火灾受损分析和修复加固设计探析.pdf

2023年4月工程技术与应用江西建材火灾受损分析和修复加固设计探析吴栗川安徽省建筑科学研究设计院，安徽合肥230031摘要：文中主要介绍了钢筋混凝土结构在火灾中的损伤，对火灾后的钢筋混凝土结构修复及加固进行了分析，并对防火设计的有关问题进行了阐述。关键词：火灾；结构安全；检测鉴定；修复加固；建筑防火中图分类号：TU318文献标识码：B文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 4-0 2 5 6-0 2Fire Damage Analysis and RepepairReinforcementDesignWu SuchuanAnhui Institute of Building Research&Design,Hefei,Anhui 230031Abstract:This paper mainly introduces the damage of reinforced concrete structures during the fire,analyzes the repair and reinforcement ofreinforced concrete structures after the fire,and expounds the relevant problems of fire prevention design.Key words:Fire;Structural safety;Detection and identification;Repair and reinforcement;Building fire prevention1火灾对建筑结构的损伤当建筑物受到火灾的危害时，其自身的安全性和稳定性将会显著降低。火灾对建筑物的影响可以从以下角度来分析。1.1混凝土构件强度损失混凝土主要由水、水泥、砂、石组成。而水泥石含有的水可分为结合水和非结合水两种，所以一旦遭受火灾时这两种水都会遇到高温而蒸发，从而造成混凝土构件的毛细孔增加，增大了混凝土的孔隙率，导致混凝土内部结构由于脱水而遭到破坏，继而降低混凝土的整体强度。因此，在火场高温作用下，混凝土的力学性能将发生非常严重的劣化。1.2钢筋强度的损失火灾降低了钢筋和与混凝土之间的粘结力和钢筋的屈服强度，使钢材与混凝土之间出现滑移变形。这样不仅会降低或丧失混凝土和钢筋之间握裹力和摩擦力，还会造成混凝土保护层表面胀裂，使其受到不同程度的损伤。在火灾发生时，钢筋的表面温度超过140 0，钢筋将由固态转为液态，失去承载载荷的能力。钢筋的表面温度在6 0 0 以上时，钢筋将不能恢复到原来的强度，而温度在6 0 0 以下时，普通钢筋可以恢复到原来的强度。火灾后的混凝土强度和钢筋强度的计算公式可参考文献 1。1.3火灾发生时结构的受力分析建筑结构遭受火灾时，同一层建筑梁板柱等结构构件各个部位受力各不相同。混凝土构件各个截面因火灾而产生的温度应力场分布很不均匀，由于迎火面和背火面温度相差悬殊，结构构件产生相应的拉压应力。对于小偏心受压构件，其工作性能中起主要的控制因素是恒载下高温混凝土的抗压强度。由于火灾过后混凝土的受压性能比受拉性能及钢筋的性能好，所以火灾后建筑安全性重点是评估板和梁的正截面抗弯承载力和作者简介：吴粟川（19 9 3-），男，安徽安庆人，本科，助理工程师，主要研究方向为结构工程。复核柱、墙构件的大偏心受压。至于梁、板、柱的抗剪和抗压评估可以放在次要位置，除非出现严重的变形和受力裂缝。1.4浇水、冷却对构件的影响火灾发生时内部温度高于外部温度，由于灭火造成的内外温度差会产生温度应力，加上混凝土失水而收缩产生拉应力，进而导致混凝土产生裂缝。影响混凝土构件的安全使用性能。就灭火时浇水而言，在火场温度低于5 0 0 时，经浇水冷却后的混凝土构件强度低于自然冷却后的强度；当火场温度高于600时，构件的强度经浇水后又高于未浇水后的强度。此外，在火灾低于5 0 0 时，混凝土构件的力学性能会随时间增长有较大程度的“自然恢复”2 。2对受损建筑的检测鉴定结构安全鉴定所需要分析的是每一个结构构件在火灾现场中构件最高温度、内部温度的分布，火灾全过程每个结构构件的内力状况。根据火灾时火场各处的温度不同，分析火灾对建筑物主体结构和不同的结构构件、不同的截面位置的损害程度。火灾后钢筋、混凝土的材料性能会发生改变，继而降低构件乃至整个结构的承载力，因此，需要对火灾后的梁、板、柱等构件的混凝土强度和钢筋力学性能进行检测和计算分析，综合评估构件受力状态和力学性能，对各构件受损情况及部位做出准确、合理的评定和评级，为确定结构构件是否具有修复价值和采用什么样的修复方案及加固方法等，提供可靠的设计依据 3 。2.1混凝土、钢筋混凝土剩余承载力的确定混凝土构件火灾后的抗力计算方法和通常情况的计算方法相同，但取值有些不同。在这个计算方法中，假定构件发生火灾后的截面尺寸不变，构件的混凝土强度取折减后的强度，而钢筋强度发生火灾后，强度再乘以平均折减系数 4。目前所采用评价混凝土的方法主要是钻芯一回弹法，依据检测确定剩余混凝土承载力，继而来评定火灾后混凝土强度，可以较准确地反映出混凝土构件残余强度。钢筋性能结果通过对受损钢筋取样并进行力学性能检测得出。2572023年4月江西建材工程技术与应用要得到现存构件的极限承载力，应根据火灾情况和构件实际的受损工况，然后估算构件的初始应力，同时根据构件的初始应力水平确定构件所能承受的极限温度，并作出关于建筑的安全性总结 5 2.2火灾后结构构件的个损伤等级根据火灾发生现场的温度和火灾持续时间，来推断结构构件材料的性能变化和受损程度，进而评定构件的损伤等级。受损程度不同，结构安全度降低程度也不同。对结构构件的损伤程度分为四个等级：I级表示结构轻度损伤，级表示结构中度损伤，级表示结构严重损伤，IV级表示危险结构 6 。3火灾后建筑结复、加固分析损伤级别为I级的结构构件仅需维修就可以恢复其使用功能，其余需要加固来恢复其使用功能。I级的结构构件一般为轻度损伤，此时结构构件的承载力基本不变，构件只需进行简单的修理即可再次投人使用。结构加固指对损伤级别为、I V 级的结构受损构件，依据加固要求，采用粘贴钢板、增大截面法、粘贴碳纤维布材料等技术加以处理。应视实际受灾情况采取不同实施办法 7-8 。笔者从工作中的案例来分析对火灾受损建筑结构的修复加固。某厂房为3 层框架结构，使用功能为多层厂房，地上3 层，局部夹层，建筑高度为16.5 m；结构形式为框架结构，建筑结构安全等级二级，抗震设防类别为丙类。厂房纵横向跨度均为12m，层高9.3 m，框架柱混凝土设计等级为C40，二层及以下梁板为C40，二层以上为C35。起火原因为机器长时间运行工作中起火。厂房起火点为一层某一跨范围内，导致一层顶相邻五跨区域部分结构受损。本次火灾持续时间约40 min，根据火场燃烧残留物、火灾持续时间、通风条件以及起火点区域附近个别构件混凝土出现严重脱落和主筋外露等因素，综合判定本次火灾火场温度及构件表面温度 8 0 0。火灾过火区域内混凝土构件表面部分受损且出现不同程度的裂缝、剥落，其中起火点附近区域构件受损严重，现浇板底面剥落最大深度约5 0 mm，个别顶梁、板钢筋裸露；经现场取样，对起火点附近顶梁混凝土芯样试件强度和现浇板底面钢筋力学性能进行检验，被测构件混凝土强度、钢筋力学性能未明显降低。火灾区域混凝土构件评级如下：柱初步鉴定评级为级，梁初步鉴定评级为级级，板初步鉴定评级为级 级。通过对结构构件承载力进行验算，最终采用加固方案如下。（1）对I、级框架柱表面受损面层铲除后涂抹高延性混凝土进行加固。（2）对级梁表面受损面层铲除后涂抹高延性混凝土并粘贴碳纤维布加固，对级梁采取全截面混凝土置换加固。（3）对级板表面受损面层铲除后涂抹高延性混凝土并粘贴碳纤维布加固，对级板采取全截面混凝土置换加固4防火设计的有关问题高层建筑物结构一般分为钢筋混凝土结构和钢结构，这些结构都会随着温度的变化而出现力学性能的变化。建筑结构受高温的作用，一方面会使得其本身承载性能和耐火能力衰弱，另一方面还会使得建筑物产生不均匀的温度变形和应力重分布现象。当温度超过建筑结构的承载能力时，建筑结构的弹性及承载力降低，继而危及结构的安全性。4.1耐火等级和材料选择GB50016一2 0 14建筑设计防火规范中规定，建筑的耐火等级分为四类，其中，一般高层建筑应符合一级和二级。防火设计中要保证建筑在火灾发生时各结构构件的耐火极限，首先应确定建筑物的耐火等级。确定了各结构构件的耐火极限就可以保证人员的应急疏散有足够的时间，减小火灾造成的建筑性能损失。一个合理的防火构造可以减少起火发生概率，防止火灾迅速蔓延，并确保人员和建筑的安全。当建筑的耐火性能达到耐火限极后，建筑的承受力就会慢慢减小，直至破坏。项目设计中首先应确保建筑主体结构耐火性能，然后再考虑雨棚、墙面等其他部位的耐火性能。建筑物的耐火性能是由材料的燃烧性能、构件耐火的最高温度和构件的耐火时间决定。4.2结构构件防火设计建筑物的构造设计和构件材料要依据耐火等级来决定。例如耐火等级较高的柱和承重墙承受高温时间应不小于3 h，建筑物结构材料大部分是非燃烧体，并且厚度也影响着构件的耐火能力。在所有建筑发生火灾时，高层建筑的灭火救援难度大，所以需要保证建筑的耐火性能，为灭火救援赢得足够的疏散时间，同时也有利于火灾后的建筑结构修复。在建筑装修时尽量采用不易燃烧的材料，也要复核隔墙、吊顶等二次构件的耐火性能。为了尽量的避免火灾且在火灾发生时控制火势，装修材料应经过防火处理。构件的耐火极限决定了整体建筑的耐火等级，类似于短板效应，混凝土耐火极限尤其要注意两点。一是楼梯、柱要满足耐火极限要求。楼梯构件是消防疏散救援使用，如按结构受力柱采用3 h耐火时限要求，会出现梯柱过大造成楼梯间开门困难或者墙体变厚、有效面积降低的情况。二是防火墙应直接设置在建筑的基础或框架柱、梁等结构构件上，框架柱、梁等结构构件的耐火极限应不低于防火墙自身应达到的耐火极限。防火墙应从楼地面基础隔断至梁、楼板、屋面板底面基层，部分结构，防火墙应高出屋面0.5 m以上。5结语随着我国经济发展和科技进步，火灾造成的危害越来越受到人们的重视，针对火灾对混凝土结构构件的不同损害等级，应采用不同的修复加固方法，以恢复建筑结构的使用功能。参考文献1】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 3.2丁大钧.现代混凝土结构学【M】.北京：中国建筑工业出版社，2000.3敬登虎.火灾后钢筋混凝土承重结构的概念评估与处理措施J.建筑技术，2 0 0 5，3 6（6）：45 4-45 5.4王元.火灾后混凝土结构质量的模糊综合评判【J.低温建筑技术,2 0 0 5 (2):5 5-5 7.5周其春.遭受火灾的建筑结构鉴定与处理J建筑技术，2 0 0 0，31(6):379-380.6沈旭杰.在建钢筋混凝土结构火灾后受损鉴定【J】.低温建筑技术,2 0 0 4（2):3 5-3 7.7Hua Yang,Lin-Hai Han,Yong-Chang Wang.Effects of heatingand loading histories on post-fire cooling behaviour of concrete-filledsteel tubular columns J.Journal of Constructional Steel Research,2008,64（5):5 5 6-5 7 0.8李威.火灾后型钢混凝土十字形柱剩余抗力的研究D.济南：山东建筑大学，2 0 2 2.