钢筋混凝土结构火灾后检测与修复.pdf

第 3 7卷 第 5期 2 0 1 0年 5月 建筑技术开发 Bui l d i n g Te c h ni q ue De v e l o pme n t Vo 1 3 7， No 5 M a y 2 01 0 钢 筋混凝 土 结构火灾后检 测与修复 许世涛 黄红友 滕海文 ( 1 中国航空技术 国际工程有限公司； 2 北京工业大学建筑工程学院， 北京 1 0 0 1 2 4 ) 摘要 】 对火灾事故后钢筋混凝 土结构房屋 的破坏特点 、 高温后材料性 能改变 、 火灾温度 的判定方法 、 损伤构件 的检 测与鉴定 、 加固修复 的措施等问题进行探讨 。 关键词 火灾 ； 钢筋混凝 土结构 ； 检测 ； 修复 中图分类号 T U 7 4 6 3 文献标 志码】 B 文章编号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 0 ) 0 5 - 0 0 4 0 0 3 DE】 f 】 巨 )【 删AND R团 R OF R C s r=【 1 】RE AF胍 哏lE D 陬 A b s t r a c t Ke y w o r d s Xu S h i -t a o Hu a n g Ho n g - y o u T e n g Ha i -，we n The RC s t r uc t ur e s d e s t r o y e d c h a r a c t e r ，ma t e r i a l p r o p e r t i e s c h a ng e a f t e r hi g h t e mpe r a t u r e，t he d e t e r mi n a t i o n me t h o d o f fir e t e mp e r a t ur e， t he d e t e c t i o n a n d i d e n t i f i c a t i o n o f s t ru c t u r a l d a ma g e r e p a i r me a s u r e s， r e i n f o r c e me n t o f s t r u c t u r e s a fte r t h e fir e a r e d i s c u s s e d fir e h a z a r d； RC s t ruc t u r e； d e t e c t i o n； r e pa i r 火灾是危害人们 生命财 产安全 的灾害 之一。据统计 资 料表 明， 在各种火灾事故 中， 建筑火灾 占据首 位 ， 而建 筑结 构 发生火灾时 ， 其结构 、 构件承载力必然受 到影 响 ， 不 能达到原 设计安全使用要 求 。因此 如何对 火灾后 的建筑 进行检测 并 确定合理、 经济 的加 固修复方法具有十分重要 的意义。火灾 后 的结构加固修 复 ， 不同于常规的新建工程 ， 既特殊又复杂 ， 设计难度较大且 又无 专 门的规范可依 。本 文就 火灾事故 后 钢筋混凝土结构房屋 的破坏特 点、 高 温后 材料性能 改变、 火 灾温度 的判定方法 、 损伤构 件检测 与鉴定 、 加 固修复 的措 施 等 问题进行探讨 。 1 火灾后钢筋混凝土结构的破坏特点 1 1 火 灾直 接 损 伤 火灾 时火焰高温 直接烘烤构 件使材料性 能发生 变化 致 使构件破坏 ， 其主要 特点 ： 构件混凝 土表 面 出现 不同程度 的 裂缝 、 酥松 、 脱落 、 钢 筋露 出、 构件变形等现象 ， 当构件耐火度 不足时 ， 则有可能丧失承载力而倒塌。这种破坏一般 出现在 梁上 ， 如图 1 所示。 1 2火 灾 间接 损 伤 由于楼屋盖受热膨胀挤压端部 的框架 ， 使框架节 点受 剪 而损坏 ， 其破坏特点 为框架 上下节 点出现不 同程度 的裂缝 ， 收稿 日期： 2 0 1 0 0 20 5 作者简介： 许世涛( 1 9 7 2 - ) ， 男 ， 硕士 ， 中航技 国际工程坦 桑公司 总工 程师 。 研究方向 ： 结 构加 固、 工程 项 目施 工 以及项 目风 险 管理 。 通讯作者 ： 滕海文( 1 9 7 4 ) ， 女 ， 硕士生导师， 北京工业大学副教授 。 节点混凝土爆裂 ， 柱纵筋鼓 出， 梁柱 错位等现象 ， 一般柱顶节 点较柱底节点损伤 严重 。这种 破坏一 般 出现在梁柱 节点或 柱上 ， 如图 2 、 图 3所示 。 图 1 火灾后钢筋混凝土梁破坏 图 2火 灾 后 梁 柱 节 点 破 坏 图 3 火灾后钢筋混凝土柱破坏 第 3 7卷 许世涛 ， 等 ： 钢筋混凝土结构 火灾后检 测与修复 第 5期 1 3 由上 述 两种 因素 共 同作 用结 果 该类型破坏出现在火 区与来过火区交界 的框架粱柱 ， 其 破坏特点为上述两者综合 。 2火灾高温后材料性能的变化 2 1 高 温 时材 料 性 能 2 1 1 钢 筋 钢筋 内部的晶体组织对 温度很 敏感 ， 在高温作 用下 ， 强 度及弹性模量均会降低。一般情况 下 ， 火灾 温度在 2 0 0 以 内 ， 钢筋性 能没有很大变化 ； 3 0 0 C以后 ， 钢筋 的屈 服强度 ， 极 限强度 =】 将 明显下 降； 4 3 05 4 0 C之 间则强度 急剧下降 ； 6 O O 时， 强度很低 ， 不能承受荷载。 2 1 2混 凝 土 普通混凝土在 高温 作用下 ， 材料性 能将 发 生变 化和 蜕 变 。一般情 况下 ， 火灾温度达 3 0 0 o C以后水泥开始脱水 ， 强度 开始下降 ； 4 0 0 5 O 0 以上 时 ， 水泥 中的游 离氢氧化 钠变 成 氧化钙 ， 此 时若冷却 、 受潮则又重新 水化成氢氧化钠 ， 并伴 随 着体积膨胀 ， 可能导致高 温后未 曾破坏 的混凝土破 坏 ； 至 约 5 8 0 C后 ， 混凝土中的骨料 也将 由受 热逐渐膨 胀转 为突然 膨 胀 而碎裂 ， 此时剩 余 强度 约 为 5 0 ； 至 约 7 0 0 C， 水泥 石 脱 水 ， 收缩成 团块 ， 碳酸钙产生气体分解并有 氧化钙生成 ， 内部 结构破坏 ， 此时剩余 强度约 2 0 ； 随着温度升高 ， 混凝土继 续 变脆 、 变疏松 ， 强度继续下降。 2 1 3 钢筋与混凝土的粘结强度 钢筋与混凝 土的粘结强度 随着火灾温度 的增高而 明显 下降。光面钢筋在 3 0 0 4 0 0 E时仅剩 余 4 0 6 0 ， 6 0 0 C 时剩余 3 0 ， 8 0 0 C时不足 1 0 ； 变形 钢筋 在 3 0 0 4 0 0 o C时 ， 约剩余 9 0 左右 ， 6 0 0 C时剩余约 5 0 6 0 ， 8 0 0 C时约剩 余 4 0 。 2 2 高温 后 材料 力 学性 能 高温后 即火灾扑灭后 ， 混凝土强 度以及 钢筋与混凝土 的 粘结强度基本保持 高温时 的剩余值 。普通 混凝 土构 件的钢 筋强度将 明显恢复 ， 火灾温度 7 0 0 C以下， 强度 基本恢 复； 火 灾温度 8 0 0 9 0 0 ， 约可恢复至 9 0 。 3火 灾 温 度 的判 定 火灾温度是指火灾作 用于构 件表面 的温度 ， 灾 害表 明 ： 钢筋混凝土结构受高温后材料的损伤程度 ， 主要取决于火灾 温度以及高温持续的时间长短 。因此 ， 准确地 判定火灾温度 及其区域 ， 对检测鉴定工作是很有 帮助的。已有较多的试验 研究资料介绍火灾温度判定方法 ， 可适 当选用。 3 1 简 易判 定 方 法 1 ) 按火灾经历时间推算 ， 公式为 ： T =3 4 5 L g ( 8 t十1 )+ ( 1 ) 式中 ， 为火灾温度 ( ) ， T o为发生火灾时 自然温度 ， t 为火 灾的经历时间( m i n ) 。 2 ) 由火灾现场残余物特征推测 如玻 璃 ： 在 7 0 0 C时 软化 ， 8 5 0 C时熔 化 ； 铝 和 铝 合 金 ： 6 0 0 7 0 0 C会 变形 和 表 面熔 化 ； 铸 铁管 及 其 暖 气 片等 ， 在 1 1 0 01 2 0 0 会变形和表面熔化 。 3 ) 根据火灾后混凝土结构表面颜色 、 裂缝及锤击声等特 征 推 测 。 举例 ： 某棉纺厂 1 9 9 3年底 l 2月 1 3日凌晨发生 火灾 ， 火 灾经历约 3 h ， 燃烧物 主要 为化纤棉纱 ， 1 5 E t 进场勘查 ， 发现 屋面板较多处烧穿 、 塌落 ， 部分梁混凝土呈浅黄色或 白色， 混 凝土出现较 多裂缝 、 疏松 、 丢块现象 ， 梁露筋严重 。铸铁管扭 曲 、 变形 ， 表 面有熔化现象 。 由上 述 特 征 分 析 ， 估 火 灾 时最 高 温 度 可 达 1 O 43 O 1 1 0 0 C。若按上述公式推算 ， T=3 4 5 L g ( 8 t +1 )+r o m1 0 9 9 o C 3 2 采 用 取样 检 测 方 法 判 定 火 灾 温度 根 据火灾后钢筋 混凝土结构钢筋 强度变化情况 判定火 灾温度 ； 用超声波 对混 凝土 构件测 定 脉冲速 度推 定火灾 温 度 ； 取火灾现场混凝土构件表面烧损混凝 土进行 电镜分析判 定火灾温度 ； 测量火灾后混凝土结构表 面烧损层 厚度判断火 灾温度等等 。 4损伤结构构件的检测与鉴定 4 1 检 测 1 ) 外观检测 。查看构件表面损伤情况 ， 主要 是了解混 凝 土裂纹 、 裂缝 、 散粒、 疏 松、 露筋 等程度 、 小锤 敲击声 音特点 、 构件变形等情 况 ； 初估 火灾 温度 ， 推 断构件损 伤 大体 程度 。 该项工作应仔细、 全面进 行 ， 并认真做好记录。 2 ) 取样检测 。损伤构件的检测结果 ， 是结构可靠性鉴 定 的依据 ， 应分区分类取样 ， 着重检测下 述内容 ： 混凝 土的碳 化 ； 混凝土受高温影 响深度也 即烧 损层厚 度 ， 一 般可采用 取芯检测 ； 混凝土实际强度 ， 指删除烧损表层后 ， 内部混 凝 土强度 ， 建议采用取 芯法 ， 也可配合 超声波检测 法。不宜采 用 回弹法 ， 因其 只能测 得混 凝土表 层强 度。 钢 筋 的力学 指标。 4 2 鉴 定 火灾后结构可靠性的鉴定是属 于应急 鉴定， 这项工作应 慎重而又及 时地进行 。 1 ) 首 先 鉴 定 房 屋 危 险 性 程 度 ， 提 出应 急 临 时 加 固措 施 ， 防止由 于意 外 因素 ( 如振 动 、 台风 ) 致 使 房屋 整 体或 局 部 倒 塌 。 2 ) 火灾间接损伤构件 鉴定。这类构 件的损伤原 因是 由 于节点侧移 所引 起的 ， 一般 也 只在节点 及柱 端 出现残损 现 象 ， 构件材料 性能 没有损 坏 。所 以鉴定 的方法 是依 据 现行 民用建筑可靠性鉴定标 准 ( G B 5 O 2 9 2 一 l 9 9 9 ) 。可 由构件 裂缝 、 变形情 况进行分析评定。 3 ) 火灾直接损伤构件鉴定 外观检测无裂纹 ， 锤击 声响亮似金 属声 ， 混 凝土保 护 层无碳化现象 ， 一般可认为构件完好 ； 若仅有细微裂纹 ， 其余 条件同上述 ， 则此裂纹是 由于混凝 土在 高温时消防冷水突然 冷却 收缩引起 ， 修补 即可。但 应注意 的是 ， 当火灾温度判 定 为 3 0 0 4 o o 时 ， 光面钢筋与混凝土之间的粘结强度 已明显 下降 ， 不可忽视 。 混凝土表面微显 粉红 ， 无裂缝或个 别细小 裂缝 ， 无 碳 41 第 5期 许世涛 ， 等 ： 钢筋混凝 土结构 火灾后检测与修 复 第 3 7卷 化现象 ， 构件变形甚小 ， 火灾温度估 约 5 0 0 左 右 ， 高 温后构 件表面的混凝土已有损伤 ， 强度 将下降 ， 钢筋 与混凝 土之间 的粘结强度不论光面还是变形钢筋均下降较 多， 钢筋强度略 有下降。这类构件处于应否加固的I临界 ， 鉴定 结论应客观全 面， 并结合构件原设计承载力安全储备情况而定。 构件混凝 土保 护层出现散粒、 疏松 、 脱落露筋 ， 构件变 形过大 ， 这些现象表 明构件表层 混凝土 已破坏 ， 钢筋 与混凝 土之 间粘结力基本丧失 ， 必须进行加 固补强 。 5加 固修 复 的 措 施 5 1结 构加 固设 计 结构加固设计宜以构造为主 ， 计算为辅 ， 强调概念设计。 钢筋混凝土构件经火灾 高温后 ， 其补 强加 固设 计计算 方法 ， 目前 尚无专门的规范可依 ， 且 这方 面的研究试 验资料 较小。 因此 ， 计算理论的不成 熟只有采 用构造 措施来 弥补 ， 两者相 辅相成 。 构造措施方 面 ， 应着 重考虑 ； 鉴别 受火蚀 的混凝 土并予 以剔 除； 拟定保证新 旧混凝 土结合 的有效构造 措施 ； 混凝 土 裂缝 的修补复原 ； 保护 层混凝 土破坏情 况鉴定 及其处 理 ； 补 强钢筋的锚固措施 ； 原 钢筋 与混凝土之 间 的粘结强度 ； 过量 变形钢筋的更换替补 等。 计算方面 ： 首先应复核原设计 的安全度 ， 其他 部位 ( 未过 火) 若原设计 承载力 不足 ， 应 同步 补强 ； 损 伤构 件 的补 强计 算 ， 可根据不 同的加 固方法 ， 参照 现行 的有 关规范假 定计算 模型 ， 建立近似计 算公式 ， 进行 验算 。考虑 到未能 预计 的诸 多因素 ， 因此宜有较大的安全储 备。 概念设计是相对 于设计计算而 言， 它是根据工程结 构的 设计理论和方法 ， 针对 工程 结 构受 火灾损 伤程 度 ， 本着 “ 安 全、 适用 、 经济” 的原则 ， 进行结构修 复的整体 考虑和布置 ， 拟 定相应 的 构造 措 施 ， 以 其更 好 地 恢 复 原 结 构 设 计 的 预 定 功能。 5 2补 强加 固方 法 1 ) 改变受力图形 的方法 ： 这种方法是通 过增设 支座 ( 支 点) 或减少或 限制荷载来 减小原结 构构件截 面 内力 ， 满足 构 件强度及 刚度要求。 2 ) 不改变受力 图形 的方法 ： 有增大构件断 面和 配筋 的加 固方法 ； 采用型钢 圈套加 固方法 ； 粘 钢加固法 ； 粘碳 纤维加固 法 ； 采用预应力加 固方法 。 3 ) 火灾后钢筋 混凝 土构件补强加 固， 宜优先考虑采用新 工艺 ， 新材料 ， 新技术进行补强加 固， 如 ： 压力灌浆 ， 喷射混凝 土砂浆 ， 钢纤维混凝土 ， 微膨胀混凝土等工艺。 加固设计 必须根据实际工程状况 ， 选择合适 的或综 合的 加固技术方案 ， 以使加固修 复后 工程 在结构强度 、 延性 、 耐久 性等方面有足够的安 全可靠 度。对于框 架结构 在火灾 后构 件未完全丧失承载能力 时 ， 用 以粘钢 、 粘碳 纤维 为主 的加固 补强 ， 速度快 ， 整体效果好 ， 可大 大提高原结构构件 的承载能 力和抗震能力。因此 ， 粘钢 、 粘碳 纤维加 固是火灾 后钢筋 混 凝土结构构件 补强 的行之有效 的好方法。 6建议 我国在近期发 生 了多起较 大 的火 灾事 故 ， 如 2 0 0 9年 2 月 9日中央电视 台在建 的附属文化 中心大 楼发生火灾 ， 熊熊 大火燃烧了近三个半小 时才被扑灭 。从这 些事件 中， 我们应 吸取教训和经 验。显然 ， 最好的方法并不是如何对 火灾后建 筑物 的检测与修复 。而应 该在 建筑物施 工和设计 阶段 进行 有效 的检测与鉴定 。建议 采取 以下几个 方面措施 控制 或减 少建筑物火灾的发生。 1 ) 合理的建筑设计与布局 ， 是避免火灾发生的前提 。 2 ) 严 格检查消 防措施的安全可靠 ， 对 消防措施 不完善的 建筑不予验收。 3 ) 严格控制建筑外层保温材料的质量 ， 不允许 在建筑行 业使用易过火的材料。 参考文献 1 熊仲 明， 王社 良、 土木工程结构试验 M 北京 ： 中国建 筑工业 出 版社 ， 2 0 0 6 2 民用建筑可靠性鉴定 标准( G B 5 0 2 9 2 - 1 9 9 9) 北京 ： 中 国建筑工 业出版社 ， 1 9 9 9 3 项凯 ， 余江滔 ， 陆洲 导， 火灾后 钢筋混 凝土连续 板承载力 的试验 研 究西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报 ：自 然 科 学 版，2 0 0 9， 4 1 ( 5 ) ： 6 5 06 5 4 4 周君 ， 钢骨混凝土核心柱温度场 及高温后剩余 承载力性能研究 特种结构 ， 2 0 0 9 ， ( 4 ) ： 3 53 9 5 王振 清， 苏娟 ， 王永军 火灾下钢筋 混凝土楼板 的薄膜效应分析 哈尔滨工程大学学报 ， 2 0 0 9， ( 8 ) ： 8 7 8 8 8 2 6 杨宗煜 ， 杨玉楠 ， 华 校生 从 建筑保 温材料 的源头遏制 建筑火灾 隐患的设想和建议 建筑节能 ， 2 0 0 9， ( 9 ) ： 1 6 7 李晓蕾 ， 王鹏 从典 型火 灾案例 看建 筑保 温材料 的 防火安 全 问 题 建材发展导 向， 2 0 0 9 ， 7 ( 4 ) ： 5 3 5 6 ( 上接 第 3 9页) 如需要与结构同条件养护的试件 ， 其留置组数根 据需 要确定。 抗渗强度试件 ： 每段结构 ( 长不 大于 3 0 i n ) ， 车站留置 两组 ， 附属建筑物 留置一组 。 2 ) 混凝土 终凝后 及 时养护 ， 结 构混 凝 土养护 期 不少 于 42 1 4 d ， 且防水混凝土保湿养 护时间为 1 0 d 。混凝 土养护采用 湿麻袋 、 草袋 以及 蓄水养护 。 7结 语 通过混凝土施工事 前 、 事 中控制 ， 混凝 土各 项检测 指标 全部合格 ， 没有发 现渗 漏水点 ， 有效地 保证 了地铁 车站 主体 结构 的施工质量 。