火灾后混凝土构件的变形损伤评估与鉴定.pdf

第3 期 2 0 0 7 年3 月 广东 土木与 建筑 GUANGD ONG ARCHI r EC T URE CI VI L ENGI N EE RI NG № ．3 MA R 2 o 0 7 火灾后混凝土构件的变形损伤评估与鉴定 跃 飞 1 ( 1 、 广东建设职业技 术学院 广州 5 1 0 4 5 0； 邓浩 2 2 、 广东省建筑科学研 究院 广州 5 1 0 5 0 0 ) 摘要： 根据 火灾对混凝土构件 的损 伤规律 ， 分析并提 出火灾后混凝土构件 的挠度计算 方法 ， 并结合实际工程算 例分析火灾后 混凝 土构件 变形的数值计算方法。 关键词 ： 火灾；混凝土构件 ；变形；评估 与鉴 定；数值计算 当火灾发生使温度超过 3 0 0 ~ C 时 。由于钢筋遇 高温其强度会急速降低 ． 导致钢筋混凝土构件承载 力下降而产生变形 ． 加上混凝土材料的热胀性 ， 会使 构件产生严重的变形或破坏 冷却后随着钢筋强度 的恢复． 构件承载力也会得到较大的恢复． 但若达到 塑性变形则较难恢复 尤其是较薄的水平楼板 ． 由 于钢筋保护层厚度一般仅 1 5 mm．较高的受火温度 会使钢筋强度大幅降低 ， 且不像梁、 柱构件有箍筋的 紧箍作用． 因此会产生严重的变形． 导致板下混凝土 大量崩 塌 1 火灾 后 混凝土 构件 变形 的评 定标 准 目前对火灾后混凝土构件变形损伤的评定一般 按表 1 的标准进行 ， 其中[ ] 为现行混凝土结构设 计规范规定的允许挠度 ； 为构件挠度 。 表 1 混凝土构件变形等级评定标准 2 火灾 后混凝 土构 件挠 度值 火灾后混凝土构件挠度值 应按长期荷载效 应组合的变形值 并减去或加上制作反拱或下挠值 ． 如何准确求 出 值是工程检测中的一个难点 目前 在火灾建筑物工程检测中． 由于没有相关 的规范和 研究文献可作参考 ． 因此大多数工程技术人员都是 直接用构件的现场检测变形结果来评定变形损伤等 级 ． 导致其结果缺乏准确性和科学性 因为火灾后 的现场检测不同于正常使用条件下的检测 ．建筑物 一 般都未修复 ．实际上只是检测出火灾后构件在 自 重作用下的挠度值( 大部分物品已被烧毁或清理) 。 为了准确计算火灾后混凝土构件挠度．可将其 分为两部分 ：①火灾高温产生损伤变形值与构件的 制作反拱或下挠值之和 ；②荷载考虑长期效应组 合作用下产生的挠度值 。火灾后构件在正常使用 极限状态下的挠度 可按下式计算 ： =i s + ( 1 ) 火灾后构件受到高温损伤．并在 自重作用下产 生变形 ， 此变形值 可在现场检测获得 ， 它包括恒载 作用下产生的变形值f 现场检测时不应在构件上堆 载) ． 火灾高温产生损伤变形值与构件 的制作反拱或 下挠值之和 就可按下式计算 ： = f j 一 ( 2 ) 式 中： 为恒载在短期效应下产生的变形挠度值。 根据混凝土构件的变形计算理论 ．可知火灾后 恒载在短期效应下产生的变形挠度值 和考虑荷载 长期效应组合作用下产生的挠度值 仍可利用现 行混凝土结构设计规范 的相关计算方法进行计算 ． 但应根据火灾构件温度分布场和火灾高温对构件材 料性能的劣化规律来进行计算 下面以一计算实例 说明火灾后混凝土构件变形的数值计算方法 3 工程 实例 计算 某 6层框架结构工业厂房遭受火灾损伤 ．火灾 后现场检测某梁的变形挠度 = 1 3 m m，受火温度约 7 0 0 ~ C ～ 9 0 0 ~ C． 火灾 当量 时问按 6 0 m i n考虑 梁截面 尺寸为3 5 0 ~ 9 0 0 ，采用 C 2 5混凝土， = l 1 ．9 N ／ m m 2 ， 跨中A ： 2 5 9 2 m m2 ． 支座 A ： 4 4 1 8 m m 2 。梁内力计算结 果表明． 恒 、 活载标准值产生的跨中最大弯矩分别为 5 9 维普资讯 2 O O 7 年3 月 第3 期 曾 跃飞 等： 火灾 后混 凝土 构件的变 形损 伤评估与 鉴定 MA R 2 0 o 7 N O 3 Me , =1 8 0． 4 k N i n， M@=2 0 9． 3 k N i n。 计算简图如图 1 。 3 ． 1 计算火灾后 恒载在短期效应 图1 计算简图 下产生的变形挠度值 荷载效应的标准组合计算的弯矩 和按荷载效 应的准永久组合计算的弯矩 分别根据《 建筑结构 荷载规范》 计算 ， 不考虑活载产生的弯矩 ， 取 ‰ ： O 。 MK =M +M =1 8 0．4+ 2 09． 3 =1 8 0．4k N i n M q =M +o．4M =1 8 0． 4+ 0． 4 x0 =1 8 0．4k N i n ( 1 )计算系数 使用阶段 的钢筋应力 和计算配筋率 P 为 ： = = 丽 1 8 0 丽 ． 4 x 1 0 6 9 2 ．5 N ／ ／ m m 2 u 一 丽一 王 一 。 = = 2 5 9 2 =0_ 0l 65 C 2 5混凝土的抗拉强度 = 1 ．7 8 N ／／ m m，根据高 温构件温度场计算方法[ 2 ] ． 可计算得钢筋处 的温度 约 4 0 0 1 2 ， 火灾高温后钢筋处 的混凝土 ． ( ) 可按 下 式计算[ 3 _ ： ． ( ) = ( 1 - 0 ． 0 0 1 T = ( 1 - 0 ． 0 0 1 x 4 0 0 ) x 1 ． 7 8 = 1 ． 0 6 8 钢筋应变的不均匀系数为： ． 1 _ _1 ． 1 一 =0． 6 44 0 O1 6 5x 9 2 t e s k ． ． ( 2 )计算短期刚度 火灾后钢筋与混凝土的弹性模量的比值为 ， 火灾后钢筋弹性模量 ( ) 按下式计算⋯： ( T ) = ( 1 0 0 ． 1 0 8 — 0 ． 0 2 4 9 T ) x l 0 - 2 E + = ( 1 0 0 ． 1 0 8 — 0 ．0 2 4 9 x 4 0 0 ) x l 0 x 2 ．0 x l 0 5 = 1 ． 8 0 3 x 1 0 N ／ m m 由于火灾 的高温作用 ． 构件在材料 内部不 同截 面处受到的损伤程度不同． 不 同截面处的混凝土弹 性 模量亦 不 同 火 灾后混 凝土 弹性模 量 的截 面 宽度 折减系数 可按文献[ 5 _ 类似推导获得下式 ： K = K＆ A6 ／ 6 ( 3 ) 若 取 Ab = 2 0 m m． 则 按照 梁宽近似划分 为 1 8格 ． 根据 温度场计算或 查有关资料[ 2 ] ． 可得梁受压区 高度混凝土的 6 0 表 2梁受压 区 值 S 1 0 6 5 4 0 ． 0 7 3 9 0 1 2 5 0 ． 6 9 5 3 0 4 5 6 0 ． 2 4 4 1 1 0 7 9 0 ． 8 0 3 5 0 3 0 4 0 ． 3 9 6 1 3 0 常温 1 7 0 1 9 7 0 ．5 3 7 温度 场 ，并可计算 出火 灾后混凝土 弹性模量 ， 见表 2 。 再按式( 3 ) 计算 ， l = O ． 6 3 9 ， C 2 5混凝土弹性模 量 E c = 2 ． 8 x 1 0 4 N ／ ／ m m ． 火灾后混凝土弹性模量按下式 计算 ： ( ) = I = o ．6 3 9 x 2 ． 8 x 1 0 4_- 1 ．7 8 8 N ／／ m m 火灾后钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值 按下式计算 ： E = ( r ) ／ E ( T ) = 1 0 ．0 8 2 受拉纵筋的配筋率P ／ ( b h 。 ) = 0 ． 0 0 8 5 6 火灾时混凝土板损伤较大 ． 因此不考虑翼缘截 面而按矩形计算， 即 ， = 0 。 短期刚度 按下式计算： B B = ( h o V( 1 _ l 5 + U ．0 2 + ) ] ：2 ． 3 9 8 x1 0 a N． mm2 ( 3 )查有关结构计算手册 ． 火灾后恒载在短期效 应下产生的梁跨 中变形挠度值 按下式计算 ： ，一 ：+ 望 一 —4 x 7 5 ．9 x 1 0— 3x 1 0 2 5 0 3 + J s一3 8 4 B 。38 4B 一3 8 4x 2 ．3 98 x1 0 4 。 ：4． 5mm 3 8 4 x2 ． 3 9 8x1 0 ⋯ ⋯ ～ 3 ． 2 按式( 2 ) 计 算火灾高温产生损伤变形值与构 件 的制作反拱或下挠值之和 A= f J = 1 3 — 4 ． 5 = 8 ． 5 m m 3 _ 3 计算荷载考虑长期效应组合作用 下产生 的构 件挠度值 ， 此时考虑恒载和活载共同作用 ， 并考虑 长期效应组合 MK =M~ + M @ =1 8 0． 4 +2 0 9． 3 =3 8 9． 7k N i n Mq = M g k +O ． 4 M @ =1 8 0．4+0．4x 20 9． 3 =2 6 4． 1 kN i n 其余计算过程同上， 可得短期刚度 B = 2 ． 0 0 9 x 1 0 。 至于受弯构件的长期 刚度 ， 按《 混凝土结构设计规 范》 ， P 0 ， 故考虑荷载长期作用对挠度增大的影响 系数 0 = 2 ． 0 ， 按下式计算 ： B = MK ／ [ Mq ( 0 — 1 ) + = 1 ． 1 9 8 x 1 0 a N mm 梁在荷载考虑长期效应组合作用下的跨中挠度 用下式计算 ： ， 一 + ‘ 一 —4x2 0 2x1 0—3 x1 0 2 5 03+ J h --38 4 B。3 8 4 B 一3 8 4 x1 ．1 9 8 x1 0 。 =2 0 38 4xl 1 9 8 x1 0 _ 8 mm ． I 4 ⋯⋯‘ 3 ． 4 火灾后构件正常使用最大挠度值 按式( 1 ) 计 算，即 蛎= 8 ． 5 + 2 0 ． 8 = 2 9 ． 3 m m， d = 2 9 ．3 ／／ 1 0 2 5 0= 0 ．2 8 ％< [ 5 ] = ／ J 3 0 0 = 0 ．3 3 ％． 因此根据评定等级标准． 此梁火灾后 的变形损伤评定为 a级。( 下转第 5 3页 ) 维普资讯 2 O 0 7 年3 月 第3 期 广东 土木与 建筑 M A R 2 0 0 7 N o ． 3 栓连接的设计 、 施工及验收规程} J G J 8 2的规定。 ” 但 J G J 8 2 — 9 1 和 G B 5 0 2 0 5 — 2 0 0 1 对 8 ． 8级高强 度大六 角 头螺栓施工预拉力的给定值 比G B 5 0 0 1 7 — 2 0 0 3《 钢 结构设计规 范》 相应的设计预拉力 约大 1 0 ％， 故笔 者认 为此 条 应按 照 G B 5 0 0 1 7 — 2 0 0 3执 行 ． 否则 施工 将会产生严重的欠拧结果 ． 达不到设计要求 ． 建议施 工预拉力标准值按表 1 执行 表 1 高强度螺栓连接副施工预拉 力标准值 ( k N) ( 4 )用扭矩控制法施工 ， 因受离散性影响 ， 一旦 螺栓制作质量差或施工管理不善 ． 值超标控制预 拉力就会出现问题且难以处理 采用转角法施工就 可避免较大的误差 ． 但转动的角度需经试验确定 ( 5 )高强度螺栓 紧固轴力 和扭矩系数试验的 目 的． 首先是控制螺栓质量 ． 在试验中我们发现部分高 强度大六角头螺栓的扭矩系数大于 0 ． 1 5 ． 或标准偏 差超过 0 ． O l ； 有些送检 的螺栓 、 螺母和垫圈的尺寸明 显偏小， 会对连接副的疲劳强度产生较大的影响． 说 明我国在高强度螺栓制作水平和质量把关方面与外 国相比仍存在较大的差距 ． 容易造成工程隐患 ． 应引 起人们的重视 ． 施工单位应选择有信誉厂家的产品 ( 6 )对于螺栓重复拧紧问题 ． G B 5 0 2 0 5 — 2 0 0 1 规 范规定每套连接副只应做一次试验． 不得重复使用 许多相关试验资料表 明． 只要螺栓和螺母 的螺纹没 有损伤 ， 着重复拧紧并不影响扭矩系数 ， 可视为离散 性。我们也做过试验 ， 用同一根螺栓进行 4次试验． 在预拉力范围内 值基本稳定． 上下波动 4 ％． 但平 均值基本稳定． 可视为仪器和拧动扳手速度的误差 因此 ． 工地上如因故卸松螺母重拧． 或进行紧固扭矩 检查时 ． 对螺栓预拉力影响不大 ( 7 )当外界温度与常温相差较大时 ． 应进行试验 以调整扭矩， 但因扭剪型高强度螺栓扭矩无法调整 ． 故规定其使用温度是非常必要的 日本规范规定了 扭剪型高强度螺栓使用 O ~ C ～ 6 0 ℃的紧固轴力 ( 8 )个别建筑施工单位存在对高强度螺栓连接 副 的安全使用缺乏基本知识 ， 而正确 的保管 、 安装 、 使用 、 保养是结构是否安全运作 的主要 因素之一 ． 施 工单位应采取质量保证措施 ．以提高高强度螺栓 的 安装质量 如高强螺栓设专人管理妥善保管． 不得乱 扔乱放， 安装过程中不得碰伤螺栓及污染． 以防扭距 系数发生变化； 注意防潮防腐蚀 ． 长期保存时对其表 面要涂 以黄油 、 蜡 、 机械润滑油等进行润滑处理 ； 在 同一连接面上． 高强螺栓应按同一方向投人 ． 高强螺 栓安装后应当天终拧完毕 ： 安装不能在雨中进行等 参考文献 [ 1 ]G B 5 0 2 0 5 — 2 0 0 1 钢结构工程施 工质量验收规范 [ S ] [ 2 ]J G J 8 2 — 9 1 钢 结构高强 度螺栓连接 的设计 、 施工及 验 收规程 『 S ] [ 3 ]G B 5 0 0 1 7 — 2 0 0 3 钢结构设计规范 『 S ] [ 4 ]王 伯琴 ， 陈录如 ， 陈先锋编著．高强度螺栓连 接[ M] ．北 京 ： 冶金工业 出版社 ． s 屯 ． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯j屯． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯． s ． s 屯． s 屯 ． s 屯 ． s 屯 ． s 屯 ． s 屯 j屯 ． s 屯 ． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯 ． s 屯 j屯 ． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯． s 止． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯． s 屯 r 上接第 6 o页) 参考文献 4结语 [ 1 ]D B J 0 8 — 2 1 9 — 9 6 ( 上海市标准 ) 火灾后混凝 土构件评定 4 ． 1 火灾后受弯构件在正常使用极限状态下 的最 标准[ s ] 大挠度 ，即为火灾高温产生损伤变形值与 [ 2 ]路春林， 屈立军， 薛武平等． 建筑结构耐火设计[ M] ． 北 构件的制作反拱或下挠值之和 加上构件在考虑荷 京： 中国建材工业出版社， 1 9 9 5 载长期效应组合作用下产生的挠度值 。 [ 3 ]徐或， 徐志胜， 朱玛． 高温作用后混凝土强度与变形试验 4 ． 2 火 灾后混凝 土构件在荷载作用下产生 的挠度 研究⋯ ． 长沙铁道学院学报， 2 0 0 0 ． 6 值可利用现行混凝土结构设计规范的相关计算方法 [ 4 ]沈蓉， 凤凌云， 戎凯．高温( 火灾) 后钢筋力学性能评估 进行计算 ． 但应注意混凝土和钢筋的材料力学性能 [ J ] ． I~ I ] 1 1 建筑科学研究， 1 9 9 1 ( 2 ) 应采用火灾后的材料性能值 [ 5 ]屈立军． 火灾时钢筋混凝土构件截面特征参数[ J ] ． 建 筑技术 ． 1 9 9 5 ( 5 ) 5 3 维普资讯