某廠房火災(zāi)后結(jié)構(gòu)的鑒定與加固設(shè)計(jì)

林小兵

（廣東建科建筑工程技術(shù)開發(fā)有限公司 廣州510500）

1 工程概況

某電器公司倉(cāng)庫(kù)廠房設(shè)計(jì)建造于2006 年，為3 層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，首層層高6.5 m，2、3 層層高4.5 m，建筑面積約21 900 m2。本廠房于2012 年11 月12 日遭受火災(zāi)，火災(zāi)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)18 h，起火原因?yàn)? 層車間北面自東向西方向第2 個(gè)大窗戶上方線路短路，過(guò)火區(qū)域溫度場(chǎng)平面圖如圖1 所示。火災(zāi)造成本廠房2層內(nèi)的辦公設(shè)備、電器設(shè)備、家用電器成品及半成品全部被燒毀，廠房結(jié)構(gòu)本身也被火災(zāi)嚴(yán)重?fù)p傷，2 層結(jié)構(gòu)抹灰層基本剝落，混凝土保護(hù)層局部剝落嚴(yán)重，鋼筋外露，部分樓板被燒穿，板筋扭曲變形。

圖1 過(guò)火區(qū)域溫度場(chǎng)平面Fig.1 Temperature Field of Burned Area

2 火災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)檢查與檢測(cè)

此次火災(zāi)事故波及范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，過(guò)火區(qū)域面積達(dá)2 200 m2，基本覆蓋廠房2層，持續(xù)時(shí)間達(dá)18 h，因此給鑒定與加固工作帶來(lái)不少困難和挑戰(zhàn)［1］。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果

2.1.1 樓板檢查結(jié)果

距起火點(diǎn)較近的北面區(qū)域8～14×B～D的樓板混凝土保護(hù)層大面積剝落，板底受力縱筋大面積裸露且銹蝕，顏色呈土黃色或灰白色，部分樓板甚至被燒穿；7～15×A～B 的樓板保護(hù)層有網(wǎng)狀輕微裂縫或粗裂縫，有局部露筋或大面積露筋，如圖2?所示；其余區(qū)域的樓板表面被熏黑，未出現(xiàn)保護(hù)層脫落和鋼筋外露現(xiàn)象。

2.1.2 主次梁檢查結(jié)果

同樓板相似距起火點(diǎn)較近區(qū)域7～15×A～D 的主次梁底部抹灰層脫落，混凝土表面酥松且有魚鱗狀裂紋，敲擊聲沉悶，有不同程度的順筋開裂，受力縱筋和箍筋局部外露，如圖2?所示。其余區(qū)域的主次梁被黑色、灰色覆蓋，基本無(wú)裂縫或細(xì)微裂縫，敲擊聲響亮。

2.1.3 框架柱檢查結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)8～13×B～C 區(qū)域的承重柱燒損嚴(yán)重，混凝土保護(hù)層大面積脫落，鋼筋外露，混凝土表面變色、龜裂，形成網(wǎng)狀粗裂縫，錘擊后留下明顯痕跡，聲音發(fā)悶，呈土黃色或灰白色，如圖2?所示。遠(yuǎn)離火場(chǎng)核心區(qū)域的框架柱燒傷較輕。

2.2 火場(chǎng)溫度判斷

根據(jù)《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)：T/CECS 252—2019》［2］和文獻(xiàn)［3］，混凝土構(gòu)件表面曾經(jīng)達(dá)到的溫度及范圍和混凝土表面顏色、錘擊聲音等現(xiàn)狀有以下關(guān)系，如表1所示。

圖2 過(guò)火現(xiàn)狀Fig.2 Situation in Burned Area

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)梁板柱的調(diào)查結(jié)果，綜合判斷認(rèn)為，火災(zāi)核心區(qū)域?yàn)閺S房的東北側(cè)8～14×B～D。由于可燃物質(zhì)主要是洗衣機(jī)、微波爐等電器設(shè)備，主要金屬成分為鋼及鋁合金，材料堆放面積較大，可燃材料燃燒較充分，可以大概估計(jì)火災(zāi)過(guò)程中構(gòu)件表面一般在500～700 ℃左右，最高溫度大于800 ℃，局部溫度達(dá)到900 ℃。綜上可以對(duì)過(guò)火區(qū)域進(jìn)行劃分，得到過(guò)火區(qū)域溫度場(chǎng)，如圖1所示。

表1 混凝土表面顏色、爆裂剝落、開裂、錘擊反應(yīng)與溫度的關(guān)系Tab.1 Relations between Temperature and Concrete Surface Color，Cracking，Dehiscence，Peeling，and Hammer Reaction

2.3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

2.3.1 混凝土強(qiáng)度檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)采用鉆芯法對(duì)廠房部分混凝土構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)。按照《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程：JGJ/T 384—2016》［4］進(jìn)行檢測(cè)。由于芯樣在取芯、切削、找平過(guò)程中已對(duì)受火災(zāi)影響的構(gòu)件表面進(jìn)行清除，故該芯樣混凝土抗壓強(qiáng)度值僅代表了構(gòu)件內(nèi)部的混凝土強(qiáng)度，并且在未過(guò)火區(qū)域的首層鉆芯取樣進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如表2 所示，1CZ 代表第1 層框架柱，3CL 代表第3 層梁，依此類推。

2.3.2 混凝土碳化深度檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)混凝土碳化深度進(jìn)行抽檢，如表2所示。由表2可見(jiàn)，受火災(zāi)影響構(gòu)件碳化深度最大值為27 mm，大于構(gòu)件的設(shè)計(jì)混凝土保護(hù)層厚度。檢測(cè)結(jié)果表明，除部分受火災(zāi)影響梁構(gòu)件外，其它抽檢構(gòu)件碳化深度均小于設(shè)計(jì)混凝土保護(hù)層厚度。

2.3.3 鋼筋力學(xué)性能檢測(cè)

為了檢驗(yàn)火災(zāi)對(duì)鋼筋力學(xué)性能的影響，現(xiàn)場(chǎng)截取了火災(zāi)影響區(qū)域的柱構(gòu)件鋼筋1組、梁構(gòu)件鋼筋1組、板構(gòu)件鋼筋2 組，其中抽檢的一根梁主筋實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)受損，對(duì)鋼筋進(jìn)行力學(xué)和工藝性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，除抽檢的1根已損傷梁主筋的屈服強(qiáng)度檢驗(yàn)結(jié)果不滿足規(guī)范要求外，其余3 組主要受力鋼筋力學(xué)和工藝性能均滿足規(guī)范要求。

表2 混凝土強(qiáng)度和碳化深度檢測(cè)Tab.2 Concrete Strength and Carbonation Depth Detection

2.3.4 結(jié)構(gòu)構(gòu)件撓度或垂直度檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)采用經(jīng)緯儀垂直投點(diǎn)法或水準(zhǔn)儀塔尺反項(xiàng)法對(duì)部分混凝土構(gòu)件的變形進(jìn)行檢測(cè)：主要檢測(cè)梁撓度、柱的垂直度，檢測(cè)結(jié)果表明廠房框架柱、梁構(gòu)件均未出現(xiàn)明顯傾斜或變形［5］。

3 火災(zāi)后結(jié)構(gòu)安全性鑒定

依據(jù)文獻(xiàn)［2］相關(guān)條文，根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度，損傷狀態(tài)主要分為四類：Ⅱa 級(jí)、Ⅱb 級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)。2層梁板柱構(gòu)件評(píng)級(jí)如表3所示。

表3 混凝土構(gòu)件火災(zāi)后鑒定評(píng)級(jí)Tab.3 Appraisal Rating of Concrete Member after Fire

4 損傷程度判定

4.1 損傷混凝土強(qiáng)度判定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，廠房2層發(fā)生火災(zāi)后，經(jīng)消防隊(duì)員搶救，使用了澆水滅火等處理方法，過(guò)火混凝土屬于澆水冷卻。因?yàn)闃?gòu)件截面至受火面垂直距離的不同會(huì)引起截面溫度梯度，參考文獻(xiàn)［2］相關(guān)條文中相關(guān)規(guī)定，單面受火混凝土實(shí)心板截面經(jīng)歷的最高溫度場(chǎng)如圖3 所示。參考文獻(xiàn)［2］中矩形截面梁板柱混凝土構(gòu)件溫度變化曲線，分析構(gòu)件截面不同溫度場(chǎng)的混凝土強(qiáng)度的折減，如表4所示。

圖3 實(shí)心板標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線Fig.3 Standard Temperature Curve of Solid Floor

表4 高溫冷卻后強(qiáng)度折減系數(shù)定量指標(biāo)Tab.4 Quantitative Index of Strength Reduction Factor after Cooled Down from High Temperature

混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度在不同的溫度作用下，其強(qiáng)度的損傷程度會(huì)發(fā)生明顯的變化，其規(guī)律如圖4所示。

圖4 混凝土高溫抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)-溫度關(guān)系曲線Fig.4 Relation between Reduction Factor of Compressive Strength of Concrete after High Temperature Exposure and Temperature Curve

4.2 損傷鋼筋強(qiáng)度判斷

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并依據(jù)文獻(xiàn)［2］相關(guān)條文及如圖3所示的實(shí)心板混凝土構(gòu)件在標(biāo)準(zhǔn)升溫條件下溫度場(chǎng)實(shí)用曲線圖（若為矩形截面構(gòu)件，參考文獻(xiàn)［2］），定量分析鋼筋在高溫冷卻后的屈服強(qiáng)度折減系數(shù)，如表4所示。

4.3 鋼筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度判定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并依據(jù)文獻(xiàn)［2］相關(guān)條文及梁板柱混凝土構(gòu)件溫度變化曲線，可以定量分析過(guò)火區(qū)域鋼筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度折減系數(shù)，如表4所示。

5 構(gòu)件承載能力校驗(yàn)核算

5.1 計(jì)算說(shuō)明

由于廠房局部構(gòu)件被持續(xù)18 h 的火災(zāi)損傷嚴(yán)重，為保證局部承載力的改變不影響結(jié)構(gòu)整體性能，使用火災(zāi)后構(gòu)件承載力相對(duì)原構(gòu)件承載力的折減系數(shù)的方法對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算校核［6-8］。對(duì)于混凝土構(gòu)件，需要確定受壓區(qū)混凝土強(qiáng)度折減和受拉區(qū)鋼筋強(qiáng)度及黏結(jié)性能折減兩個(gè)方面的問(wèn)題。受壓區(qū)混凝土強(qiáng)度折減綜合考慮界限受壓區(qū)高度及火災(zāi)作用時(shí)截面溫度場(chǎng)的影響。

5.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)對(duì)本次火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢查與檢測(cè)結(jié)果，采用PKPM 結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，分別驗(yàn)算了受災(zāi)前后的結(jié)構(gòu)承載力，以判定結(jié)構(gòu)承載力受火后的下降程度，給后期的加固設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

6 加固與修復(fù)

根據(jù)實(shí)測(cè)混凝土強(qiáng)度采用PKPM 驗(yàn)算，因廠房3 層6～15×A～D 區(qū)域次梁及樓板大部分混凝土保護(hù)層脫落，梁板底鋼筋大面積外露，混凝土粉碎和塌落，粘結(jié)失效，承載能力嚴(yán)重降低，故不進(jìn)行計(jì)算復(fù)核。對(duì)于承載力不足的構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行加固處理，加固后的構(gòu)件承載力和變形應(yīng)能滿足文獻(xiàn)［9-10］極限承載力的設(shè)計(jì)要求和房屋正常使用的要求。

6.1 梁、柱加固設(shè)計(jì)

當(dāng)構(gòu)件損傷評(píng)級(jí)為Ⅱa 時(shí)，采取抹水泥砂漿面層加固；當(dāng)構(gòu)件損傷評(píng)級(jí)為Ⅱb時(shí)，采取高強(qiáng)復(fù)合砂漿鋼絲網(wǎng)加固（見(jiàn)圖5）；當(dāng)構(gòu)件評(píng)級(jí)為Ⅲ時(shí)，采取加大截面法加固（見(jiàn)圖6），這時(shí)框架梁柱節(jié)點(diǎn)的加固如圖7 所示，角部主筋貫通樓板，中部主筋遇梁植入梁內(nèi)，箍筋在節(jié)點(diǎn)上、下各一道，中部梁區(qū)箍筋采用直徑≥φ16 鋼筋等代處理，并鉆孔穿過(guò)框架梁，道數(shù)由等代鋼筋直徑與梁高確定；當(dāng)構(gòu)件損傷評(píng)級(jí)為Ⅳ時(shí)，采取鑿除原有混凝土結(jié)構(gòu)后重新澆筑。

6.2 樓板加固設(shè)計(jì)

當(dāng)構(gòu)件損傷評(píng)級(jí)為Ⅱa 時(shí)，采取板底抹水泥砂漿面層加固；當(dāng)構(gòu)件損傷評(píng)級(jí)為Ⅱb時(shí)，采取板底掛鋼絲網(wǎng)抹灰加固（見(jiàn)圖8）；當(dāng)構(gòu)件損傷評(píng)級(jí)為Ⅲ或Ⅳ時(shí)，采取鑿除原有混凝土結(jié)構(gòu)后重新澆筑，新澆板的鋼筋采用綁扎或焊接的方式與原有鋼筋進(jìn)行連接。

圖5 梁高強(qiáng)復(fù)合砂漿鋼絲網(wǎng)加固剖面及側(cè)面Fig.5 High Strength Composite Mortar and Steel Wire Mesh Reinforced Beam

圖6 框架柱加大截面節(jié)點(diǎn)區(qū)做法Fig.6 Reinforcement of Beam-column Joints

圖7 柱加大截面法加固Fig.7 Section Increment Reinforced Column

圖8 板底掛鋼絲網(wǎng)抹灰加固Fig.8 Bottom Hinging Steel Wire Mesh Reinforced Slab

7 結(jié)語(yǔ)

本工程過(guò)火區(qū)域?yàn)閺S房2層，單層面積大，構(gòu)件數(shù)量多，要對(duì)單個(gè)構(gòu)件進(jìn)行具體檢測(cè)，工作量巨大，本文以過(guò)火區(qū)域溫度分區(qū)的思路，對(duì)數(shù)量繁多的構(gòu)件進(jìn)行鑒定評(píng)級(jí)，并考慮構(gòu)件截面溫度場(chǎng)對(duì)混凝土和鋼筋強(qiáng)度以及兩者之間粘結(jié)力的影響，定量分析相應(yīng)的折減系數(shù)，從而計(jì)算比較受火前后構(gòu)件承載力，為后期的加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

本廠房經(jīng)過(guò)鑒定與加固后，已經(jīng)竣工使用多年，根據(jù)后期反饋和復(fù)查，廠房結(jié)構(gòu)目前工作狀態(tài)良好。