火灾后混凝土构件承载力损伤的数值分析与评估.pdf

第4 期 2 0 0 8 年4 月 广 东土 木与 建筑 GUANGDO NG ARC HI T EC T URE CI VI L ENGI N EE RI NG N o 4 AP R 2 o 略 火灾后混凝土构件承载力损伤的数值分析与评估 曾跃飞 张 强 ( 广 东建设职业技术学院 广州 5 1 0 4 5 0 ) 摘要 ： 结合 工程 实例 ， 对火灾后建筑物混凝土构件 的承栽 力进行数值计算和分析 ， 给 出其计算方法 以及损伤评 估的 注意事项 ， 供检测鉴定人员参考 。 关键词 ： 火灾；混凝土构件 ；承栽力 ；数值分析 ；鉴定 火灾高温对构件的损伤程度是从混凝土表层往 里逐渐减弱的 截面外部强度损失较大 内部核心区 则损失小甚至无损失 由于检测手段还存在不足 目前的检测试验结果一般无法准确反映这一规律 而在 目前的火灾损伤评估鉴定 中 大部分工程技术 人员都是直接根据钢筋混凝土材料的强度检测结果 来判断和确定构件强度和复核构件的承载力 因而 也就不能准确反映构件火灾受损的实际情况 。火灾 后混凝土构件承载力损伤评估应根据现场检测结果 和火场温度值 结合用火灾后构件剩余 承载力计算 结果来判断和确定 以下对某实例工程的火灾损伤 评估进行数值分析 并给出火 灾后混凝土构件承载 力的计算方法和损伤评估 的注意事项 1 工 程概 况及 火灾后 构件 检测 某 厂 房为 6层钢 筋 混凝 土框 架结 构 建 筑 面 积 约 1 6万 m 2 ， 除两侧楼梯 、 外墙及两侧有少量办公用 房墙体 外 其余为大空 间生产车间 ， 其 中 2 4层建 筑平面如图 1所示 火灾从 2层开始燃烧 ， 最终烧 至 6层才得到控制 ， 其中 2 、 4层结构损伤较为严重 ， 火灾前厂房已使用 4年多时间。 图 1 2 4层 建筑 平 面 示 意 图 经现场踏勘 、 检测和分析判断 ， 确定各层的受火 温度分区其中灾害严重的 2层多数空问区域划分 为 7 0 0 C 9 0 0 C。 个别火点可能在 9 0 0 C12上。钻芯 52 取样检测强度最小的主要构件分别为 2 层 柱， 截面为 8 0 0 8 0 0 配筋为 8 8 3 1 3 mm ， 表层混凝土强 度为 1 2 8 M P a ； 3 层 梁， 截面为 3 5 0 9 0 0 ， 表 层混凝土强度为 1 3 5 MP a 未损伤层混凝土强度检测 值为 3 2 6 MP a 以上两构件混凝土设计强度为 C 2 5 混凝土强度抽芯检测时对于某些变形较大和混凝 土大量崩塌 的楼板和次梁构件已无法加固而必须重 新浇捣混凝土 或无法钻芯取样和进行强度检测。 通过相关软件计算， 得出2 层 柱的设计内 力分别 为 ： 轴力一 4 8 5 1 0 2 k N， 弯矩 = 1 0 1 k N m， 配 筋 1 4 3 5 m m 2 ， 轴压比0 5 1 ； 3 层 梁构件的设 计内力如图 2所示。 ，7 78够 一 - 2m J 图2 3 层 梁弯矩包络图 2火灾后构件承载力损伤的数值计算与分析 2 1 柱正截面剩余承载力 选择钻芯检测强度最小的2 层) (柱计算其剩 余承载力 ，该层现场火灾温度分区为 7 0 0 9 0 0 ， 火灾当量升温时间按文献 1 计算约为 6 0 m i n ， 当量 温 度 为 9 0 0 C 。 根据 柱内力计算结果， e = M N = 2 0 8 m m 0 1 h ： 8 0 mm 因此柱可按轴心受压计算 。 根据温度分 布场规律 ， 火灾 当量时间为 6 0 m i n时， 查文献 2 给 出的温度场计算 图表 可知四面受火的构件表面温 度 为 9 0 0 C 3 0 0 C 温度线距离构件表面约 5 0 ra m， 如 图 3所示 维普资讯 http:/ 2 0 0 8 年4 月 第4 期 曾跃 飞等： 火灾 后混凝土 构件承 载力损 伤的数 值分析与 评估 A P R 2 0 0 8 N o 4 一 1 5 4 3 w m 溶篙 乙十 出的是 目前所有构件温度场 的求解都是未考虑混凝 土发生崩塌的 因此不考虑混凝土崩塌 ， 直接用温度 场求解方法计算或查有关 资料 可得 ， 温度最高 的 角部 钢 筋 温度 为 4 3 0 o C，其 它 钢筋 温 度根 据 温度 场 分 布规 律 可知应 比角部 钢筋 温度更 低 ，按此 温度 则 钢筋冷却后的强度损伤在 7 以内 。 但值得注意的 是 由于实际火灾时此梁角部混凝土发生崩塌 ， 角部 钢筋直接受火灾高温损 伤 因此角部钢筋受火 温度应按 9 0 0 其余钢 筋根据温度场 的计算分 析 可 知 火 灾 时 的温 度 在 6 0 0 C 以 内 火灾 时 的 梁钢筋温度如图 4所示。 图 4火 灾 时 的梁 钢 筋 温 度 冷却后角部钢筋损失较大 ， 按损伤 3 0 计算 其 余下部钢筋受高温有所损伤 ， 但仅在 1 0 以内 ， 为此 高温冷却后的角部钢筋强度折减系数取 K - 0 7 ， 其 余下部钢筋强度折减系数取 K 0 9 ，构件原混凝土 强度等级按设计 的 C 2 5计算。 通过计算或查有关资料 可得 高温冷却后的 截面宽度折减系数 K= 0 8 9 7 受压区高度为 ： 一 一 厶 一Kba 】 Kbc t 】 (0 9x4x490 8+0 7x2x 490 8) x 300 一 0 8 9 7x 3 5 0 x1 0 xl 1 9 =1 9 7 1 mm 7 9 3 7 k N m， 满足设计要 求。 常温下构件支座正常使用的承载力 3 5 6 k N m， M u v M u=9 1 2 。 可知承载力损伤不大。 考虑此梁未损伤层的实际检测强度为 3 2 6 MP a 按 C 3 0强度等级计算剩余承载力 ， Mu 8 9 3 1 k N m。 8 9 3 1 8 5 3 3 8 = 1 0 4 7 可知不同混凝土强度等级对 受压区火灾后的剩余承载力影响亦不大 ( 3 )火灾高温时的跨 中受拉区承载力 计算高温时的承载力 考虑梁角部混凝土崩塌 。 跨 中角部底钢筋直接受火 温度 9 0 0 C。 钢筋强度大 幅降低 。 高温时的折减系数取 K = 0 1 。 根据温度场的 计算分析可知 靠近角部的钢筋在火灾时的温度约 为 5 0 0 C。 K s = 0 6 。 其余钢筋约为 3 0 0 C。 Ks = 0 8 5 。火 灾时梁的钢筋温度如图 4 通过计算或查有关资料 可得 火灾高温时的 K = 0 9 5 3 受压区高度为： ： 一 厶 一Kbo t 1 Kbo t 1 ， ( 0 1 x 2 + 0 6 0 2 + 0 8 5 2) x 4 9 0 8 3 0 0 0 9 53 x 3 50 x1 0 xl 1 9 =1 1 5 O mmGh =0 5 5x 9 0 0= 4 95 mm - A ( h 0 - 0 5 x ) = ( 0 1 x 2 + O 6 0 x D 8 5 x 2 ) x 4 9 0 8 x 3 0 0 x ( 8 6 5 - 0 5 x l 1 5 0 ) =3 68 6k N m 5 66 5k N- I n 不满足承载力设计要求 ， IT M = 3 6 8 6 6 7 0 5 x 1 0 0 ： 5 5 0 可知火灾高温时的承载力损伤 较大 。 达到 4 5 0 高温时与冷却后的承载力 比 值为3 6 8 6 5 6 4 3 1 0 0 - -6 5 3 可见火灾高温 时的承载力 明显较低 冷却后的剩余承载力满 足设计要求 。但高温时则可能会不满足设计 要求。 2 3 板正截面剩余承载力计算 在对 3层 2 3 楼板的跨中 5 4 截面剩余承载力验算时 同样是考虑楼板混凝土崩塌 的实际情况 。 使下部钢筋直接受火高温作用 温度达 9 0 0 C， 冷却后 的钢筋强度折减系数取 K = 0 7 。该楼 板跨中截面剩余承载力 M u T = 3 5 k N m， = ( 3 5 4 4 6 ) x l 0 0 = 7 8 5 ， 其结果不满足要求 但如果不考虑楼板混凝土崩塌 而直接按构件 温度场的求解结果。 则钢筋处所受温度仅约为 4 0 0 冷却后的钢筋强度折减系数 K s = 0 9 计算得 出构件 跨中截面剩余承载力 4 7 k N m， 。 = ( 4 4 7 4 4 6 ) x l 0 0 = 1 0 0 3 ， 满足设计要求。 因此。 对于火灾 后 因混凝 土崩 塌 而裸露 的钢 筋温 度 不 能按 理论 温 度场求解 而应按直接受火温度考虑 否则 可能会给 出错误的检测评估结论。 需强调的是。 在建筑物火灾 后 的损伤评估检测中。 应详细观察、 检测和记录混凝 土构件崩塌和钢筋裸露情况 并在损伤计算分析和 评估 中考虑此情况对构件强度损伤的影响 从数值分析结果来看 ， 本工程柱 、 梁构件火灾后 的剩余承载力均基本满足要求 但从构件的变形检 测和外观特征来看 ， 不少结构梁板 已发生严重变形 、 严重下塌或上拱以及混凝土崩塌 、 开裂等破坏现象 。 如图 5所示 这主要是因为钢筋高温冷却后强度会 基本恢 复到原有强度值 。 而高温 ( 超过 3 0 0 C) 时的 钢筋强度随火灾温度的升高而急速降低 。使钢筋混 凝土构件在高温受热时的承载力急剧下降变形也 急剧增大 。 从而使构件遭受破坏 。因此。 火灾后构件 的计算剩余承载力满足要求 但实际上构件有可能 已产生严重的变形或破坏 这是 因为构件在高温受 热时的承载力可能是不满足要求 。因此不能以构件 的剩余承载力满足要求就评定构件未受损伤而不需 进行修复加固 由于高温冷却后的构件剩余承载力 大于高温时的承载力因此在对建筑物构件火灾后 的高温损伤评定中不能单从构件的剩余承载力结 果来评定构件的损伤情况 。而应从构件的剩余承载 力、 强度检测结果、 变形检测和外观特征等结果综合 判断构件的损伤情况 ( 下转第 4 7页 ) 图 5火 灾 现 场 部分 构 件 外 观 维普资讯 http:/ 2 O O 8 年4 月 第4 期 广东土 木与建 筑 A P lR 2 O o 8 N o , l 边建筑物及管线沉陷破坏 ： 基坑范围地面以下1 m 深度内有 2 条军用光缆和 2条 3 0 k V的高压电力线 ， 管线横穿基坑影响支护结构和止水帷幕施工 施工 中不得挪动和破坏 否则将引发重 大的国防和经济 损失 。 ( 2 )重大安全风险评估 方案 1 、 3由于钻孔支护桩或预应力锚索伸 人稳定的花岗岩或粘性土层 中 个体锚 固稳定 整体 协 同受力可提供持续可靠的支护力 支护结构延性 好 实践经验表明该类支护结构局部破坏时一般能 产 生持 续增 大 的变 形 、 坡顶 开裂 达 1 0 2 0 c m时 边坡 仍处在 自立状态 ： 破坏部位周边 由近至远 的支护结 构产生由大到小的变形 协同作业抵抗边坡变形 破 坏面逐渐愈合 应不会瞬间或大面积坍塌 有利于抢 险 而方 案 2加筋水 泥 土锚 桩在 厚度 大 的流塑 状淤 泥层 中锚 固具 有不稳 定 性 一 旦支 护结 构局 部 破坏 则邻近锚桩很易拔 出失效 引起 大面积坍塌的可能 性大 发生瞬间破坏的机率也相对较大 方案 1 、 2 均设计双层水泥搅拌桩墙， 厚9 0 c m 水泥掺人量 5 0 7 5 k g m： 但方案 3 水泥搅拌桩止水帷 幕设计为4 层， 厚 1 8 0 e m， 水泥掺人量 8 0 k g m以上 墙体厚度成倍增长 ， 且掺人 的水泥量大 ， 在饱 和、 流 塑状 含贝壳碎片和腐植质的淤泥中成桩强度高 止 水效果好 ， 发生破坏渗漏的风险较低 方案 1 、 2 要使用大型桩机在管线部位进行 施工， 采用冲击钻进， 安全隐患大 ， 且钻孔桩成孔中存 在易塌孔和管线破坏等风险 方案 3在管线周边特 别是管线部位采用高压旋喷止水帷幕 ， 因高压旋喷机 械轻便 ， 钻孔小， 相邻钻距可达7 0 c m以上 ， 可以避开 管线钻孔 在管线底 1 5 m以下土层 中旋喷水泥浆 ， 只要施工前清除覆盖土并露出管线 并采取适当的 保护措施 即可确保管线安全。 5 5方 案确 定 通过以上分析比较 最终认为方案 3最优 并确 定 采用 该 方案进 行施 工 6 结 束语 在本工程隧道深基坑支护工程成功实施前 对 3个不同的备选方案进行 了认真 比选 从技术角度 对方案各项指标优劣的内在原因及规律性变化进行 了深入探讨 ， 做到因地制宜并考虑风险性 ， 可为同类 工程提供参考。 参考文献 1 G B 5 0 3 3 0 2 0 0 2 建筑边坡工程技术规范 S 2 C E C S 2 2 2 0 0 5 岩土锚杆 ( 索) 技术规程 S 3 D B J T 1 5 2 0 - 9 7 ( 广东省标准) 建筑基坑支护工程技 术规程 S 4 C E C S 1 4 7 ： 2 0 0 4 加筋水泥 土桩锚支护技术规程 S 5 关 宝树地下工程 M 北京 ： 高等教育出版社 ， 2 0 0 7 窜 窜 窜 ( 上接第 5 4页 ) 3结论 3 1 火灾时构件混凝土的崩塌对 钢筋混凝土构件 的承 载力有 较大 的影 响 ， 因此 在灾 后 的损伤评 估 中 对于混凝土崩塌而裸露钢筋的构件 不能直接按构 件 钢筋处 的温度场求解结果确定钢筋强度折 减系 数 ，而应按混凝土崩塌后裸露钢筋直接受火的温度 来进 行确 定 3 2 在评估火灾后 的构件剩余承载力时 就仅对单 个构件的承载力而言可以用混凝土未损伤层检测强 度来进行评估 ， 但如果 以此构件为代表来评估判断 整体建筑物构件的承载力损伤时 则不应采用该检 测强度 ， 而应 采用 原设 计强 度值 3 - 3 构件高温冷却后的剩余承载力大于高温时 的 承载力 ，高温冷却后的构件剩余承载力满足设计要 求 ， 而高温时则可能不满足设计要求 在对建筑物构 件火灾后的高温损伤评定中，不能单从构件的剩余 承载力结果来评定构件 的损伤情况 ，而应从构件的 剩余承载力、 强度检测结果 、 变形检测和外观特征等 结果来综合判断构件 的损伤情况 参考文献 1 路春林 ， 屈立军 ， 薛武 平等建筑结构耐火设 计 M 北 京 ： 中国建材工 业出版社 1 9 9 5 2 过镇海 ， 时旭东钢筋混 凝土 的高温性 能及其 计算 M 北京 ： 清华大学出版社 ， 2 0 0 3 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 47 维普资讯 http:/