火灾后混凝土结构的评估与加固

关键词 火灾 混凝土结构 损伤评定 加固修复 随着社会经济的发展 城市人口的集中化 以及人民对居室美观和舒适的不断追求 导致发生火灾的 因素也随之增加 火灾的规模和频率也在日趋扩大 据不完全统计 我国每年发生约 20 万起火灾 城市建 筑物火灾占总火灾的 2 3 以上 我国每年由于建筑物火灾造成的人员伤亡和财产损失非常巨大 1971 年 2002 年的 30 多年中 全国共发生火灾 217 万余起 死亡近 10 万人 直接经济损失达 187 亿余 元 火灾后的建筑物是否还有修复价值以及如何修复 是灾后人们最关注的问题 而我国目前建筑物多采 用钢筋混凝土结构 因此合理评估火灾后钢筋混凝土结构的损伤程度 并提出经济 适用而又能满足使用 要求的加固方法 是十分必要的 1 火灾后的现场检查 由于发生火灾时着火的可燃物种类 数量各不相同 火灾的燃烧条件也各异 火场温度及其变化情况 也就不相同 同样各种结构因受火条件和受力条件不一样 火灾对结构的损伤也有轻有重 同一建筑物各 处的受损程度也会不一样 因此 火灾对建筑物的损伤是复杂的 需要对火灾现场进行细致的检查 以便 制定出安全且经济的修复计划 1 事故原因的调查 主要内容包括 火灾发生的时间 地点 起火至熄灭总的燃烧时间 室内着火可 燃物的种类 蔓延的数量和分布情况 火灾蔓延途径 是通过门窗 吊顶 耐火性差的内隔墙 还是通过 楼梯间等容易突破部位 燃烧条件 包括当时风力 风向 气温等气候条件 2 烧损部位的外观检查 火灾现场构件的变形 倒塌情况 混凝土表面的颜色变化 爆裂面积大小 深度和位置 混凝土构件的裂缝长度 宽度和分布 钢筋的变形 露筋部位及长度 绘出建筑物受损 破坏 的分布图 并拍照或录像 3 建筑物原始设计资料的收集 建筑物的平 立 剖面图 竣工时间 过去火灾史混凝土的种类 所 使用的材料性能 配合比 设计强度 钢筋种类 配筋图 建筑物竣工图 施工记录等 4 构件材料试验 对于建筑物中比较重要部位的构件 其受损程度较难判断时 可现场取样进行钻芯 取样 进行以下一系列实验 混凝土的强度及碳化试验 钢筋金相试验 将严重受损的钢筋混凝土构 件中的外露钢筋 和预先制作的不同温度下钢筋的金相标本进行对比 可确定该处钢筋和混凝土的受热温 度 将截下的钢筋进行力学试验 测定其强度 延伸率等性能 混凝土的强度 也可利用回弹 超声 及综合法等非破损试验来确定 用卡尺 钢尺 量规和放大镜等仪器测量构件的变形及裂缝 对裂缝应 测定其宽度 深度和长度 尤其构件上的贯穿性裂缝或沿钢筋的纵向裂缝 应该注意 当裂缝扩展宽度大 于 5 mm 时 它是钢筋混凝土构件破坏性标志之一 2 钢筋和混凝土的受损分析 2 1 火灾后混凝土的烧损分析 火灾后 混凝上的组成材料和内部结构都会发生变化 其强度损失主要取决于受火温度的高低 受火 作用的时间和冷却方式 试验表明 当受火温度低于 400 时 无论是喷水冷却还是自然冷却 混凝土 强度均没有明显的降低 当温度超过 400 后 水泥石的晶架结构破坏严重 混凝土的强度开始显著下降 在这个过程中 喷水冷却的混凝土强度比自然冷却的混凝上强度下降更多 主要是因为 Ca OH 2 在 400 600 之间脱水 产生水蒸汽 集料中 CaCO3 在 900 1 000 分解 产生 CaO 和 CO2 由于 CO2 和水蒸气要从内部向外逸出 会使混凝土内部产生很大压力 因此会导致混凝土爆裂 另外 火灾中 的混凝土结构如果喷水 其表面会突然冷却 导致混凝土内部与表面温差过大 进一步加剧混凝土的爆裂 程度 2 2 钢筋的烧损分析 火灾后钢筋的极限强度 屈服强度 弹性模量等都随着温度的升高而降低 普通钢筋在 200 时开 始膨胀 抗拉强度也随之下降 当温度到达 600 700 时 钢筋内部结构发生变化 导致强度和弹性模 量降低程度非常严重 火灾后预应力钢筋比非预应力钢筋强度下降要快 可以根据火灾温度和钢筋保护层 厚度 构件内主筋 钢丝的折减系数来确定其强度 也可以截构件内的钢筋 钢丝进行力学性能试验来判 定其强度 还可以根据暴露在火场中的日用品钢材的力学性能变化来确定钢筋强度变化 2 3 火灾后钢筋与混凝土的粘结力损失和混凝土的弹性模量损失 建筑物的梁 柱等承重部分 是靠钢筋和混凝土共同作用来完成的 通常情况下 钢筋 混凝土是一 个完整的整体 它们之间主要靠钢筋与混凝土之间的摩擦力 钢筋表面与水泥胶体的胶结力 混凝上和钢 筋的机械咬合力组成 中南大学防灾科学与安全技术研究所通过试验发现 火灾后钢筋和混凝土的粘结力 变化取决于温度的高低 钢筋的种类 混凝土骨料的种类以及冷却的方式等条件 温度越高 粘结力降低 越大 圆钢比螺纹钢筋粘结力损失大 火灾后 石灰石骨料比花岗石骨料损失大 喷水冷却比自然冷却粘结 力损失大 通过试验还发现 随着温度的升高 混凝上的弹性模量逐渐下降 刚度不断降低 当温度达到 700 时 弹性模量几乎为零 3 结构受损程度评定 对建筑结构物火灾后受损程度给予正确评价是修复加固的前提 根据结构受灾温度 变形大小 裂缝 分布及扩展程度等 将混凝土构件的受损程度大致分为轻度损伤 中度损伤 严重损伤 危险结构 3 1 轻度损伤 混凝土构件表面受热温度低于 400 受力主筋温度低于 100 构件表面颜色无明显变化 钢筋 保护层基本完好 无露筋 空鼓现象 除装修层有轻微损坏 其他状态与未受火结构无明显差别 3 2 中度损伤 混凝土构件表面受热温度约 400 500 受力主筋温度低于 300 混凝土颜色由灰色变为粉红 色 有空鼓现象 当使用中等力量锤击时 可打落钢筋保护层 构件表面有局部爆裂 其深度不超过 20mm 构件露筋面积小于 25 混凝土表面有裂缝 纵向裂缝少 钢筋和混凝土之间粘结力损伤轻微 构件残余挠度不超过规范规定值 3 3 严重损伤 混凝土构件表面温度约 600 700 受力主筋温度约为 350 400 钢筋保护层剥落 混凝土爆 裂严重 深度可达 30mm 露筋面积低于 40 构件空鼓现象较为严重 用锤敲击时声音发闷 混凝土 裂缝多 纵向 横向裂缝均有 钢筋和混凝土之间的粘结力局部严重破坏 混凝土表面颜色呈浅黄色 构 件变形较大 受弯构件挠度超过规范规定值 1 3 倍 受压构件约有 30 的受压钢筋鼓出 混凝土有局 部烧坏 3 4 危险结构 混凝土构件表面温度达 700 以上 受力主筋温度达 400 500 构件受到实质性破坏 有明显 受火烧融痕迹 钢筋保护层严重剥落 表面混凝土爆裂深度达 30 以上 钢筋有烧融 断裂现象 露筋面 积大于 40 构件纵向 横向裂缝多且密 钢筋和混凝土粘结力破坏严重 主筋有扭曲 受弯构件裂缝 宽度可达 l 5mm 受压区也有明显破坏特征 支座附近斜裂缝多 构件挠度达到破坏标准 且有平面外 变形 构件沿垂直或水平面被分割成若干层 受压构件失去稳定 局部破坏 50 以上受压钢筋鼓出 柱牛腿烧损严重 4 火灾后损伤混凝土结构的加固 钢筋混凝土结构的修复方法很多 应根据各种结构的特点及火灾损伤程度 因地制宜地提出合适的修 复方法 总的原则是 铲除严重损伤的混凝土 修补孔洞和缺损 按照等强原则进行构件加固 以保证构 件原有承载力 为使加固获得更好的效果 加固前应尽量使构件卸除荷载 4 1 结构受损后的修复方案 对仅有粉刷层轻度破坏的构件 只须将表面粉刷层或表面污物清理干净 重新进行粉刷装修即可 而对中度损伤的构件 按下列步骤进行修复 其一进行表面清理 将烧松散的混凝土除掉 将存留的 混凝土表面清理干净 填补同等级混凝土 做成完好表面 以保证钢筋不受锈蚀 其二进行灌缝 对混凝土 表面的细小裂缝 可采用水泥素浆 或以环氧树脂为基本组分的胶结料来灌缝 水泥最好选用膨胀水泥或 自应力水泥 灌缝方法的选择取决于裂缝宽度和深度 对深度和宽度分别不大于 50mm 和 0 3mm 的裂 缝 可用平面式注浆机灌缝 对较深裂缝 将开口两侧凿成 V 形再灌缝 其三验算构件剩余承载力 最后进 行外部装修 将裂缝 孔洞 缺损修补好后 外部应抹灰 使构件满足外观要求 对于严重损伤的构件 因其承载力有所下降 需要根据剩余承载力计算结果 按等强原则进行加固设 计 施工时须采取有效措施保证质量 对于危险构件 应予拆除 并另行更换新构件 4 2 加固的设计 1 计算结构剩余承载力根据受损后测定出的截面几何参数 材料剩余强度等确定 2 加固量的计算结构加固后的承载能力穴应满足 R roS 占 其中 R 包括弯矩 轴力 剪力 ro 是 结构重要性系数 S 是被加固构件的荷载效应组合设计值 3 加固截面设计根据加固量 初选的截面尺寸 材料强度估算加固所需配筋量 4 将计算结果按加固后的实际承载力验算截面承载力 4 3 修复加固的施工 修复加固的施工必须在技术鉴定及修复加固设 计人员的指导下完成 因为火灾对工程结构的损伤是 不均匀的 即使同一构件不同部位受火灾损伤的程度也是不同的 只有技术鉴定及修复加固设计人员现场 指导 方能有效保证修复加固设计的内容落实到每一构件及构件的每一部位 在对烧伤层进行清除时 要 对裂缝逐一进行检查确认 确定其剔凿深度 对严重受损板的现场确认等工作应由技术鉴定人员 加固设 计人员会同监理 施工人员共同完成 这样做可随时监测检查原有结构及构件的性能 及时发现和处理各 种隐患 建筑结构火灾后的修复加固设计要比普通工程加固处理复杂得多 尤其是加固的施工质量乃是修复加 固设计成败的关键 而施工期间保证受损结构的安全性及稳定性更是设计关注的焦点 为了使构件处于卸 荷状态加固 要求主梁及次梁底需设置支撑 支撑必须从底层直至顶层 铲除原梁 柱 板粉刷面层时 必须从顶层开始逐层向下 构件的加固从底层开始 然后逐层向上 每层构件的加固施工顺序为先加固柱 然后框架梁 尔后次梁 最后浇捣楼层叠合层 5 结 语 火灾后混凝土结构的鉴定评估 加固设计及加固施工是一项系统工程 要综合考虑许多因素 设计人 员要根据构件实际烧伤状况随时调整和改进原加固设计构造细节 进行现场加固施工技术指导 另外 还 要处理和解决原结构施工中暴露出的质量问题及结构隐患 以确保今后主体承重骨架在使用期限内的安全 性 适用性及耐久性的要求 施工人员必须深入现场 对每个加固构件和每道加固工序严格加强施工管理 以确保工程的质量 一 火灾中火对钢筋混凝土的影响 火对钢筋混凝土的影响和损伤可以分为两种类型 一种是单个构件受到火的直接灼烧 产生损伤 如构件表面混凝土爆裂脱落和烧伤层产生细微裂缝 另一种是梁柱组成的整体 结构由于升温不同 产生很大的结构温度应力而引起构件的损伤 例如 许多钢筋混凝土 构件受到火灾后 表面粉刷层基本剥落 梁和柱混凝土表面产生大面积龟裂 局部混凝土 爆落和主筋外露 混凝土表面呈现红色 灰色 黄色均有 预应力圆孔板的混凝土保护层 剥落露筋 钢筋失去性能等现象发生 这些现象都明显地表明了火灾现场温度 是火灾原 因调查分析的依据 二 火灾中温度对钢材的影响 钢材的物理性质 钢材在正温范围内 温度约在 200 以上时 随着温度的升高 钢 材的抗拉强度 屈服点和弹性模量都有变化 总的趋势是强度降低 塑性增大 温度在 250 左右 钢材的抗拉强度略有提高 而塑性却降低 因而钢材呈现脆性 在此区域对钢 材再加热 钢材可能产生裂逢 此外 当温度达到 250 350 范围内时 钢材将产生徐变 现象 钢材的性能受到不同程度的损伤 据一些专家对钢材进行温度试验分析 当钢材在 升温 1 小时 恒温加热 1 小时后进行检测 结果是有屈服台阶的 16Mn 钢筋在 900 以下 时的强度和延伸率变化很小 温度达到 1000 时 钢材强度下降 10 无屈服台阶的冷拔 低碳钢丝经过 2 小时升温至 600 以下 则强度受到影响不大 而温度在 600 以上时的极 限强度下降达 40 据有关专家对大多数火灾事故现场中构件钢筋的测试结果表明 混凝 土保护层爆落的预应力板钢丝受热温度超过 600 梁柱构件钢筋温度低于 600 因而 在一般情况下 火灾对钢筋的影响较比混凝土小 对于 I II 级钢筋在温度达到 900 以上 时才有明显的影响 由于钢筋构件混凝土保护层的作用 通常构件中的钢筋温度低于此值 可以说火灾一般对 I II 级钢筋的影响不很大 但是 在 600 以上的高温却使冷却后的冷 拔低碳钢丝强度大幅下降 40 左右 从中可以说明火灾对预应力钢筋混凝土板的影响较大 由于建筑荷载大部分承重在板上 从而破坏结构的整体性 造成更大的危害 三 火场温度对钢筋混凝土构件板的影响 温度对钢筋混凝土构件板的影响 按板的损坏或大致的温度范围可以分为三种情况 1 混凝土表面颜色变化不大 粉刷层完好或基本完好 粉刷层熏黑 或者粉刷层部分 脱落 混凝土表面熏黑 此时混凝土表面温度大致在 300 以下 2 钢筋混凝土粉刷层基本剥落 混凝土表面颜色为浅红或红灰 无横向裂逢或纵向裂 逢 此时混凝土表面温度大致在 300 500 范围 3 钢筋混凝土粉刷层全部剥落 混凝土表面颜色灰黄或浅黄 有纵横裂缝 自重下板 的挠度明显大于 L 400 L 为板的净跨长度 或者混凝土保护层爆落露筋 混凝土表面温 度在 500 600 以上 为了进一步确定板的刚度和强度 根据有关资料对一些火灾后板的 试验分析表明 不大的温差对板的刚度有非常明显的影响 板的刚度 即混凝土弹性模量 随着温度的升高而急剧下降 比强度的下降大得多 这一特性是因为板的厚度通常较小 升温较快 火灾升温速度大约在 150 h 加上板的截面惯性矩小 往往使得标准荷载下 的变形超出允许值而受到更大的破坏 四 火灾中火对梁的影响 火灾中火对梁的破坏影响可以分为两种 一种是直接灼烧危害 另一种是梁结构性能 受到破坏 1 火对梁的直接灼烧 一般梁的截面积较大 火的直接灼烧使得钢筋混凝土梁在表面 一定厚度内达到较高温度 梁的强度受到一定损失 而梁截面内部升温慢 温度低 在降 温过程中 温度高的混凝土的收缩量大 导致梁表面大面积龟裂 梁的龟裂比板严重得多 其灼烧深度即灼烧厚度与火场温度的大小有关 梁混凝土弹性模量的下降 温度对梁的变 形的影响比板小 因此 火灼烧对主梁的主要影响是烧伤层强度和耐火性的变化 2 梁结构性的破坏 在火灾发生时 由于板和梁升温不同 产生温度应力 梁受到拉 力造成现浇梁的上部出现分布垂直裂逢 混凝土构件的连接处被拉裂破坏了承重体系的整 体性 降低了整体结构的安全性 也不同程度地影响了梁端局部承压能力和端部钢筋锚固 导致梁承压破坏 五 火灾中火对钢筋混凝土柱子的影响 火对柱的影响与梁的影响相似 大致有两种情况 直接灼烧和结构性破坏 1 火对柱的直接灼烧 情况与梁相似 柱子表面有大量龟裂逢 柱子的受力为轴向受 压和小偏心受压 由于柱子混凝土弹性模量受火后下降 将使柱子内纵向钢筋压力有一定 的增加 可以说在火灾中火对柱子的整体受压能力影响不很大 但是火对柱子表面烧伤导 致柱子保护层脱落 降 该文章转载自无忧考网 降低了柱子的有效截面积 2