火灾后混凝土结构的评估与加固

摘 要： 详细介绍了火灾后混凝土结构的现场检查内容，以及结构损伤程度的评定方法，并提出了加固修复中应该注意的问题。
关键词： 火灾； 混凝土结构； 损伤评定； 加固修复
随着社会经济的发展、城市人口的集中化，以及人民对居室美观和舒适的不断追求，导致发生火灾的因素也随之增加，火灾的规模和频率也在日趋扩大。据不完全统计．我国每年发生约20万起火灾。城市建筑物火灾占总火灾的2／3以上，我国每年由于建筑物火灾造成的人员伤亡和财产损失非常巨大，1971年～2002年的30多年中，全国共发生火灾217万余起，死亡近10万人，直接经济损失达187亿余元。火灾后的建筑物是否还有修复价值以及如何修复，是灾后人们最关注的问题，而我国目前建筑物多采用钢筋混凝土结构，因此合理评估火灾后钢筋混凝土结构的损伤程度，并提出经济、适用而又能满足使用要求的加固方法，是十分必要的。
1 火灾后的现场检查
由于发生火灾时着火的可燃物种类、数量各不相同，火灾的燃烧条件也各异，火场温度及其变化情况也就不相同；同样各种结构因受火条件和受力条件不一样，火灾对结构的损伤也有轻有重，同一建筑物各处的受损程度也会不一样。因此，火灾对建筑物的损伤是复杂的，需要对火灾现场进行细致的检查，以便制定出安全且经济的修复计划。
(1)事故原因的调查 主要内容包括：火灾发生的时间、地点、起火至熄灭总的燃烧时间；室内着火可燃物的种类、蔓延的数量和分布情况；火灾蔓延途径，是通过门窗、吊顶、耐火性差的内隔墙，还是通过楼梯间等容易突破部位；燃烧条件，包括当时风力、风向、气温等气候条件。
(2)烧损部位的外观检查 火灾现场构件的变形、倒塌情况；混凝土表面的颜色变化、爆裂面积大小、深度和位置；混凝土构件的裂缝长度、宽度和分布；钢筋的变形、露筋部位及长度；绘出建筑物受损、破坏的分布图，并拍照或录像。
(3)建筑物原始设计资料的收集 建筑物的平、立、剖面图；竣工时间、过去火灾史混凝土的种类，所使用的材料性能、配合比，设计强度，钢筋种类、配筋图；建筑物竣工图、施工记录等。
(4)构件材料试验 对于建筑物中比较重要部位的构件，其受损程度较难判断时，可现场取样进行钻芯取样，进行以下一系列实验：①混凝土的强度及碳化试验。②钢筋金相试验：将严重受损的钢筋混凝土构件中的外露钢筋，和预先制作的不同温度下钢筋的金相标本进行对比，可确定该处钢筋和混凝土的受热温度。⑧将截下的钢筋进行力学试验，测定其强度、延伸率等性能。④混凝土的强度，也可利用回弹、超声及综合法等非破损试验来确定。⑤用卡尺、钢尺、量规和放大镜等仪器测量构件的变形及裂缝。对裂缝应测定其宽度、深度和长度，尤其构件上的贯穿性裂缝或沿钢筋的纵向裂缝。应该注意，当裂缝扩展宽度大于5 mm时，它是钢筋混凝土构件破坏性标志之一。
2 钢筋和混凝土的受损分析
2．1 火灾后混凝土的烧损分析
火灾后，混凝上的组成材料和内部结构都会发生变化，其强度损失主要取决于受火温度的高低、受火作用的时间和冷却方式。试验表明，当受火温度低于400℃时，无论是喷水冷却还是自然冷却，混凝土强度均没有明显的降低；当温度超过400℃后，水泥石的晶架结构破坏严重，混凝土的强度开始显著下降，在这个过程中，喷水冷却的混凝土强度比自然冷却的混凝上强度下降更多。主要是因为Ca(OH)2在400～600℃之间脱水，产生水蒸汽，集料中CaCO3在900～1 000℃分解，产生CaO和CO2，由于CO2和水蒸气要从内部向外逸出，会使混凝土内部产生很大压力，因此会导致混凝土爆裂；另外，火灾中的混凝土结构如果喷水，其表面会突然冷却，导致混凝土内部与表面温差过大，进一步加剧混凝土的爆裂程度。 2．2 钢筋的烧损分析
火灾后钢筋的极限强度、屈服强度、弹性模量等都随着温度的升高而降低。普通钢筋在200℃时开始膨胀，抗拉强度也随之下降，当温度到达600～700℃时，钢筋内部结构发生变化，导致强度和弹性模量降低程度非常严重。火灾后预应力钢筋比非预应力钢筋强度下降要快，可以根据火灾温度和钢筋保护层厚度、构件内主筋、钢丝的折减系数来确定其强度；也可以截构件内的钢筋、钢丝进行力学性能试验来判定其强度，还可以根据暴露在火场中的日用品钢材的力学性能变化来确定钢筋强度变化。
2．3 火灾后钢筋与混凝土的粘结力损失和混凝土的弹性模量损失
建筑物的梁、柱等承重部分，是靠钢筋和混凝土共同作用来完成的，通常情况下，钢筋、混凝土是一个完整的整体，它们之间主要靠钢筋与混凝土之间的摩擦力、钢筋表面与水泥胶体的胶结力、混凝上和钢筋的机械咬合力组成。中南大学防灾科学与安全技术研究所通过试验发现：火灾后钢筋和混凝土的粘结力变化取决于温度的高低、钢筋的种类、混凝土骨料的种类以及冷却的方式等条件。温度越高，粘结力降低越大；圆钢比螺纹钢筋粘结力损失大；火灾后，石灰石骨料比花岗石骨料损失大；喷水冷却比自然冷却粘结力损失大。通过试验还发现：随着温度的升高，混凝上的弹性模量逐渐下降，刚度不断降低；当温度达到700℃时，弹性模量几乎为零。
3 结构受损程度评定
对建筑结构物火灾后受损程度给予正确评价是修复加固的前提。根据结构受灾温度、变形大小、裂缝分布及扩展程度等，将混凝土构件的受损程度大致分为轻度损伤、中度损伤、严重损伤、危险结构。
3．1 轻度损伤
混凝土构件表面受热温度低于400℃，受力主筋温度低于100℃，构件表面颜色无明显变化，钢筋保护层基本完好，无露筋、空鼓现象。除装修层有轻微损坏，其他状态与未受火结构无明显差别。
3．2 中度损伤
混凝土构件表面受热温度约400～500℃，受力主筋温度低于300℃，混凝土颜色由灰色变为粉红色，有空鼓现象，当使用中等力量锤击时，可打落钢筋保护层。构件表面有局部爆裂，其深度不超过20mm。构件露筋面积小于25％，混凝土表面有裂缝，纵向裂缝少，钢筋和混凝土之间粘结力损伤轻微，构件残余挠度不超过规范规定值。
3．3 严重损伤
混凝土构件表面温度约600～700℃，受力主筋温度约为350～400℃，钢筋保护层剥落，混凝土爆裂严重，深度可达30mm，露筋面积低于40％，构件空鼓现象较为严重，用锤敲击时声音发闷。混凝土裂缝多，纵向、横向裂缝均有，钢筋和混凝土之间的粘结力局部严重破坏。混凝土表面颜色呈浅黄色。构件变形较大，受弯构件挠度超过规范规定值1～3倍，受压构件约有30％的受压钢筋鼓出，混凝土有局部烧坏。
3．4 危险结构
混凝土构件表面温度达700℃以上，受力主筋温度达400～500℃，构件受到实质性破坏，有明显受火烧融痕迹。钢筋保护层严重剥落，表面混凝土爆裂深度达30 以上，钢筋有烧融、断裂现象，露筋面积大于40％。构件纵向、横向裂缝多且密，钢筋和混凝土粘结力破坏严重，主筋有扭曲。受弯构件裂缝宽度可达l～5mm，受压区也有明显破坏特征；支座附近斜裂缝多，构件挠度达到破坏标准，且有平面外变形。构件沿垂直或水平面被分割成若干层。受压构件失去稳定，局部破坏，50％以上受压钢筋鼓出。柱牛腿烧损严重。
4 火灾后损伤混凝土结构的加固
钢筋混凝土结构的修复方法很多，应根据各种结构的特点及火灾损伤程度，因地制宜地提出合适的修复方法。总的原则是：铲除严重损伤的混凝土，修补孔洞和缺损，按照等强原则进行构件加固，以保证构件原有承载力；为使加固获得更好的效果，加固前应尽量使构件卸除荷载。
4．1 结构受损后的修复方案
对仅有粉刷层轻度破坏的构件，只须将表面粉刷层或表面污物清理干净，重新进行粉刷装修即可。
而对中度损伤的构件，按下列步骤进行修复：其一进行表面清理。将烧松散的混凝土除掉，将存留的混凝土表面清理干净；填补同等级混凝土，做成完好表面，以保证钢筋不受锈蚀；其二进行灌缝。对混凝土表面的细小裂缝，可采用水泥素浆，或以环氧树脂为基本组分的胶结料来灌缝，水泥选用膨胀水泥或自应力水泥。灌缝方法的选择取决于裂缝宽度和深度。对深度和宽度分别不大于50mm和0．3mm的裂缝，可用平面式注浆机灌缝；对较深裂缝，将开口两侧凿成V形再灌缝；其三验算构件剩余承载力，最后进行外部装修。将裂缝、孔洞、缺损修补好后，外部应抹灰，使构件满足外观要求。
对于严重损伤的构件，因其承载力有所下降，需要根据剩余承载力计算结果，按等强原则进行加固设计，施工时须采取有效措施保证质量。
对于危险构件，应予拆除，并另行更换新构件。
4．2 加固的设计
(1)计算结构剩余承载力根据受损后测定出的截面几何参数、材料剩余强度等确定。
(2)加固量的计算结构加固后的承载能力穴应满足R≥roS占，其中R包括弯矩、轴力、剪力，ro是结构重要性系数，S是被加固构件的荷载效应组合设计值。
(3)加固截面设计根据加固量、初选的截面尺寸、材料强度估算加固所需配筋量。
(4)将计算结果按加固后的实际承载力验算截面承载力。
4．3 修复加固的施工
修复加固的施工必须在技术鉴定及修复加固设，计人员的指导下完成。因为火灾对工程结构的损伤是不均匀的，即使同一构件不同部位受火灾损伤的程度也是不同的，只有技术鉴定及修复加固设计人员现场指导，方能有效保证修复加固设计的内容落实到每一构件及构件的每一部位。在对烧伤层进行清除时，要对裂缝逐一进行检查确认，确定其剔凿深度；对严重受损板的现场确认等工作应由技术鉴定人员、加固设计人员会同监理、施工人员共同完成，这样做可随时监测检查原有结构及构件的性能，及时发现和处理各种隐患。
建筑结构火灾后的修复加固设计要比普通工程加固处理复杂得多，尤其是加固的施工质量乃是修复加固设计成败的关键，而施工期间保证受损结构的安全性及稳定性更是设计关注的焦点。为了使构件处于卸荷状态加固，要求主梁及次梁底需设置支撑，支撑必须从底层直至顶层。铲除原梁、柱、板粉刷面层时，必须从顶层开始逐层向下。构件的加固从底层开始，然后逐层向上。每层构件的加固施工顺序为先加固柱，然后框架梁、尔后次梁，最后浇捣楼层叠合层。
5 结 语
火灾后混凝土结构的鉴定评估、加固设计及加固施工是一项系统工程，要综合考虑许多因素。设计人员要根据构件实际烧伤状况随时调整和改进原加固设计构造细节，进行现场加固施工技术指导，另外，还要处理和解决原结构施工中暴露出的质量问题及结构隐患，以确保今后主体承重骨架在使用期限内的安全性、适用性及耐久性的要求。施工人员必须深入现场，对每个加固构件和每道加固工序严格加强施工管理，以确保工程的质量。