某高層建筑火災(zāi)后結(jié)構(gòu)性能檢測(cè)鑒定研究

毛吉化

（廣州廣檢建設(shè)工程檢測(cè)中心有限公司 廣州510500）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，大量建筑應(yīng)運(yùn)而生，建筑材料使用增加，其中包含大量可燃物［1］使得火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)逐步增大，據(jù)世界火災(zāi)統(tǒng)計(jì)中心數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)［2］，發(fā)現(xiàn)由于火災(zāi)所造成的經(jīng)濟(jì)損失占國(guó)家經(jīng)濟(jì)的0.2%。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)作用下，結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能下降、構(gòu)件體積高溫膨脹，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全性能不穩(wěn)定［3］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者［4-6］對(duì)于結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)、保護(hù)措施、理論模型建立等都有了大量的研究。然而，火災(zāi)后構(gòu)件檢測(cè)鑒定目前研究尚淺［7］，火災(zāi)后構(gòu)件檢測(cè)鑒定作為重要環(huán)節(jié)不可忽視，本文根據(jù)《火災(zāi)后工程結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)：T/CECS 252—2019》［8］和《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范：GB 50016—2014》［9］，結(jié)合某在建高層建筑工程實(shí)例（見圖1），研究了火災(zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能的檢測(cè)、鑒定及結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算方法，成果可為火災(zāi)后高層建筑構(gòu)件的性能檢測(cè)及其承載力計(jì)算提供參考。

圖1 某在建高層建筑及其一層堆放層Fig.1 A High-rise Building under Construction and Its First Stacking Layer

1 概況

某建筑物工程總建筑面積為78 386 m2，結(jié)構(gòu)總高度98.5 m，地下2層、地上33層；設(shè)計(jì)使用年限為50年，采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，7度抗震設(shè)防烈度，丙類設(shè)防類別，二級(jí)墻柱抗震，基本風(fēng)壓取0.6 kN/m2；結(jié)構(gòu)梁與板構(gòu)件混凝土強(qiáng)度C35，墻柱構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度C45，結(jié)構(gòu)墻、梁、板、柱采用的縱筋及箍筋類別為HRB400。

該建筑首層火災(zāi)發(fā)生時(shí)間為上午約9∶20。首層14～16×1-L～1-T區(qū)域堆放的擠塑板（過(guò)火面積約400 m2）首先著火，隨后火災(zāi)迅速燃燒蔓延，燃燒現(xiàn)場(chǎng)伴隨強(qiáng)烈的濃煙。項(xiàng)目部相關(guān)人員發(fā)現(xiàn)災(zāi)情后立即組織人員疏散，并及時(shí)電話聯(lián)系消防局實(shí)施消防救援，上午9∶50，消防人員采用冷水與泡面相結(jié)合的滅火方式將現(xiàn)場(chǎng)火情全部撲滅?；馂?zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件代表性損傷情況如圖2 所示。為了解火災(zāi)后房屋損傷情況，及時(shí)采取相關(guān)處理措施，對(duì)首層火災(zāi)后的梁、剪力墻、樓板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，詳細(xì)對(duì)碳化及殘留物、經(jīng)歷火災(zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件顏色、鋼筋火災(zāi)后的配置情況、以及混凝土的開裂、脫落等情況進(jìn)行查勘、檢測(cè)，推定火災(zāi)時(shí)不同區(qū)域的溫度，調(diào)查受火災(zāi)影響的構(gòu)件外觀損傷、材料性能和承載力退化情況，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行構(gòu)件的鑒定評(píng)級(jí)，同時(shí)對(duì)存在的問(wèn)題提出處理建議。

圖2 火災(zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件受損情況Fig.2 Damage of Structural Members after Fire

2 結(jié)構(gòu)損傷現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估

2.1 主體結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估

針對(duì)首層火災(zāi)嚴(yán)重的14～21×1-M～1-T 區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察，發(fā)現(xiàn)燃燒物最為強(qiáng)烈的為擠塑板，由于其與空氣接觸充分，燃燒物燃燒充分。首層6～26×1-H～1/2-A的區(qū)域內(nèi)為主要受到火災(zāi)影響的范圍，約為900 m2，多處梁、板、柱以及剪力墻構(gòu)件的混凝土疏松、剝落、開裂，鋼筋裸露出來(lái)，火災(zāi)的擴(kuò)散主要被泡沫混凝土砌體墻阻擋。2 層柱、梁、剪力墻構(gòu)件均未受到火災(zāi)影響，個(gè)別板構(gòu)件被燒穿。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煙熏情況、火災(zāi)位置及災(zāi)情的蔓延趨勢(shì)，將遭受火災(zāi)的樓層處劃分為高溫區(qū)、中等溫度區(qū)和低溫區(qū)（見圖3）。高溫區(qū)的混凝土梁、柱、剪力墻及樓板等構(gòu)件的損傷嚴(yán)重，混凝土多處發(fā)生開裂、脫落現(xiàn)象，呈灰白色以及淺黃色，錘擊聲發(fā)?。恢械葴貐^(qū)個(gè)別混凝土構(gòu)件損傷較嚴(yán)重，表面較多裂縫、多處爆裂，呈淺黃色以及粉紅色，錘擊聲發(fā)悶；低溫區(qū)混凝土構(gòu)件的損傷較輕，表面輕微裂縫，錘擊聲響亮或發(fā)悶。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域損傷特征推斷火災(zāi)時(shí)溫度，高溫區(qū)火災(zāi)時(shí)溫度約700 ℃以上、中等溫度區(qū)約300～700 ℃、低溫區(qū)火災(zāi)時(shí)溫度約300 ℃以下。

圖3 火災(zāi)影響區(qū)域劃分Fig.3 Division of Fire Affected Areas

2.2 構(gòu)件損傷評(píng)估

結(jié)合文獻(xiàn)［8］的相關(guān)規(guī)定與現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行損傷評(píng)估，評(píng)估結(jié)果如表1所示，現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)如圖4所示。

圖4 火災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)Fig.4 Post Fire Site Investigation

2.3 構(gòu)件變形檢測(cè)

對(duì)高溫區(qū)和中等溫度區(qū)各選取3 個(gè)豎向構(gòu)件和3 個(gè)梁進(jìn)行變形檢測(cè)，結(jié)果表明墻柱構(gòu)件最大側(cè)向位移與量測(cè)高度比δ/h（包括施工誤差引起的偏差）介于0.000 9～0.001 4 之間，即δ ＜［δ］；梁構(gòu)件跨中撓度與量測(cè)跨度比δ/L（包括施工誤差引起的偏差）均小于L/250，即δ ＜［δ］?？梢姡馂?zāi)位于通風(fēng)良好的建筑物首層，雖然擠塑板燃燒猛烈，但由于火災(zāi)事件時(shí)間較短，且高溫區(qū)域內(nèi)已砌筑間隔墻（泡沫混凝土砌塊）并抹灰，在一定程度上阻止火勢(shì)進(jìn)一步擴(kuò)散，保護(hù)了間隔墻另一側(cè)的混凝土構(gòu)件和高溫區(qū)內(nèi)部分構(gòu)件，火災(zāi)并未引起較大的構(gòu)件變形。

表1 火災(zāi)后構(gòu)件損傷評(píng)估Tab.1 Damage Assessment of Components after Fire

3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件進(jìn)行混凝土強(qiáng)度、碳化深度以及鋼筋力學(xué)性能等項(xiàng)目的檢測(cè)，并現(xiàn)場(chǎng)截取受損嚴(yán)重構(gòu)件的受力鋼筋進(jìn)行試驗(yàn)室檢測(cè)。

3.1 混凝土強(qiáng)度測(cè)試

墻柱構(gòu)件：高溫區(qū)構(gòu)件表面混凝土強(qiáng)度介于50.3～52.2 MPa 之間，高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度；中等溫度區(qū)構(gòu)件表面混凝土強(qiáng)度均大于57.7 MPa，高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度；低溫區(qū)構(gòu)件表面混凝土強(qiáng)度介于52.3～57.3 MPa 之間，高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度。高溫區(qū)內(nèi)部混凝土強(qiáng)度介于71.9～76.0 MPa 之間，高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度；中等溫度區(qū)構(gòu)件內(nèi)部混凝土強(qiáng)度介于73.8～76.0 MPa 之間，高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度；低溫區(qū)構(gòu)件內(nèi)部混凝土強(qiáng)度介于68.8～73.6 MPa 之間，高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

梁構(gòu)件：高溫區(qū)表面混凝土強(qiáng)度介于33.5～34.3MPa之間，略低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度；中等溫度區(qū)構(gòu)件表面混凝土強(qiáng)度介于41.1～45.3 MPa 之間，高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度；低溫區(qū)構(gòu)件表面混凝土強(qiáng)度介于43.7～46.3 MPa之間，高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度。內(nèi)部混凝土強(qiáng)度高溫區(qū)構(gòu)件介于47.8～49.2 MPa之間，高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度；中等溫度區(qū)構(gòu)件內(nèi)部混凝土強(qiáng)度介于59.8～63.5 MPa之間，高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度；低溫區(qū)構(gòu)件內(nèi)部混凝土強(qiáng)度介于56.2～62.7 MPa之間，高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

可見，構(gòu)件混凝土內(nèi)部強(qiáng)度火災(zāi)后仍能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，受到抹灰層的保護(hù)，未脫落的混凝土表面強(qiáng)度損失較小，但高溫區(qū)多數(shù)板構(gòu)件底部、部分梁構(gòu)件側(cè)邊以及剪力墻構(gòu)件上部的混凝土剝落較多，截面損失較大。

3.2 混凝土碳化深度測(cè)試

墻柱構(gòu)件：高溫區(qū)碳化深度為2.5～4.0 mm，中等溫度區(qū)構(gòu)件碳化深度為1.0～2.5 mm，低溫區(qū)構(gòu)件碳化深度為1.0～3.0 mm。

梁構(gòu)件：高溫區(qū)構(gòu)件碳化深度為2.5～4.0 mm，中等溫度區(qū)構(gòu)件碳化深度為1.0～3.0 mm，低溫區(qū)構(gòu)件碳化深度為1.0～2.0 mm。

板構(gòu)件：高溫區(qū)構(gòu)件碳化深度為2.5～4.0 mm，中等溫度區(qū)構(gòu)件碳化深度為1.0～2.5 mm，低溫區(qū)構(gòu)件碳化深度為1.0～3.0 mm。

3.3 鋼筋力學(xué)性能測(cè)試

在高溫區(qū)受損嚴(yán)重的剪力墻和板中各抽取1組主要受力鋼筋進(jìn)行鋼筋力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果表明：剪力墻構(gòu)件豎向受力鋼筋以及板構(gòu)件底部受力鋼筋的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、彎曲等力學(xué)性能和工藝性能滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)構(gòu)承載力分析計(jì)算

依據(jù)文獻(xiàn)［10］和文獻(xiàn)［11］，采用PKPM 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對(duì)上述實(shí)例進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算分析。結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸參考實(shí)測(cè)值對(duì)原構(gòu)件進(jìn)行折減；鋼筋力學(xué)性能和混凝土強(qiáng)度實(shí)測(cè)值均大于原設(shè)計(jì)值，本次按原設(shè)計(jì)取值。火災(zāi)后的梁、柱、墻構(gòu)件，由于混凝土與鋼筋的握裹力損失較大，在承載力分析時(shí)扣除角部鋼筋；對(duì)于底部混凝土大面積剝落且嚴(yán)重漏筋的板構(gòu)件，不考慮受力鋼筋的作用；分析時(shí)考慮火災(zāi)對(duì)鋼筋與混凝土彈性模量及鋼筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的不利影響。

經(jīng)有限元計(jì)算分析，首層18×1/1-N～1-P 軸剪力墻、21×1/1-N～1-P 軸剪力墻、21×1/1-M～1-N 軸剪力墻、1-2a～1-3a×1-Ea 軸剪力墻等4片剪力墻軸壓比介于0.61～0.64 之間，略大于規(guī)范中剪力墻墻肢限值（0.6），其余豎向構(gòu)件基本滿足承載要求；2 層在1/14～21×1-N、21～24×1-N、18×1/1-P～1-M、14×1/1-P～1/1-M、18×1/1-P～1-M、17～21×1-R、17～21×1-S 軸位置處7 條梁力學(xué)性能嚴(yán)重降低，不滿足承載要求，其余梁構(gòu)件基本滿足承載要求；被評(píng)定為Ⅲ級(jí)的板構(gòu)件，承載分析時(shí)不考慮鋼筋作用，性能嚴(yán)重降低或喪失，不滿足承載要求，其余板構(gòu)件基本滿足承載要求。

經(jīng)計(jì)算，該經(jīng)歷火災(zāi)后的結(jié)構(gòu)周期比、層間剛度比、傾覆力矩比、剪重比、質(zhì)量比、層間位移比均滿足規(guī)范要求?？梢姡?jīng)歷火災(zāi)后，結(jié)構(gòu)整體性能計(jì)算均滿足相關(guān)要求，能夠繼續(xù)使用。但針對(duì)經(jīng)歷火災(zāi)損傷的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，需進(jìn)行相應(yīng)的加固處理措施，具體如下：

對(duì)評(píng)定為Ⅲ級(jí)的墻柱構(gòu)件，可鏟除嚴(yán)重受損混凝土后，保留受力鋼筋（或增加受力鋼筋和相應(yīng)的箍筋），增大柱墻截面尺寸，保證柱墻構(gòu)件的承載能力滿足設(shè)計(jì)和使用的要求；對(duì)評(píng)定為Ⅱb級(jí)的墻柱構(gòu)件，可清洗表面后進(jìn)行局部修補(bǔ)；

對(duì)評(píng)定為Ⅲ級(jí)、Ⅱb級(jí)的梁構(gòu)件，可鏟除嚴(yán)重受損混凝土后，保留受力鋼筋（或增加受力鋼筋和相應(yīng)的箍筋），在梁的兩側(cè)對(duì)稱加厚，增大相應(yīng)構(gòu)件的截面尺寸，以確保相應(yīng)構(gòu)件的承載能力滿足設(shè)計(jì)和使用的要求；或鑿除嚴(yán)重受損混凝土后，再通過(guò)混凝土進(jìn)行修補(bǔ)，并用粘鋼法做加固；對(duì)評(píng)定為Ⅱa級(jí)的梁構(gòu)件，可清洗表面后進(jìn)行局部修補(bǔ)；對(duì)評(píng)定為Ⅲ級(jí)、Ⅱb級(jí)的板構(gòu)件，可拆除后，保留受力鋼筋（或增加受力鋼筋），重新澆筑樓板；對(duì)評(píng)定為Ⅱa級(jí)的板構(gòu)件，可清洗表面后進(jìn)行局部修補(bǔ)。

5 結(jié)論

本文研究了經(jīng)歷火災(zāi)后的某結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷性能與整體承載能力，提出了火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件檢測(cè)鑒定的程序，即火災(zāi)后影響區(qū)域劃分-結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷性能評(píng)估-結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學(xué)性能測(cè)試-結(jié)構(gòu)整體承載能力計(jì)算，為準(zhǔn)確地掌握構(gòu)件的火災(zāi)損傷情況及結(jié)構(gòu)整體承載能力提供了可靠依據(jù)。

研究結(jié)果表明：構(gòu)件混凝土火災(zāi)后內(nèi)部強(qiáng)度仍能達(dá)到設(shè)計(jì)要求；受到抹灰層的保護(hù)，未脫落的混凝土表面強(qiáng)度有一定的損失，但損失較??；未變形的鋼筋性能滿足規(guī)范要求，同類構(gòu)件的碳化深度從高溫區(qū)域向低溫區(qū)呈遞減趨勢(shì)；上部荷載尚未完全加載，構(gòu)件未發(fā)現(xiàn)明顯失效變形；高溫區(qū)多數(shù)板構(gòu)件底部、部分梁構(gòu)件側(cè)邊以及剪力墻構(gòu)件上部的混凝土剝落較多，截面損失較大，除此之外，構(gòu)件的其他部位和其他區(qū)域的構(gòu)件截面損失較小。通過(guò)構(gòu)件強(qiáng)度折減的方式進(jìn)行驗(yàn)算，整體結(jié)構(gòu)滿足承載力及抗震性能各項(xiàng)指標(biāo)要求，經(jīng)加固處理后可投入使用。