某高层混凝土结构火灾后可靠性检测及加固分析.pdf

第2 期 2 o o 6 年2 月 广东 土木与 建筑 GU ANGD0NG ARCHI T EC TU RE C I VI L ENGI NE ERI NG 2 F E B 2 O o 6 某高层混凝土结构火灾后可靠性检测及加固分析 史穗 生 ( 广 东海外建设集团有限公司 广州 5 1 0 6 2 0 ) 摘要 ： 建筑物 常因发 生火灾而不再满足承载 力及使 用功能 的要 求 文 中介 绍某高层建筑 结构火灾后的检测 鉴 定过程和加 固处理 方案， 工程实例证明准确的现 场鉴 定检测和选择经济 可靠的加 固方案是 十分 关键的。 关键词 ： 高层混凝土结构 ；检 测鉴定；折减 系数 ；轴压 比；角钢加 固法 1 前言 建筑物因火灾使原有建筑结构受损而不再满足 正常使用要求 ， 因此必须对火灾后 的结构进行检测 鉴定 ， 根据其结果对原有结构进行计算分析和加固 补强 ， 使其重新满足正常使用要求 。本文对某 2 9层 高层结构 2层受火灾损害的混凝土结构进行检测分 析 ， 并根据检测鉴定结果进行计算分析和加固 效果 良好 ， 至今使用正常。 2工程概 况 某花 园住 宅小 区 由并 排 的 A D共 4幢 塔楼 组 成 ， 楼高均为 2 9层 ， 底部 4层裙房相连 ， 并设有 l层 地下停车库 ， 采用钢筋混凝土框剪结构 ， 不设结构转 换 层 。火灾 发生在 A幢 的 2层 ，其影 响 范 围如 图 l 的阴影部分所示 ， 该区柱混凝土设计强度为 C 4 0 ， 层 8 ， 岛 l l 鲁 舀 董 _J 量 l! _ 1 蠡 L 星 _ I 量 3 10 0 5 3 0 0 l l 0 3 0 0 0 砌 l棚0 】I l 0 5 3 1 0 0 图 1 受火灾影响的结构平面图 高 5 m，梁柱等构件饰面层及楼面面层均尚未施工。 由于施工现场场地狭小 ， 施工单位将 A幢 2层裙房 作为部分工人的临时住处 ， 内有大量易燃物品。火 灾从轴 轴 轴 轴开始， 火源位置大约位于 轴 轴 l 轴 轴区间，火灾大约持续了5 0 6 0 mi n ， 最大火力时间约为 3 0 mi n 。按有关火灾公式 和经验进行估算 ， 中心最高温度 ( 室 内环境温度) 在 9 0 0 C 以上 ， 构件表面温度约 8 0 0 C 8 5 0 C 火势完全 是用高压喷射水流扑灭的。 3 检 测鉴 定 的 内容 及 其结论 3 1 检测 内容 该工程采用框剪结构 ， 火灾仅限于 2层裙楼部 分区域 ， 未伤及整体结构其它部分， 梁板对整个结构 的安全可靠性仅为局部影响。而柱和剪力墙为贯通 承重构件 ， 其可靠性决定 了整栋建筑物的安全 ， 因此 本次鉴定主要针对火灾区的柱和剪力墙构件。首先 对该 区域结构基本情况 如结构构件平面布置 、 构件 尺寸等情况进行 了解 ， 再勘察火灾现场确定火灾受 损 区范围和受损程度 ， 现场采样确定结构材料受损 情况 ， 在此基础上分析火灾对承载力的影 响和结构 安全使用状况 ， 提出加 固处理意见。 3 2检测调 查 与分析 ( 1 )检测内容和方法 现场逐个检查火灾区的柱 、 剪力墙 、 梁板 构件 ， 对其表面颜色 、 裂缝 、 露筋 、 混凝土剥落等进行详细 分析 ， 在确保不截断受火灾损伤柱 、 剪力墙 、 两受力 主筋情况下对受损构件进行抽芯检测 ， 通过锤击辨 音 、 金刚石钻具钻芯取样和混凝土碳化测试等手段 ， 检测混凝土损伤深度。选择受损程度为三级的 F 2 、 G 2 、 G 4、 L 7 、 L 1 0 、 K 7 、 K1 0进行分析 ， 其结果见表 l 。 4 7 维普资讯 http:/ 2 0 0 6 年2 月 第2 期 史穗生： 某高 层混 凝土结 构火灾 后可靠 性检测 及加固分 析 g e l 2 O o 6 N 0 2 表 l 火灾受损构件混凝土外观特征调查结果 ( 2 )火灾后材料性能分析 混凝土中各种水分的逃逸 ：占总量 5 的化学结 合水在不同温度下分解逸出 使混凝土微观结构破坏： 占比重最大的游离水在升温过程中吸收大量的热并 急剧汽化 使 混凝土 内部温度在 I O 0 C l l 0 阶段 滞 留一 定 时 间 。汽化 时 体 积 明显 膨 胀 ， 沿 连 通孔 道 部分逃逸 而处于闭孔 中或连通孔 中的阻隔物水汽 将 冲破这些孔壁和障碍 使混凝土抗压强度降低约 5 -1 5 。 混 凝 土 中水 泥石 的破 坏 ： 混 凝 土 强度 随时 间 的 增长主要取决于凝胶 的收缩 凝胶在常温下脱水是 正 常 的 但 在 5 0 0 C 以上 会 大量 急 剧脱 水 ， 产 生 明显 的破坏作用 ， 使水 泥石 密度 降低 ， 从 而导致强度下 降。当温度达到 5 0 0 C、 8 0 0 C 时 ， 其抗压强度分别为 原来 的 7 0 和 3 0 左 右 混 凝 土表 面 出现发 毛 、 起 砂 、 蜂窝 、 龟裂等破坏现象 。 综上所述， 混凝土在火灾作用下的机理变化 ， 其 损伤严重程度取决于 3个因素 ， 即温度升高的速率、 最高温度及火灾作用持续时间 ， 这些值 愈高则损伤 愈严重 ， 灭火作用冷却后 ， 混凝土强度低于其热态时 的强度。检测结果表明构件受损 区的混凝土强度有 很大降低 4 0 ra m深度 以内的混凝土强度仅相当于 设计强度的 5 0 8 0 。 火灾 对钢筋 影 响 ： 现 场取 样检 测结 果表 明 ， 构件 内的钢筋强度受火灾影响并不大 ， 主要是由于该 二 程混凝土保护层实际厚度 比设计要求的大 ， ( 一般在 5 0 ram以上)很大程度上保护 了钢筋免受火灾的影 响 因此在承载力验算时钢筋强度可不考虑其强度 损失， 仅作适当折减。 3 _ 3 检 测结 论 该结构火灾区部分构件截面损伤严重 ， 应进行 设计验算并加固， 确保构件承载力和耐久性 ， 部分一 48 般受损构件耐久 性有所下 降 需采取措施进行修补加 固。对 于轻度损伤构件和围护结构包 括 内、 外墙 等， 则需要采取修补 措施进 行 处理 。 4加 固设 计 4 1 计算分析 为了确保该结构承载力满 足建筑 物的安全及 使用要求 ， 并为选择加 固方案提供参考依据 ，本文利用 T B S A 软件对其受灾后结构进行复核性分析 ， 受灾 区构件 截面采用火灾后有效截面面积 混凝土强度等级采 用火灾后 的折减强度 ( 1 )混凝 土构件在火灾高温作用下 的内部温度 场可用微分方程表达 即： ： 口( + ) ( 1 ) O t o x o r 式 中： 为混凝土构件 内温度场( ) ； t 为燃烧时间 ( m i n ) ； 口为混凝土的导温系数， 取7 6 9 4 X 1 0 m 2 s 。 ( 2 )混凝土在温度 时的强度折减系数 K f 1 0 ( 1 0 0 ) K c = 1 0 0 0 0 l l 7 ( 2 5 0 ) ( 1 0 0 ； 2 ) ( 3 )将柱和剪力墙 截面用纵横均为 2 0 m m 的网 格线进行分割 采用差分数值解法按式( 1 ) 计算构件 截面内各网格内的温度 再按式( 2 ) 计算各 网格混凝 土的平均强度折减系数 K 值( 计算结果见表 2 ， 考 虑到构件对称性 柱和剪力墙分别仅画出 1 4截面 和 1 2 截面) 表 2柱、 剪力墙混凝土强度综合折减 系数 构件轴压比 F 2 G 2 G 4 L 7 L I O K 7 K 1 0 b h cT 原设计 火 灾 后 8 0 0 x l 0 o 0 8 0 0 x1 0 0 0 8 0 0 1 0 o 0 5 0 0 x 2 5 O 0 0 8 6 2 0 91 2 0 8 68 0 8 77 0 4 8 0 4 0 0 4 9 0 3 8 o 4 1 0 4 1 o 4 3 0 5 7 0 4 7 0 5 4 0 4 4 0 4 7 0 4 7 0 4 9 ( 4 )混凝土有效截面 A c r =h b K A b A h ( 3 ) 式中： 6表示在截面高度和宽度方向求和。 ( 5 )混凝土强度的综合折减系数 K i = 。4 ( b h ) ( 4 ) 式 中： b 、 h分别为构件的截面高度和宽度 。 维普资讯 http:/ 2 O 0 6 年2 月 第2 期 广东 土木与 建筑 F E B 2 O 0 6 N o 2 ( 6 )受损柱 、 剪力墙截面承载力 受 损 严重 柱 、剪 力墙 按轴 心 受 压 构件 计 算 时 ， 其轴 压 比为 ： q t A = q e A x 1 K _ 受压构件的轴压比为原设计值的 l K 倍 ( 7 )火灾后钢筋混凝土柱 、 剪力墙剩余承载力 三级严重损 伤的构件承载 力有不 同程度 的降 低 ， 应根 据剩 余 承载 力计算 结果 ， 按 等强 原则 进行加 固计算 ， 并与 原设 计进 行对 比。加 固后 的结构 应能满 足相 关 规范 要求 ，如轴 压 比 限值 、 层间抗侧刚度等 ， 且考 虑 施 工 可 行 性 和 可 靠 性 、 便 于检测等因素。如矩形柱在 四 面均 匀受 火 时 ，混 凝 土有 效 截 面 变 成 双 轴 对 称 阶 梯 形 计算 简 图如 图 2所 示 一 ， ， 一 ， 【h 图 2计算 简图 由力的竖 向平衡 ， 并引入纵向弯曲系数 有 ： so T = T( A sT # ) 式 中： 为矩形柱四周受火时的承载力； 4 为纵向 钢筋缩减截面 ； F r 为纵 向钢筋常温设计强度 ； 为 混凝土常温轴心受压强度 ； 为纵向弯曲系数 ， 由 ， J 0 ( 0 5 h ) b值查表得出； ， J 。 为柱的计算长度； K( O 5 h ) 为柱截面形心处宽度折减 系数 ； 4 为有效截面 ， 按 4 = 6 K i Ah计算 。 剩余承载力 ，T 计算结果表明， 钢筋混凝土 构件承载力降低的主要原因是混凝 土强度降低 ， 加 固时应主要考虑这一 因素。 4 2加 固处理 根据可靠 、 经济、 易操作的原则 ， 根据结构实际 情况 先将严重损伤的混凝土铲除 ， 修补孔洞 和缺 损 采用喷射混凝土或安装模板进行施工 。用模板 ( a )剪力墙 缀板 喷 射顿 施T时应设法保证混凝土的密实性。 为保证质量 ， 新 旧混 凝土 之 间必须 有 良好 的结 合 ，在结 合 面上 涂刷 环氧 砂浆 或水 灰 比为 0 4的水 泥浆 。 ( 1 )框 架柱 、 剪力 墙 由于 火 灾后 框 架 柱 的轴 压 比并 未 超 出规 范 限 值 ， 但比原设计有不同程度的降低 ， 同时考虑经济性 及施T简便可行等，决定采用柱四角外贴角钢外加 缀板 的加 固方 法 。首 先铲 除损 伤部 分后 露 出新鲜 混 凝 土 面 ， 清 洗干净 并涂刷 水泥 砂浆 。 在 柱边用 C 5 0 普 通 细石 混凝 土压 浆作 外包 层 至原 设 计截 面 ，角 钢 及 缀 板 与柱混 凝土 面用 化学 粘结 胶 粘 贴 用膨 胀螺栓 固定 ， 外围钢缀板 与角钢 现场 三角焊接 ， 如 图 3所示 ， 加固角钢 、 缀板钢板均采用 Q 2 3 5钢 缀板 与角钢搭 接长度 4 0 m m和角钢长度的 l 2 ， 对横 向钢缀条 适 当施加横向预应力。角钢加固后先除锈和刷防锈 漆二道 粘贴时做好 固定和加压 保证 固化 时间在 2 4 h 以上 ， 3 d后方 可加荷使用 完 工后再作 检验 同时对构 件 裂缝 一 律作 压 浆 处理 ， 加 固方 案 如 图 3 a b所示 。 ( 2 )梁和 楼 板 本方 案 采用 喷射 混凝 土进 行 加 固 ，加 固前 先对 梁 板作卸 载 处理 ，即清理 加 固范 围 内 3层楼 板 上 的 荷载， 将损伤的混凝土铲除后露 出新鲜混凝土面 ， 再 喷射 C 4 0钢纤 维细 石 混凝 土至设 计 截 面 。施 工顺 序 为先 喷 主次 梁底 部 4 h后 方 可拆 侧模 ，然后 喷 射 梁 侧面和板底面 ， 喷射楼板时先将钢筋覆盖 ， 沿主筋方 向从板 的一 端顺 次往 返 喷射 ，直 至全 部覆 盖所 有 钢 筋 为止 再 按螺旋 形 轨迹 移动 喷头 ， 适 当加 大喷 射距 离 及弧 度 ， 使 料 流分 布均 匀 ， 并 有 规律地 将 表面 找增 至 要求 的厚 度 ， 如图 3 c 所 示 。 5 结语 本 工程 采 用 上 述 检 测 和 加 固方 案 进 行 加 固 施 工 投入使用至今 已有 2年多 ， 使用状况 良好 ， 受火 灾损伤 构 件经 加 固后未 出现 异常 现象 。 实 践证 明 ， 混 凝土框架或框剪结构受火灾损伤后 ，经过适当的检 测 、 鉴定和加固， 仍可继续正常使用。 ( b )矩形柱 ( c )梁板 图 3 加 固示意 图 参考文 献 1 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 混凝土结构设计规范 S 2 广东省建筑科学研究院 火损结构可靠性检测 鉴定报告 R 3 王学谦建筑防火 M 北京 ： 中国建筑工业 出 版社 49 维普资讯 http:/