火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的評(píng)估與加固

　　摘 要： 詳細(xì)介紹了火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)檢查內(nèi)容，以及結(jié)構(gòu)損傷程度的評(píng)定方法，并提出了加固修復(fù)中應(yīng)該注意的問(wèn)題。

　　關(guān)鍵詞： 火災(zāi); 混凝土結(jié)構(gòu); 損傷評(píng)定; 加固修復(fù)

　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市人口的集中化，以及人民對(duì)居室美觀和舒適的不斷追求，導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)的因素也隨之增加，火災(zāi)的規(guī)模和頻率也在日趨擴(kuò)大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì).我國(guó)每年發(fā)生約20萬(wàn)起火災(zāi)。城市建筑物火災(zāi)占總火災(zāi)的2/3以上，我國(guó)每年由于建筑物火災(zāi)造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失非常巨大，1971年～2002年的30多年中，全國(guó)共發(fā)生火災(zāi)217萬(wàn)余起，死亡近10萬(wàn)人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)187億余元。火災(zāi)后的建筑物是否還有修復(fù)價(jià)值以及如何修復(fù)，是災(zāi)后人們最關(guān)注的問(wèn)題，而我國(guó)目前建筑物多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因此合理評(píng)估火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的損傷程度，并提出經(jīng)濟(jì)、適用而又能滿足使用要求的加固方法，是十分必要的。

　　1 火災(zāi)后的現(xiàn)場(chǎng)檢查

　　由于發(fā)生火災(zāi)時(shí)著火的可燃物種類(lèi)、數(shù)量各不相同，火災(zāi)的燃燒條件也各異，火場(chǎng)溫度及其變化情況也就不相同;同樣各種結(jié)構(gòu)因受火條件和受力條件不一樣，火災(zāi)對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷也有輕有重，同一建筑物各處的受損程度也會(huì)不一樣。因此，火災(zāi)對(duì)建筑物的損傷是復(fù)雜的，需要對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行細(xì)致的檢查，以便制定出安全且經(jīng)濟(jì)的修復(fù)計(jì)劃。

　　(1)事故原因的調(diào)查 主要內(nèi)容包括：火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、起火至熄滅總的燃燒時(shí)間;室內(nèi)著火可燃物的種類(lèi)、蔓延的數(shù)量和分布情況;火災(zāi)蔓延途徑，是通過(guò)門(mén)窗、吊頂、耐火性差的內(nèi)隔墻，還是通過(guò)樓梯間等容易突破部位;燃燒條件，包括當(dāng)時(shí)風(fēng)力、風(fēng)向、氣溫等氣候條件。

　　(2)燒損部位的外觀檢查 火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件的變形、倒塌情況;混凝土表面的顏色變化、爆裂面積大小、深度和位置;混凝土構(gòu)件的裂縫長(zhǎng)度、寬度和分布;鋼筋的變形、露筋部位及長(zhǎng)度;繪出建筑物受損、破壞的分布圖，并拍照或錄像。

　　(3)建筑物原始設(shè)計(jì)資料的收集 建筑物的平、立、剖面圖;竣工時(shí)間、過(guò)去火災(zāi)史混凝土的種類(lèi)，所使用的材料性能、配合比，設(shè)計(jì)強(qiáng)度，鋼筋種類(lèi)、配筋圖;建筑物竣工圖、施工記錄等。

　　(4)構(gòu)件材料試驗(yàn) 對(duì)于建筑物中比較重要部位的構(gòu)件，其受損程度較難判斷時(shí)，可現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行鉆芯取樣，進(jìn)行以下一系列實(shí)驗(yàn)：①混凝土的強(qiáng)度及碳化試驗(yàn)。②鋼筋金相試驗(yàn)：將嚴(yán)重受損的鋼筋混凝土構(gòu)件中的外露鋼筋，和預(yù)先制作的不同溫度下鋼筋的金相標(biāo)本進(jìn)行對(duì)比，可確定該處鋼筋和混凝土的受熱溫度。⑧將截下的鋼筋進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，測(cè)定其強(qiáng)度、延伸率等性能。④混凝土的強(qiáng)度，也可利用回彈、超聲及綜合法等非破損試驗(yàn)來(lái)確定。⑤用卡尺、鋼尺、量規(guī)和放大鏡等儀器測(cè)量構(gòu)件的變形及裂縫。對(duì)裂縫應(yīng)測(cè)定其寬度、深度和長(zhǎng)度，尤其構(gòu)件上的貫穿性裂縫或沿鋼筋的縱向裂縫。應(yīng)該注意，當(dāng)裂縫擴(kuò)展寬度大于5 mm時(shí)，它是鋼筋混凝土構(gòu)件破壞性標(biāo)志之一。

　　2 鋼筋和混凝土的受損分析

　　2.1 火災(zāi)后混凝土的燒損分析

　　火災(zāi)后，混凝上的組成材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)生變化，其強(qiáng)度損失主要取決于受火溫度的高低、受火作用的時(shí)間和冷卻方式。試驗(yàn)表明，當(dāng)受火溫度低于400℃時(shí)，無(wú)論是噴水冷卻還是自然冷卻，混凝土強(qiáng)度均沒(méi)有明顯的降低;當(dāng)溫度超過(guò)400℃后，水泥石的晶架結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，混凝土的強(qiáng)度開(kāi)始顯著下降，在這個(gè)過(guò)程中，噴水冷卻的混凝土強(qiáng)度比自然冷卻的混凝上強(qiáng)度下降更多。主要是因?yàn)镃a(OH)2在400～600℃之間脫水，產(chǎn)生水蒸汽，集料中CaCO3在900～1 000℃分解，產(chǎn)生CaO和CO2，由于CO2和水蒸氣要從內(nèi)部向外逸出，會(huì)使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生很大壓力，因此會(huì)導(dǎo)致混凝土爆裂;另外，火災(zāi)中的混凝土結(jié)構(gòu)如果噴水，其表面會(huì)突然冷卻，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部與表面溫差過(guò)大，進(jìn)一步加劇混凝土的爆裂程度。 2.2 鋼筋的燒損分析

　　火災(zāi)后鋼筋的極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性模量等都隨著溫度的升高而降低。普通鋼筋在200℃時(shí)開(kāi)始膨脹，抗拉強(qiáng)度也隨之下降，當(dāng)溫度到達(dá)600～700℃時(shí)，鋼筋內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致強(qiáng)度和彈性模量降低程度非常嚴(yán)重?；馂?zāi)后預(yù)應(yīng)力鋼筋比非預(yù)應(yīng)力鋼筋強(qiáng)度下降要快，可以根據(jù)火災(zāi)溫度和鋼筋保護(hù)層厚度、構(gòu)件內(nèi)主筋、鋼絲的折減系數(shù)來(lái)確定其強(qiáng)度;也可以截構(gòu)件內(nèi)的鋼筋、鋼絲進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)來(lái)判定其強(qiáng)度，還可以根據(jù)暴露在火場(chǎng)中的日用品鋼材的力學(xué)性能變化來(lái)確定鋼筋強(qiáng)度變化。

　　2.3 火災(zāi)后鋼筋與混凝土的粘結(jié)力損失和混凝土的彈性模量損失

　　建筑物的梁、柱等承重部分，是靠鋼筋和混凝土共同作用來(lái)完成的，通常情況下，鋼筋、混凝土是一個(gè)完整的整體，它們之間主要靠鋼筋與混凝土之間的摩擦力、鋼筋表面與水泥膠體的膠結(jié)力、混凝上和鋼筋的機(jī)械咬合力組成。中南大學(xué)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：火災(zāi)后鋼筋和混凝土的粘結(jié)力變化取決于溫度的高低、鋼筋的種類(lèi)、混凝土骨料的種類(lèi)以及冷卻的方式等條件。溫度越高，粘結(jié)力降低越大;圓鋼比螺紋鋼筋粘結(jié)力損失大;火災(zāi)后，石灰石骨料比花崗石骨料損失大;噴水冷卻比自然冷卻粘結(jié)力損失大。通過(guò)試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)：隨著溫度的升高，混凝上的彈性模量逐漸下降，剛度不斷降低;當(dāng)溫度達(dá)到700℃時(shí)，彈性模量幾乎為零。

　　3 結(jié)構(gòu)受損程度評(píng)定

　　對(duì)建筑結(jié)構(gòu)物火災(zāi)后受損程度給予正確評(píng)價(jià)是修復(fù)加固的前提。根據(jù)結(jié)構(gòu)受災(zāi)溫度、變形大小、裂縫分布及擴(kuò)展程度等，將混凝土構(gòu)件的受損程度大致分為輕度損傷、中度損傷、嚴(yán)重?fù)p傷、危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)。

　　3.1 輕度損傷

　　混凝土構(gòu)件表面受熱溫度低于400℃，受力主筋溫度低于100℃，構(gòu)件表面顏色無(wú)明顯變化，鋼筋保護(hù)層基本完好，無(wú)露筋、空鼓現(xiàn)象。除裝修層有輕微損壞，其他狀態(tài)與未受火結(jié)構(gòu)無(wú)明顯差別。

　　3.2 中度損傷

　　混凝土構(gòu)件表面受熱溫度約400～500℃，受力主筋溫度低于300℃，混凝土顏色由灰色變?yōu)榉奂t色，有空鼓現(xiàn)象，當(dāng)使用中等力量錘擊時(shí)，可打落鋼筋保護(hù)層。構(gòu)件表面有局部爆裂，其深度不超過(guò)20mm。構(gòu)件露筋面積小于25%，混凝土表面有裂縫，縱向裂縫少，鋼筋和混凝土之間粘結(jié)力損傷輕微，構(gòu)件殘余撓度不超過(guò)規(guī)范規(guī)定值。

　　3.3 嚴(yán)重?fù)p傷

　　混凝土構(gòu)件表面溫度約600～700℃，受力主筋溫度約為350～400℃，鋼筋保護(hù)層剝落，混凝土爆裂嚴(yán)重，深度可達(dá)30mm，露筋面積低于40%，構(gòu)件空鼓現(xiàn)象較為嚴(yán)重，用錘敲擊時(shí)聲音發(fā)悶?；炷亮芽p多，縱向、橫向裂縫均有，鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)力局部嚴(yán)重破壞?；炷帘砻骖伾蕼\黃色。構(gòu)件變形較大，受彎構(gòu)件撓度超過(guò)規(guī)范規(guī)定值1～3倍，受壓構(gòu)件約有30%的受壓鋼筋鼓出，混凝土有局部燒壞。

　　3.4 危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)

　　混凝土構(gòu)件表面溫度達(dá)700℃以上，受力主筋溫度達(dá)400～500℃，構(gòu)件受到實(shí)質(zhì)性破壞，有明顯受火燒融痕跡。鋼筋保護(hù)層嚴(yán)重剝落，表面混凝土爆裂深度達(dá)30 以上，鋼筋有燒融、斷裂現(xiàn)象，露筋面積大于40%。構(gòu)件縱向、橫向裂縫多且密，鋼筋和混凝土粘結(jié)力破壞嚴(yán)重，主筋有扭曲。受彎構(gòu)件裂縫寬度可達(dá)l～5mm，受壓區(qū)也有明顯破壞特征;支座附近斜裂縫多，構(gòu)件撓度達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，且有平面外變形。構(gòu)件沿垂直或水平面被分割成若干層。受壓構(gòu)件失去穩(wěn)定，局部破壞，50%以上受壓鋼筋鼓出。柱牛腿燒損嚴(yán)重。

　　4 火災(zāi)后損傷混凝土結(jié)構(gòu)的加固

　　鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)方法很多，應(yīng)根據(jù)各種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及火災(zāi)損傷程度，因地制宜地提出合適的修復(fù)方法?？偟脑瓌t是：鏟除嚴(yán)重?fù)p傷的混凝土，修補(bǔ)孔洞和缺損，按照等強(qiáng)原則進(jìn)行構(gòu)件加固，以保證構(gòu)件原有承載力;為使加固獲得更好的效果，加固前應(yīng)盡量使構(gòu)件卸除荷載。

　　4.1 結(jié)構(gòu)受損后的修復(fù)方案

　　對(duì)僅有粉刷層輕度破壞的構(gòu)件，只須將表面粉刷層或表面污物清理干凈，重新進(jìn)行粉刷裝修即可。

　　而對(duì)中度損傷的構(gòu)件，按下列步驟進(jìn)行修復(fù)：其一進(jìn)行表面清理。將燒松散的混凝土除掉，將存留的混凝土表面清理干凈;填補(bǔ)同等級(jí)混凝土，做成完好表面，以保證鋼筋不受銹蝕;其二進(jìn)行灌縫。對(duì)混凝土表面的細(xì)小裂縫，可采用水泥素漿，或以環(huán)氧樹(shù)脂為基本組分的膠結(jié)料來(lái)灌縫，水泥最好選用膨脹水泥或自應(yīng)力水泥。灌縫方法的選擇取決于裂縫寬度和深度。對(duì)深度和寬度分別不大于50mm和0.3mm的裂縫，可用平面式注漿機(jī)灌縫;對(duì)較深裂縫，將開(kāi)口兩側(cè)鑿成V形再灌縫;其三驗(yàn)算構(gòu)件剩余承載力，最后進(jìn)行外部裝修。將裂縫、孔洞、缺損修補(bǔ)好后，外部應(yīng)抹灰，使構(gòu)件滿足外觀要求。

　　對(duì)于嚴(yán)重?fù)p傷的構(gòu)件，因其承載力有所下降，需要根據(jù)剩余承載力計(jì)算結(jié)果，按等強(qiáng)原則進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，施工時(shí)須采取有效措施保證質(zhì)量。

　　對(duì)于危險(xiǎn)構(gòu)件，應(yīng)予拆除，并另行更換新構(gòu)件。

　　4.2 加固的設(shè)計(jì)

　　(1)計(jì)算結(jié)構(gòu)剩余承載力根據(jù)受損后測(cè)定出的截面幾何參數(shù)、材料剩余強(qiáng)度等確定。

　　(2)加固量的計(jì)算結(jié)構(gòu)加固后的承載能力穴應(yīng)滿足R≥roS占，其中R包括彎矩、軸力、剪力，ro是結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，S是被加固構(gòu)件的荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值。

　　(3)加固截面設(shè)計(jì)根據(jù)加固量、初選的截面尺寸、材料強(qiáng)度估算加固所需配筋量。

　　(4)將計(jì)算結(jié)果按加固后的實(shí)際承載力驗(yàn)算截面承載力。

　　4.3 修復(fù)加固的施工

　　修復(fù)加固的施工必須在技術(shù)鑒定及修復(fù)加固設(shè)，計(jì)人員的指導(dǎo)下完成。因?yàn)榛馂?zāi)對(duì)工程結(jié)構(gòu)的損傷是不均勻的，即使同一構(gòu)件不同部位受火災(zāi)損傷的程度也是不同的，只有技術(shù)鑒定及修復(fù)加固設(shè)計(jì)人員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，方能有效保證修復(fù)加固設(shè)計(jì)的內(nèi)容落實(shí)到每一構(gòu)件及構(gòu)件的每一部位。在對(duì)燒傷層進(jìn)行清除時(shí)，要對(duì)裂縫逐一進(jìn)行檢查確認(rèn)，確定其剔鑿深度;對(duì)嚴(yán)重受損板的現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)等工作應(yīng)由技術(shù)鑒定人員、加固設(shè)計(jì)人員會(huì)同監(jiān)理、施工人員共同完成，這樣做可隨時(shí)監(jiān)測(cè)檢查原有結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理各種隱患。

　　建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)后的修復(fù)加固設(shè)計(jì)要比普通工程加固處理復(fù)雜得多，尤其是加固的施工質(zhì)量乃是修復(fù)加固設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵，而施工期間保證受損結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性更是設(shè)計(jì)關(guān)注的焦點(diǎn)。為了使構(gòu)件處于卸荷狀態(tài)加固，要求主梁及次梁底需設(shè)置支撐，支撐必須從底層直至頂層。鏟除原梁、柱、板粉刷面層時(shí)，必須從頂層開(kāi)始逐層向下。構(gòu)件的加固從底層開(kāi)始，然后逐層向上。每層構(gòu)件的加固施工順序?yàn)橄燃庸讨缓罂蚣芰?、爾后次梁，最后澆搗樓層疊合層。

　　5 結(jié) 語(yǔ)

　　火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的鑒定評(píng)估、加固設(shè)計(jì)及加固施工是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，要綜合考慮許多因素。設(shè)計(jì)人員要根據(jù)構(gòu)件實(shí)際燒傷狀況隨時(shí)調(diào)整和改進(jìn)原加固設(shè)計(jì)構(gòu)造細(xì)節(jié)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加固施工技術(shù)指導(dǎo)，另外，還要處理和解決原結(jié)構(gòu)施工中暴露出的質(zhì)量問(wèn)題及結(jié)構(gòu)隱患，以確保今后主體承重骨架在使用期限內(nèi)的安全性、適用性及耐久性的要求。施工人員必須深入現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)每個(gè)加固構(gòu)件和每道加固工序嚴(yán)格加強(qiáng)施工管理，以確保工程的質(zhì)量。

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