某厂房火灾后结构的鉴定与加固设计

2021-05-13林小兵

广东土木与建筑 2021年4期

林小兵

（广东建科建筑工程技术开发有限公司广州510500）

1 工程概况

某电器公司仓库厂房设计建造于2006 年，为3 层现浇钢筋混凝土框架结构，首层层高6.5 m，2、3 层层高4.5 m，建筑面积约21 900 m2。本厂房于2012 年11 月12 日遭受火灾，火灾持续时长18 h，起火原因为2 层车间北面自东向西方向第2 个大窗户上方线路短路，过火区域温度场平面图如图1 所示。火灾造成本厂房2层内的办公设备、电器设备、家用电器成品及半成品全部被烧毁，厂房结构本身也被火灾严重损伤，2 层结构抹灰层基本剥落，混凝土保护层局部剥落严重，钢筋外露，部分楼板被烧穿，板筋扭曲变形。

图1 过火区域温度场平面Fig.1 Temperature Field of Burned Area

2 火灾后现场检查与检测

此次火灾事故波及范围广、持续时间长，过火区域面积达2 200 m2，基本覆盖厂房2层，持续时间达18 h，因此给鉴定与加固工作带来不少困难和挑战［1］。

2.1 现场检查结果

2.1.1 楼板检查结果

距起火点较近的北面区域8～14×B～D的楼板混凝土保护层大面积剥落，板底受力纵筋大面积裸露且锈蚀，颜色呈土黄色或灰白色，部分楼板甚至被烧穿；7～15×A～B 的楼板保护层有网状轻微裂缝或粗裂缝，有局部露筋或大面积露筋，如图2⒜所示；其余区域的楼板表面被熏黑，未出现保护层脱落和钢筋外露现象。

2.1.2 主次梁检查结果

同楼板相似距起火点较近区域7～15×A～D 的主次梁底部抹灰层脱落，混凝土表面酥松且有鱼鳞状裂纹，敲击声沉闷，有不同程度的顺筋开裂，受力纵筋和箍筋局部外露，如图2⒝所示。其余区域的主次梁被黑色、灰色覆盖，基本无裂缝或细微裂缝，敲击声响亮。

2.1.3 框架柱检查结果

现场检查发现8～13×B～C 区域的承重柱烧损严重，混凝土保护层大面积脱落，钢筋外露，混凝土表面变色、龟裂，形成网状粗裂缝，锤击后留下明显痕迹，声音发闷，呈土黄色或灰白色，如图2⒞所示。远离火场核心区域的框架柱烧伤较轻。

2.2 火场温度判断

根据《火灾后建筑结构鉴定标准：T/CECS 252—2019》［2］和文献［3］，混凝土构件表面曾经达到的温度及范围和混凝土表面颜色、锤击声音等现状有以下关系，如表1所示。

图2 过火现状Fig.2 Situation in Burned Area

结合现场梁板柱的调查结果，综合判断认为，火灾核心区域为厂房的东北侧8～14×B～D。由于可燃物质主要是洗衣机、微波炉等电器设备，主要金属成分为钢及铝合金，材料堆放面积较大，可燃材料燃烧较充分，可以大概估计火灾过程中构件表面一般在500～700 ℃左右，最高温度大于800 ℃，局部温度达到900 ℃。综上可以对过火区域进行划分，得到过火区域温度场，如图1所示。

表1 混凝土表面颜色、爆裂剥落、开裂、锤击反应与温度的关系Tab.1 Relations between Temperature and Concrete Surface Color，Cracking，Dehiscence，Peeling，and Hammer Reaction

2.3 现场检测结果

2.3.1 混凝土强度检测

现场采用钻芯法对厂房部分混凝土构件进行检测。按照《钻芯法检测混凝土强度技术规程：JGJ/T 384—2016》［4］进行检测。由于芯样在取芯、切削、找平过程中已对受火灾影响的构件表面进行清除，故该芯样混凝土抗压强度值仅代表了构件内部的混凝土强度，并且在未过火区域的首层钻芯取样进行对比实验，如表2 所示，1CZ 代表第1 层框架柱，3CL 代表第3 层梁，依此类推。

2.3.2 混凝土碳化深度检测

现场对混凝土碳化深度进行抽检，如表2所示。由表2可见，受火灾影响构件碳化深度最大值为27 mm，大于构件的设计混凝土保护层厚度。检测结果表明，除部分受火灾影响梁构件外，其它抽检构件碳化深度均小于设计混凝土保护层厚度。

2.3.3 钢筋力学性能检测

为了检验火灾对钢筋力学性能的影响，现场截取了火灾影响区域的柱构件钢筋1组、梁构件钢筋1组、板构件钢筋2 组，其中抽检的一根梁主筋实验前已经受损，对钢筋进行力学和工艺性能试验。结果表明，除抽检的1根已损伤梁主筋的屈服强度检验结果不满足规范要求外，其余3 组主要受力钢筋力学和工艺性能均满足规范要求。

表2 混凝土强度和碳化深度检测Tab.2 Concrete Strength and Carbonation Depth Detection

2.3.4 结构构件挠度或垂直度检测

现场采用经纬仪垂直投点法或水准仪塔尺反项法对部分混凝土构件的变形进行检测：主要检测梁挠度、柱的垂直度，检测结果表明厂房框架柱、梁构件均未出现明显倾斜或变形［5］。

3 火灾后结构安全性鉴定

依据文献［2］相关条文，根据结构构件的损伤程度，损伤状态主要分为四类：Ⅱa 级、Ⅱb 级、Ⅲ级、Ⅳ级。2层梁板柱构件评级如表3所示。

表3 混凝土构件火灾后鉴定评级Tab.3 Appraisal Rating of Concrete Member after Fire

4 损伤程度判定

4.1 损伤混凝土强度判定

根据现场调查，厂房2层发生火灾后，经消防队员抢救，使用了浇水灭火等处理方法，过火混凝土属于浇水冷却。因为构件截面至受火面垂直距离的不同会引起截面温度梯度，参考文献［2］相关条文中相关规定，单面受火混凝土实心板截面经历的最高温度场如图3 所示。参考文献［2］中矩形截面梁板柱混凝土构件温度变化曲线，分析构件截面不同温度场的混凝土强度的折减，如表4所示。

图3 实心板标准升温曲线Fig.3 Standard Temperature Curve of Solid Floor

表4 高温冷却后强度折减系数定量指标Tab.4 Quantitative Index of Strength Reduction Factor after Cooled Down from High Temperature

混凝土构件的强度在不同的温度作用下，其强度的损伤程度会发生明显的变化，其规律如图4所示。

图4 混凝土高温抗压强度折减系数-温度关系曲线Fig.4 Relation between Reduction Factor of Compressive Strength of Concrete after High Temperature Exposure and Temperature Curve

4.2 损伤钢筋强度判断

根据现场调查，并依据文献［2］相关条文及如图3所示的实心板混凝土构件在标准升温条件下温度场实用曲线图（若为矩形截面构件，参考文献［2］），定量分析钢筋在高温冷却后的屈服强度折减系数，如表4所示。

4.3 钢筋与混凝土粘结强度判定

根据现场调查，并依据文献［2］相关条文及梁板柱混凝土构件温度变化曲线，可以定量分析过火区域钢筋与混凝土粘结强度折减系数，如表4所示。

5 构件承载能力校验核算

5.1 计算说明

由于厂房局部构件被持续18 h 的火灾损伤严重，为保证局部承载力的改变不影响结构整体性能，使用火灾后构件承载力相对原构件承载力的折减系数的方法对结构构件进行计算校核［6-8］。对于混凝土构件，需要确定受压区混凝土强度折减和受拉区钢筋强度及黏结性能折减两个方面的问题。受压区混凝土强度折减综合考虑界限受压区高度及火灾作用时截面温度场的影响。

5.2 计算结果

根据对本次火灾现场实际检查与检测结果，采用PKPM 结构计算软件，分别验算了受灾前后的结构承载力，以判定结构承载力受火后的下降程度，给后期的加固设计提供基础。

6 加固与修复

根据实测混凝土强度采用PKPM 验算，因厂房3 层6～15×A～D 区域次梁及楼板大部分混凝土保护层脱落，梁板底钢筋大面积外露，混凝土粉碎和塌落，粘结失效，承载能力严重降低，故不进行计算复核。对于承载力不足的构件应进行加固处理，加固后的构件承载力和变形应能满足文献［9-10］极限承载力的设计要求和房屋正常使用的要求。

6.1 梁、柱加固设计

当构件损伤评级为Ⅱa 时，采取抹水泥砂浆面层加固；当构件损伤评级为Ⅱb时，采取高强复合砂浆钢丝网加固（见图5）；当构件评级为Ⅲ时，采取加大截面法加固（见图6），这时框架梁柱节点的加固如图7 所示，角部主筋贯通楼板，中部主筋遇梁植入梁内，箍筋在节点上、下各一道，中部梁区箍筋采用直径≥φ16 钢筋等代处理，并钻孔穿过框架梁，道数由等代钢筋直径与梁高确定；当构件损伤评级为Ⅳ时，采取凿除原有混凝土结构后重新浇筑。