浅析钢筋混凝土结构的损伤鉴定和加固修复

裴宇 胡森寅 张瑞祺

摘要：针对钢筋混凝土结构的特征，从火灾检测、鉴定的实践出发，阐述了钢筋混凝土结构火灾后的特征和破坏机理，并介绍了该结构火灾后检测、鉴定的一般程序，并提出了火灾后混凝土构件的基本加固方法，以指导火灾后钢筋混凝土结构修复工作。

关键词：火灾；混凝土结构；损伤评定；加固修复

前言：据统计，世界发达的国家每年的火灾损失额多达几亿甚至十几亿元，占国民经济总产值的0.2%-0.3%。随着世界经济的不断发展，世界各国的工业化、城市化进程不断加快，各类诱发火灾的因素不断增加，火灾发生率、死亡率呈明显上升趋势。据公安部消防局统计，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。

一、火灾后现场数据收集

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。并且对事故原因进行调查，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。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。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、施工记录等都作详细记录。

二、筋和混凝土的受损分析

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900～1000℃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。

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℃时开始膨脹，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。

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。

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。

三、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。

（一）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。

3.将计算结果按加固后的实际承载力验算截面承载力。

（二）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。

结语

虽然，火灾通常会对钢筋混凝土结构造成较大的损害，但一般通过修复加固，还是可以继续使用的，只有在很少情况下，拆除重建才比较经济。因此，对于火灾后的钢筋混凝土构件和结构，通过现场检测、少量试验以及必要的计算分析，综合评估其剩余力学性能（承载能力、刚度、抗震性能等），对构件和结构的损伤程度做出合理的评价，进而制定出相应修复策略并采取具体的加固措施。

参考文献：

[1]江见鲸，徐志胜等.防灾减灾工程学.北京：机械工业出版社，2005.1（2011.1重印）（土木工程研究所系列教材）

[2]李伟敏.火灾后钢筋混凝土结构检测与加固研究[J].山西建筑，第33卷 第16期

[3]陈华，夏燕.浅析混凝土结构火灾后的安全性鉴定与加固[J]. 四川建筑科学研究. 第34卷 第2期