萬起火災 ,建筑火災一般要占火災總數的95%左右。因此，火災不僅造成人類生命和財產巨大損失 ,對建筑結構本身的損傷和破壞也非常嚴重。結合具體的工程實例 ,重點對火災后鋼筋混凝土結構的檢測方法、火災損傷等級綜合鑒定標準以及修復加固設計方案等進行了研究和探討 ,提出了一些有效的方法和建議 ,為今后的建筑火災實際工程研究和修復加固設計提供參考。

　　一、火災后鋼筋混凝土材料力學性能和剩余承載力計算

　　試驗表明 ,鋼筋和混凝土隨溫度升高其力學性能會發生明顯變化 。火災高溫作用下 ,鋼筋與混凝土之間的粘結強度受到很大的破壞 。鋼筋和混凝土由于物理和化學變化而使材料的力學性能有很大的降低 ,使結構構件也顯示了不同損傷程度的破壞。因此 ,分析并計算構件的剩余承載能力非常重要。通過國內外一些方法的對比 ,混凝土結構受火后的承載力計算方法是 : ①根據溫度場計算結果 ,把受火構件截面劃分為若干個條帶 (單元 ) ,分別求得每個單元的溫度 ,并確定鋼筋處的溫度 ; ②對應各單元的溫度 ,確定高溫下鋼筋與混凝土的強度折減系數 ,然后計算各單元的截面承載力。整個截面的承載力應為各單元截面承載力之和。

　　鋼筋混凝土結構在火災高溫下承載力與鋼筋強度關系極大。其強度降低情況曲線如圖 1所示。

　　二、受損結構的檢測與鑒定方法

　　1、受損結構的檢測方法

　　混凝土強度的現場檢測一般是指構件受損層的平均強度。由于火災后受損結構需要進一步修復和加固 ,因此 ,一般用于混凝土質量的檢驗方法大多是采用非破損和破損檢驗相結合方法 ,如:敲擊法、回彈法、超聲波法、鉆芯法等 。除此之外受損的其它結構的檢測方法如表 1所示。

　　2、受損等級鑒定

　　災后將現場的全部調研和檢測結果形成結構災后損傷狀況報告 ,對結構受損程度做出正確評估。鋼筋混凝土結構損傷等級評定標準 如表 2所示。

　　三、工程實例分析

　　該工程為x市的xx商貿大樓, xxxx年建成并投入使用 ,大廈建筑面積2000m ,占地面積約1500m 。該建筑為鋼筋混凝土框架結構 ，平面形狀呈“V”型 ,建筑共分為 7層 ,地下室為超市 , 1～5層為商場 ,6層為餐廳與影院。

　　1、火災現場檢測及鑒定結果

　　(1)火災現場檢測 :火災于 2008年夏天發生 ,由于夏天氣溫較高 ,商場全為易燃物 ,滅火歷史4小時。商場基本全部過火 ,地下室鋼結構超市在火災中鋼柱及鋼梁嚴重扭曲變形坍塌。商場可燃物已燒盡 ,部分鋁合金窗框被燒熔斷 ,玻璃軟化卷曲 ,局部玻璃燒化 ,角鋼貨架嚴重扭曲;梁、板及柱混凝土脫落露筋現象較普遍;吊頂的石膏板燒成粉末脫落 ,輕鋼龍骨嚴重扭曲;大廈大部分外墻墻面全部熏黑 ,鋁合金窗的玻璃全炸碎 ,部分鋁合金窗框燒損變形。

　　(2)火災溫度的判定 :建筑物外觀檢測結果如表3(以第三層為例)。

　　建筑物的損傷部位主要與火源、可燃物及構件的受火面有關。經過調查分析得知構件主要損傷部位有:①部分現澆板的底部; ②梁的底部、部分迎火面的側面及梁和柱交界處梁的底部; ③上、下層樓梯處柱沿全高全部受損; ④上、下層框架柱中部及以上節點區。依據外觀狀況及顏色或目前廣泛應用的溫度預測方法是采用 ISO834國際標準曲線 ,其溫度和時間的關系是:

　　T = To + 345lg(8 t + 1) (1)

　　式中 ,T為火災室內溫度 (℃);To為常溫(取 20℃);t為相應部位火災燃燒時間(min)。

　　依據該工程的消防鑒定意見取旺火燃燒時間為 2小時。按此公式計算火場最高溫度為1040℃。

　　(3)對混凝土、鋼材的損失評估 :目前檢測混凝土強度較精確的方法是鉆芯法。火災后混凝土強度檢測主要是針對受損層混凝土的平均強度 (受損層厚度一般為25～60mm) ,因此 ,受損層厚度決定了鉆芯長度不一定是標準的100mm。由于芯樣未取標準尺寸 (芯樣直徑 100mm 或150mm,高徑比 H /D為 110) ,因此 ,應當根據樣品的 H /D 值考慮尺寸效應 ,然后加以修正。

　　根據212受損鑒定等級及實測數據 ,將結構構件受損程度分為四個等級。1級:輕度受損構件;2級:中度受損構件;3級:嚴重受損構件;4級:危險構件。損傷評估見表4、表 5。

　　2、火災受損鋼筋混凝土結構修復加固設計

　　(1)受損混凝土構件加固量計算:火災受損構件的加固量 △R是指受損構件加固至滿足使用功能要求時所需增加的承載能力。具體計算公式與所采用的加固方法有關 ,用通式表示即為:

　　△R = a•R - Rt

　　(2)式中 ,R為加固后構件滿足使用要求的承載力;Rt為火災受損構件的剩余承載力,按本章第一節所述方法計算;A為加固方法修正系數。一般情況下a = 1,當采用預應力加固法加固受彎構件時 ,由于預應力拉桿拉力的存在 ,使原受彎構件變成了偏心受壓構件 ,需考慮縱向彎曲的影響 ,此時取a =111。

　　(2)柱子加固設計 :加固方法有增大截面積法、角鋼加固法、粘貼鋼板法 (對過火后的混凝土強度不低于C20)。

　　本方案采用增大截面法 ,增大截面法是采用同種材料的混凝土來增大原受損混凝土構件的截面面積 ,以達到提高構件承載力的目的。外包混凝土一方面可以幫助原受壓柱承擔荷載,同時對原柱產生環箍效應,提高其承載力。

　　(3)梁的加固設計:一般火災條件下 ,梁中受力鋼筋強度在冷卻后可恢復 ,構件承載力降低主要是由混凝土強度降低引起的。所以 ,鋼筋混凝土梁的加固設計應設法提高受壓區混凝土的抗壓能力。根據本案例火災情況采用梁側加厚法來加固梁的設計。即把燒損嚴重的混凝土鏟除后 ,在梁兩側用混凝土對稱加厚 。

　　四、結語

　　火災對建筑構件的損傷不僅會造成構件承載力、變形能力受到損害 ,還會使建筑物的耐久性、抗震性能、結構的整體性能受到損害。準確評估建筑結構火災后受損程度 ,是整個維修加固和判斷建筑物使用安全性的前提。

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