火灾灾后钢筋混凝土结构鉴定与加固研究.pdf

5 2 低温建筑技术 2 0 1 0 年第6期( 总第 l 4 4 期) 火灾灾后钢筋混凝土结构 鉴定 与加 固研 究 尚亚妮 ( 陕西省建筑科学研究院 西安7 1 0 0 0 0) 【 摘要】 火灾不仅造成人类生命和财产巨大损失， 对建筑结构本身的损伤和破坏也非常严重。结合具体 的工程实例， 重点对火灾后钢筋混凝土结构的检测方法、 火灾损伤等级综合鉴定标准以及修复加固设计方案等进 行了研究和探讨 ， 提出了一些有效的方法和建议， 为今后的建筑火灾实际工程研究和修复加固设计提供参考。 【 关键词】 火灾； 钢筋混凝土 ； 力学性能； 加固 【 中图分类号】 T U 7 4 6 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 0 5 2 0 3 近年来， 火灾给人类社会带来了巨大灾难和损失。全世 界每年火灾经济损失达到社会生产总值的0 2 ， 死亡 l 0 余万人， 还会造成巨大的社会和政治影响。就我国而言， 每 年约发生2 0万起火灾， 建筑火灾一般要占火灾总数的 9 5 左右。在我国， 钢筋混凝土结构和砖混结构形式占绝大多 数， 建筑物火灾主要是发生在混凝土结构的火灾- 1 。因此研 究火灾在混凝土结构鉴定与加固有其重要的作用。 1 火灾后钢筋混凝土材料力学性能和剩余承载力计算 试验表明， 钢筋和混凝土随温度升高其力学性能会发生 明显变化 。火灾高温作用下， 钢筋与混凝土之间的粘结强 度受到很大的破坏 。钢筋和混凝土由于物理和化学变化 而使材料的力学性能有很大的降低， 使结构构件也显示了不 同损伤程度的破坏。因此， 分析并计算构件的剩余承载能力 非常重要。通过国内外一些方法的对比， 混凝土结构受火后 的承载力计算方法是 ： 根据温度场计算结果， 把受火构件 截面划分为若干个条带( 单元)， 分别求得每个单元的温度， 并确定钢筋处的温度； 对应各单元的温度， 确定高温下钢 筋与混凝土的强度折减系数 ， 然后计算各单元的截面承载 力。整个截面的承载力应为各单元截面承载力之和。 钢筋混凝土结构在火灾高温下承载力与钢筋强度关系 极大。其强度降低情况曲线如图 1 所示。 + 度。由于火灾后受损结构需要进一步修复和加 固， 因此， 一 般用于混凝土质量的检验方法大多是采用非破损和破损检 验相结合方法， 如： 敲击法、 回弹法、 超声波法、 钻芯法等 。 除此之外受损的其它结构的检测方法如表 1 所示。 表 1 火灾后 受损结构检测方法 检测内容 检测方法 混凝土构件烧伤深度 混凝土爆裂 混凝土裂缝数量、 走向、 宽度、 深度 结构变形 混凝土强度的检测 构件性能试验 钢筋性能 超声法 、 凿孔法 外观检查 外观检测法、 超声法 水准仪法 、 标杆法 、 拉 线法 回弹法 一 钻芯法相结合 现场 负荷试验 取样测试 的方法 2 2 受损等级鉴定 灾后将现场的全部调研和检测结果形成结构灾后损伤 状况报告 ， 对结构受损程度做出正确评估。钢筋混凝土结构 损伤等级评定标准 如表 2所示。 3工程实例分析 该工程为某市的百货大楼， 1 9 9 9年建成并投入使用， 大 厦建筑面积2 0 0 0 m 2 ， 占地面积约 1 5 0 0 m 2 。该建筑为钢筋混 凝土框架结构 ， 平面形状呈“ V ” 型， 建筑共分为 7层， 地下室 为超市， 1 5层为商场， 6 层为餐厅与影院。 3 1 火灾现场检测及 鉴定结果 ( 1 ) 火灾现场检测： 火灾于 2 0 0 8年夏天发生， 由于夏 天气温较高， 商场全为易燃物， 灭火历史 4小时。商场基本 全部过火， 地下室钢结构超市在火灾中钢柱及钢梁严重扭曲 变形坍塌。商场可燃物已烧尽 ， 部分铝合金窗框被烧熔断， 玻璃软化卷曲， 局部玻璃烧化， 角钢货架严重扭曲； 梁、 板及 柱混凝土脱落露筋现象较普遍； 吊顶 的石膏板烧成粉末脱 落， 轻钢龙骨严重扭曲； 大厦大部分外墙墙面全部熏黑， 铝合 金窗的玻璃全炸碎， 部分铝合金窗框烧损变形。 ( 2 ) 火灾温度的判定： 建筑物外观检测结果如表 3 ( 以 第三层为例) 。 尚亚妮： 火灾灾后钢筋混凝土结构鉴定与加固研究 5 3 表 2 钢筋混凝土结构损伤等级评定标准 表 4 混凝土损伤结果 损伤等级 评定标准 一 级 损伤 二级 损伤 三级 损伤 四级 损 伤 五级 损伤 装饰 面层损伤 ： 构件 表面出现 细小裂缝 或装饰面 层 有少许脱落 ； 存有少量温度收缩裂缝 ； 强度未变。 抹灰或防护面层损伤： 混凝土保护层有局部剥落， 构 件表面颜色发生 明显 变化 ， 呈现浅黄色或粉红色 ； 混 凝土强度为原 强度的 9 5 以上 。 构件保护层损伤： 构件迎火面的保护层有大面积剥 落， 钢筋少部分外露， 有轻微屈服， 混凝土强度为原 强度的 7 0 9 5 。 构件内部损伤： 构件迎火面保护层有严重剥落， 混凝 土与钢筋的黏结局部破坏 严重 ， 混凝 土强度 为原强 度 的 5 0 一 7 0 。 构件整体损坏 ： 混凝土严重剥 落 ， 构件截 面积严重减 小 ， 钢筋外露 ， 与失 去黏结 性能 ， 混凝 土强度为 原强 度 的 5 0 以下 。 建筑物的损伤部位主要与火源、 可燃物及构件的受火面 有关。经过调查分析得知构件主要损伤部位有： 部分现浇 板的底部； 梁的底部、 部分迎火面的侧面及梁和柱交界处 梁的底部 ； 上、 下层楼梯处柱沿全高全部受损； 上、 下层 框架柱中部及以上节点区。依据外观状况及颜色或目前广 泛应用的温度预测方法是采用 I S O 8 3 4国际标准曲线 ， 其温 度和时间的关系是： T=T o + 3 4 5 1 g ( 8 t +1 ) ( 1 ) 式中， 为火灾室内温度 ( ) ； T o为常温( 取 2 0 C) ； t 为相应部位火灾燃烧时间( m i n ) 。 依据该工程的消防鉴定意见取旺火燃烧时间为 2小时。 按此公式计算火场最高温度为 1 0 4 0 C。 ( 3 ) 对混凝土、 钢材的损失评估： 目前检测混凝土强 度较精确的方法是钻芯法。火灾后混凝土强度检测主要是 针对受损层混凝土的平均强度 ( 受损层厚度一般为 2 5 6 0 m m) ， 因此， 受损层厚度决定了钻芯长度不一定是标准的 1 0 0 ra m。由于芯样 未 取标 准 尺 寸 ( 芯 样直 径 1 0 0 m m 或 1 5 0 ra m， 高径比H D为 1 O ) ， 因此 ， 应当根据样品的 H D值 考虑尺寸效应， 然后加以修正。 根据2 2受损鉴定等级及实测数据， 将结构构件受损程 度分为四个等级。1 级： 轻度受损构件； 2 级 ： 中度受损构件； 3级： 严重受损构件 ； 4级： 危险构件。损伤评估见表4 、 表 5 。 3 2 火灾受损钢筋混凝土结构修复加固设计 损伤 等级 钢筋 修复加 固 强度损失 机械性 能变f 匕 方案 ( 1 ) 受损混凝土构件加固量计算 ： 火灾受损构件的加 固量AR是指受损构件加固至满足使用功能要求时所需增 加的承载能力。具体计算公式与所采用的加固方法有关 ， 用 通式表示即为 ： AR= R R ( 2 ) 式中， R为加固后构件满足使用要求的承载力； R 为火 灾受损构件的剩余承载力 ， 按本章第一节所述方法计算； A 为加固方法修正系数。一般情况下 a：1 ， 当采用预应力加 固法加固受弯构件时， 由于预应力拉杆拉力的存在 ， 使原受 弯构件变成了偏心受压构件， 需考虑纵向弯曲的影响， 此时 取 =1 1 。 ( 2 ) 柱子加固设计： 加固方法有增大截面积法、 角钢 加固法、 粘贴钢板法( 对过火后的混凝土强度不低于 C 2 0 ) 。 本方案采用增大截面法， 增大截面法是采用同种材料的 混凝土来增大原受损混凝土构件的截面面积， 以达到提高构 件承载力的目的。外包混凝土一方面可以帮助原受压柱承 担荷载， 同时对原柱产生环箍效应 ， 提高其承载力。 ( 3 ) 梁的加固设计 ： 一般火灾条件下， 梁中受力钢筋 强度在冷却后可恢复， 构件承载力降低主要是由混凝土强度 降低引起的。所以， 钢筋混凝土梁的加固设计应设法提高受 压区混凝土的抗压能力。根据本案例火灾情况采用梁侧加 厚法来加固梁的设计。即把烧损严重的混凝土铲除后， 在梁 两侧用混凝土对称加厚 J 。 4结 语 火灾对建筑构件的损伤不仅会造成构件承载力、 变形能 力受到损害， 还会使建筑物的耐久性、 抗震性能、 结构的整体 性能受到损害。准确评估建筑结构火灾后受损程度， 是整个 维修加固和判断建筑物使用安全性的前提。 参考文献 1 中国统计局编制 中国统计年鉴 2 0 0 2 M 北京： 中国统计出 版社 2 0 0 3 低温建筑技术 2 0 1 0 年第 6期( 总第 1 4 4 期) 工程造价与建筑结构优化设计 的关 系 寒军 ， 黄宇 ( 1 黑龙江省建筑设计研究院。 哈尔滨1 5 0 0 0 8； 2 齐翔建工 集团。 黑龙江齐齐哈尔1 6 1 0 0 5 ) 【 摘要】 建筑结构优化设计是控制工程成本的关键一步。本文提出一个抗震性能良好的建筑， 是需要建 筑师和结构工程师互相配合， 在建筑方案设计阶段依据抗震概念设计原则， 采用较为规则建筑方案的观点， 并从 设计阶段分析了影响建筑工程造价的主要因素， 同时提出了经济性结构设计的基本步骤， 并指出优化设计绝不是 以降低结构的安全度来换取经济效益。 【 关键词】 工程造价； 建筑结构； 优化设计 【 中图分类号】 T U 201 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 0 5 4 0 2 随着人民生活水平的不断提高， 对房屋的功能、 面积及 形式的要求也随之提高 ， 而高标准带来的高成本高售价又 直接影响着用户的选择。因此， 控制基建成本是房屋开发 中需要认真解决的问题。 房地产开发项目成本中， 有些硬性费用在开发项 目确定 以后， 便基本确定， 一般上下浮动的比例很小， 但土建安装费、 设备费， 特别是土建费用在整个项目成本中占较大比例。一 个可行的建筑结构设计， 不同方案对工程造价的影响程度可 达7 5 以上。( 尽管设计费只占工程全部费用的 1 一 3 ) 可见建筑结构的优化设计对工程造价具有十分重要意义。 1 影响建筑设计 的主要因素 ( 1 ) 抗震性 能 良好 的建筑。根据 G B S O 0 1 12 0 0 1 ( 2 0 0 8年版) 建筑抗震设计规范 可知， 合理的建筑布置在 抗震设计中是头等重要的。震害表明， 简单、 对称的建筑在 地震时不易破坏， 易估计其地震时的反应而采取抗震构造 措施和进行细部处理 ， 故建筑方案设计时提倡平、 立面简 单、 对称， 不宜选用平面凹凸变化大、 楼板开设大洞， 楼层设 有较大错层而造成楼 扳局部不连续。建筑立面应规则， 不 宜采用较大缩进、 突出而形成竖向抗侧力构件不连续。要 设计出抗震性能良好的建筑， 则要求建筑师在建筑方案设 计阶段， 遵循抗震概念设计原则 ， 与结构工程师互相配合， 宜采用较为规则的建筑设计方案 ， 达到降低工程造价。 ( 2 ) 建筑方案设计决定建筑物造型、 风格、 流派， 不同 的概念和方案不仅会产生不同的效果， 而且直接影响到建 筑成本。如传统的欧式风格建筑 ， 除特有的构造 以外， 其外 墙和屋顶附设了更多的建筑饰物， 给人以特有的印象； 而现 代建筑物通常以各种形式的线条、 造型来突出现代人对美 的追 求。两种方 案 ， 不仅设计 思想 、 设计 方法 不 同 ， 而且 造 价也相差甚远。 ( 3 ) 建筑物的功能直接影响结构方案的确定。功能 过于简陋， 不能满足用户需要； 过于复杂， 必然使造价大幅 度提高。通常， 在功能和造价之间采取折中的设计方法， 以 期达到功能和造价两者兼顾的目的。 ( 4 ) 建筑物的平面形状。因为外墙的长度， 直接影响 单位造价。不规则的外墙， 不仅使墙体增加， 而且室内、 外 管线工程及基础费用也会增加。所以， 在同等建筑面积的 条件下 ， 力求选用简单的建筑物的外形。 ( 5 ) 建筑层数。建筑物可分为别墅、 多层、 小高层、 高 层、 超高层等类型， 不同的类型有不同的设计规范。规范不 同， 建筑成本也不同。当层数、 高度略高于某一类型上限 时， 按规范要求， 必须按照高一类型的规范进行设计， 从而 使成本增加很多。当然， 在同一类型的建筑物内， 增加或减 少几层同样会引起建筑成本的变化， 一般的变化规律是增 加层数成本下降， 减少层数成本上升， 但对具体的工程而 言， 应该经过具体的分析和测算来评估成本的变化情况。 ( 6 ) 建筑层高。增加建筑层高， 意味着墙体、 门窗、 装 饰、 管线、 粉刷等工程实物量增加。这些增加的实物量分摊在 建筑面积上将引起单位建筑面积造价增加。因此除了底层、 公共活动场所或特别需要之外， 应该避免盲目增加层高。 ( 7 ) 建筑材料、 设备标准。建筑成本随着建筑标准的 变化而变化， 建筑材料、 设备标准高， 建筑成本也随之增高。 2结构设计应考虑的主要因素 2 张大长 ， 吕志涛 火灾对 R C、 P C构 件材料性能 的影响 J 南 京建筑工程学院学报 ， 1 9 9 8 ， 4 5 ( 2 ) ： 2 5 3 1 3 吴波 火灾后钢筋混凝土结构的力学性能 M 北京： 科学出 版社 ， 2 0 0 3 4 段文玺 建筑结构的火灾分析和处理( 五) 检查评定与修复方 法 j 工业建筑 ， 1 9 8 5 ， ( 1 2 ) ： 5 1 5 5 5 杨彦克， 郑盛娥 ， 混凝土结构火灾损伤评估 J 四川建筑科学 研究 ， 1 9 9 1 ， ( 4 ) ： 2 22 6 6 闵明保， 李延和， 高本立 ， 等 建筑物火灾后诊断与处理【 M 南京： 江苏科技出版社 ， 1 9 9 4 收稿 日期 2 0 1 0- 0 1 2 6 【 作者简介】 尚亚妮( 1 9 6 4 一) ， 女， 西安人， 高级工程师， 研究 方向： 建筑结构检测。