火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的評估與加固

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

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

　　隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展、城市人口的集中化，以及人民對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大。據(jù)不完全統(tǒng)計.我國每年發(fā)生約20萬起火災(zāi)。城市建筑物火災(zāi)占總火災(zāi)的2/3以上，我國每年由于建筑物火災(zāi)造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失非常巨大，1971年～2002年的30多年中，全國共發(fā)生火災(zāi)217萬余起，死亡近10萬人，直接經(jīng)濟損失達187億余元?；馂?zāi)后的建筑物是否還有修復(fù)價值以及如何修復(fù)，是災(zāi)后人們最關(guān)注的問題，而我國目前建筑物多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因此合理評估火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的損傷程度，并提出經(jīng)濟、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)場檢查

　　由于發(fā)生火災(zāi)時著火的可燃物種類、數(shù)量各不相同，火災(zāi)的燃燒條件也各異，火場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不一樣。因此，火災(zāi)對建筑物的損傷是復(fù)雜的，需要對火災(zāi)現(xiàn)場進行細(xì)致的檢查，以便制定出安全且經(jīng)濟的修復(fù)計劃。

　　(1)事故原因的調(diào)查 主要內(nèi)容包括：火災(zāi)發(fā)生的時間、地點、起火至熄滅總的燃燒時間;室內(nèi)著火可燃物的種類、蔓延的數(shù)量和分布情況;火災(zāi)蔓延途徑，是通過門窗、吊頂、耐火性差的內(nèi)隔墻，還是通過樓梯間等容易突破部位;燃燒條件，包括當(dāng)時風(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)件的裂縫長度、寬度和分布;鋼筋的變形、露筋部位及長度;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)計資料的收集 建筑物的平、立、剖面圖;竣工時間、過去火災(zāi)史混凝土的種類，所使用的材料性能、配合比，設(shè)計強度，鋼筋種類、配筋圖;建筑物竣工圖、施工記錄等。

　　(4)構(gòu)件材料試驗 對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，可現(xiàn)場取樣進行鉆芯取樣，進行以下一系列實驗：①混凝土的強度及碳化試驗。②鋼筋金相試驗：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)本進行對比，可確定該處鋼筋和混凝土的受熱溫度。⑧將截下的鋼筋進行力學(xué)試驗，測定其強度、延伸率等性能。④混凝土的強度，也可利用回彈、超聲及綜合法等非破損試驗來確定。⑤用卡尺、鋼尺、量規(guī)和放大鏡等儀器測量構(gòu)件的變形及裂縫。對裂縫應(yīng)測定其寬度、深度和長度，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)裂縫擴展寬度大于5 mm時，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)都會發(fā)生變化，其強度損失主要取決于受火溫度的高低、受火作用的時間和冷卻方式。試驗表明，當(dāng)受火溫度低于400℃時，無論是噴水冷卻還是自然冷卻，混凝土強度均沒有明顯的降低;當(dāng)溫度超過400℃后，水泥石的晶架結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，混凝土的強度開始顯著下降，在這個過程中，噴水冷卻的混凝土強度比自然冷卻的混凝上強度下降更多。主要是因為Ca(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，會使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生很大壓力，因此會導(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，其表面會突然冷卻，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部與表面溫差過大，進一步加劇混凝土的爆裂程度。 2.2 鋼筋的燒損分析

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

　　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完成的，通常情況下，鋼筋、混凝土是一個完整的整體，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)研究所通過試驗發(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、混凝土骨料的種類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。通過試驗還發(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)溫度達到700℃時，彈性模量幾乎為零。

　　3 結(jié)構(gòu)受損程度評定

　　對建筑結(jié)構(gòu)物火災(zāi)后受損程度給予正確評價是修復(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)件表面顏色無明顯變化，鋼筋保護層基本完好，無露筋、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，可打落鋼筋保護層。構(gòu)件表面有局部爆裂，其深度不超過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℃，鋼筋保護層剝落，混凝土爆裂嚴(yán)重，深度可達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 危險結(jié)構(gòu)

　　混凝土構(gòu)件表面溫度達700℃以上，受力主筋溫度達400～500℃，構(gòu)件受到實質(zhì)性破壞，有明顯受火燒融痕跡。鋼筋保護層嚴(yán)重剝落，表面混凝土爆裂深度達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，修補孔洞和缺損，按照等強原則進行構(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，重新進行粉刷裝修即可。

　　而對中度損傷的構(gòu)件，按下列步驟進行修復(fù)：其一進行表面清理。將燒松散的混凝土除掉，將存留的混凝土表面清理干凈;填補同等級混凝土，做成完好表面，以保證鋼筋不受銹蝕;其二進行灌縫。對混凝土表面的細(xì)小裂縫，可采用水泥素漿，或以環(huán)氧樹脂為基本組分的膠結(jié)料來灌縫，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，可用平面式注漿機灌縫;對較深裂縫，將開口兩側(cè)鑿成V形再灌縫;其三驗算構(gòu)件剩余承載力，最后進行外部裝修。將裂縫、孔洞、缺損修補好后，外部應(yīng)抹灰，使構(gòu)件滿足外觀要求。

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

　　對于危險構(gòu)件，應(yīng)予拆除，并另行更換新構(gòu)件。

　　4.2 加固的設(shè)計

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

　　(2)加固量的計算結(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)計值。

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

　　(4)將計算結(jié)果按加固后的實際承載力驗算截面承載力。

　　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)，計人員的指導(dǎo)下完成。因為火災(zāi)對工程結(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)計人員現(xiàn)場指導(dǎo)，方能有效保證修復(fù)加固設(shè)計的內(nèi)容落實到每一構(gòu)件及構(gòu)件的每一部位。在對燒傷層進行清除時，要對裂縫逐一進行檢查確認(rèn)，確定其剔鑿深度;對嚴(yán)重受損板的現(xiàn)場確認(rèn)等工作應(yīng)由技術(shù)鑒定人員、加固設(shè)計人員會同監(jiān)理、施工人員共同完成，這樣做可隨時監(jiān)測檢查原有結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的性能，及時發(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)計關(guān)注的焦點。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，必須從頂層開始逐層向下。構(gòu)件的加固從底層開始，然后逐層向上。每層構(gòu)件的加固施工順序為先加固柱，然后框架梁、爾后次梁，最后澆搗樓層疊合層。

　　5 結(jié) 語

　　火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的鑒定評估、加固設(shè)計及加固施工是一項系統(tǒng)工程，要綜合考慮許多因素。設(shè)計人員要根據(jù)構(gòu)件實際燒傷狀況隨時調(diào)整和改進原加固設(shè)計構(gòu)造細(xì)節(jié)，進行現(xiàn)場加固施工技術(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，對每個加固構(gòu)件和每道加固工序嚴(yán)格加強施工管理，以確保工程的質(zhì)量。

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