某高层建筑火灾后结构性能检测鉴定研究

毛吉化

（广州广检建设工程检测中心有限公司 广州510500）

0 引言

随着经济迅速发展，大量建筑应运而生，建筑材料使用增加，其中包含大量可燃物［1］使得火灾风险逐步增大，据世界火灾统计中心数据统计［2］，发现由于火灾所造成的经济损失占国家经济的0.2%。

钢筋混凝土结构在火灾作用下，结构的力学性能下降、构件体积高温膨胀，导致结构安全性能不稳定［3］。国内外学者［4-6］对于结构抗火设计、保护措施、理论模型建立等都有了大量的研究。然而，火灾后构件检测鉴定目前研究尚浅［7］，火灾后构件检测鉴定作为重要环节不可忽视，本文根据《火灾后工程结构鉴定标准：T/CECS 252—2019》［8］和《建筑设计防火规范：GB 50016—2014》［9］，结合某在建高层建筑工程实例（见图1），研究了火灾后结构构件性能的检测、鉴定及结构承载力计算方法，成果可为火灾后高层建筑构件的性能检测及其承载力计算提供参考。

图1 某在建高层建筑及其一层堆放层Fig.1 A High-rise Building under Construction and Its First Stacking Layer

1 概况

某建筑物工程总建筑面积为78 386 m2，结构总高度98.5 m，地下2层、地上33层；设计使用年限为50年，采用框架剪力墙结构体系，7度抗震设防烈度，丙类设防类别，二级墙柱抗震，基本风压取0.6 kN/m2；结构梁与板构件混凝土强度C35，墙柱构件的混凝土强度C45，结构墙、梁、板、柱采用的纵筋及箍筋类别为HRB400。

该建筑首层火灾发生时间为上午约9∶20。首层14～16×1-L～1-T区域堆放的挤塑板（过火面积约400 m2）首先着火，随后火灾迅速燃烧蔓延，燃烧现场伴随强烈的浓烟。项目部相关人员发现灾情后立即组织人员疏散，并及时电话联系消防局实施消防救援，上午9∶50，消防人员采用冷水与泡面相结合的灭火方式将现场火情全部扑灭。火灾后结构构件代表性损伤情况如图2 所示。为了解火灾后房屋损伤情况，及时采取相关处理措施，对首层火灾后的梁、剪力墙、楼板等结构构件进行了现场调研，详细对碳化及残留物、经历火灾后结构构件颜色、钢筋火灾后的配置情况、以及混凝土的开裂、脱落等情况进行查勘、检测，推定火灾时不同区域的温度，调查受火灾影响的构件外观损伤、材料性能和承载力退化情况，并根据相关规范进行构件的鉴定评级，同时对存在的问题提出处理建议。

图2 火灾后结构构件受损情况Fig.2 Damage of Structural Members after Fire

2 结构损伤现场评估

2.1 主体结构损伤评估

针对首层火灾严重的14～21×1-M～1-T 区域进行现场勘察，发现燃烧物最为强烈的为挤塑板，由于其与空气接触充分，燃烧物燃烧充分。首层6～26×1-H～1/2-A的区域内为主要受到火灾影响的范围，约为900 m2，多处梁、板、柱以及剪力墙构件的混凝土疏松、剥落、开裂，钢筋裸露出来，火灾的扩散主要被泡沫混凝土砌体墙阻挡。2 层柱、梁、剪力墙构件均未受到火灾影响，个别板构件被烧穿。

根据现场烟熏情况、火灾位置及灾情的蔓延趋势，将遭受火灾的楼层处划分为高温区、中等温度区和低温区（见图3）。高温区的混凝土梁、柱、剪力墙及楼板等构件的损伤严重，混凝土多处发生开裂、脱落现象，呈灰白色以及浅黄色，锤击声发哑；中等温区个别混凝土构件损伤较严重，表面较多裂缝、多处爆裂，呈浅黄色以及粉红色，锤击声发闷；低温区混凝土构件的损伤较轻，表面轻微裂缝，锤击声响亮或发闷。根据现场区域损伤特征推断火灾时温度，高温区火灾时温度约700 ℃以上、中等温度区约300～700 ℃、低温区火灾时温度约300 ℃以下。

图3 火灾影响区域划分Fig.3 Division of Fire Affected Areas

2.2 构件损伤评估

结合文献［8］的相关规定与现场勘测结果，对构件进行损伤评估，评估结果如表1所示，现场勘测如图4所示。

图4 火灾后现场勘测Fig.4 Post Fire Site Investigation

2.3 构件变形检测

对高温区和中等温度区各选取3 个竖向构件和3 个梁进行变形检测，结果表明墙柱构件最大侧向位移与量测高度比δ/h（包括施工误差引起的偏差）介于0.000 9～0.001 4 之间，即δ ＜［δ］；梁构件跨中挠度与量测跨度比δ/L（包括施工误差引起的偏差）均小于L/250，即δ ＜［δ］。可见，火灾位于通风良好的建筑物首层，虽然挤塑板燃烧猛烈，但由于火灾事件时间较短，且高温区域内已砌筑间隔墙（泡沫混凝土砌块）并抹灰，在一定程度上阻止火势进一步扩散，保护了间隔墙另一侧的混凝土构件和高温区内部分构件，火灾并未引起较大的构件变形。

表1 火灾后构件损伤评估Tab.1 Damage Assessment of Components after Fire

3 结构构件力学性能测试

对火灾现场构件进行混凝土强度、碳化深度以及钢筋力学性能等项目的检测，并现场截取受损严重构件的受力钢筋进行试验室检测。

3.1 混凝土强度测试

墙柱构件：高温区构件表面混凝土强度介于50.3～52.2 MPa 之间，高于设计强度；中等温度区构件表面混凝土强度均大于57.7 MPa，高于设计强度；低温区构件表面混凝土强度介于52.3～57.3 MPa 之间，高于设计强度。高温区内部混凝土强度介于71.9～76.0 MPa 之间，高于设计强度；中等温度区构件内部混凝土强度介于73.8～76.0 MPa 之间，高于设计强度；低温区构件内部混凝土强度介于68.8～73.6 MPa 之间，高于设计强度。

梁构件：高温区表面混凝土强度介于33.5～34.3MPa之间，略低于设计强度；中等温度区构件表面混凝土强度介于41.1～45.3 MPa 之间，高于设计强度；低温区构件表面混凝土强度介于43.7～46.3 MPa之间，高于设计强度。内部混凝土强度高温区构件介于47.8～49.2 MPa之间，高于设计强度；中等温度区构件内部混凝土强度介于59.8～63.5 MPa之间，高于设计强度；低温区构件内部混凝土强度介于56.2～62.7 MPa之间，高于设计强度。

可见，构件混凝土内部强度火灾后仍能达到设计要求，受到抹灰层的保护，未脱落的混凝土表面强度损失较小，但高温区多数板构件底部、部分梁构件侧边以及剪力墙构件上部的混凝土剥落较多，截面损失较大。

3.2 混凝土碳化深度测试

墙柱构件：高温区碳化深度为2.5～4.0 mm，中等温度区构件碳化深度为1.0～2.5 mm，低温区构件碳化深度为1.0～3.0 mm。

梁构件：高温区构件碳化深度为2.5～4.0 mm，中等温度区构件碳化深度为1.0～3.0 mm，低温区构件碳化深度为1.0～2.0 mm。

板构件：高温区构件碳化深度为2.5～4.0 mm，中等温度区构件碳化深度为1.0～2.5 mm，低温区构件碳化深度为1.0～3.0 mm。

3.3 钢筋力学性能测试

在高温区受损严重的剪力墙和板中各抽取1组主要受力钢筋进行钢筋力学性能检测，结果表明：剪力墙构件竖向受力钢筋以及板构件底部受力钢筋的屈服强度、抗拉强度、伸长率、弯曲等力学性能和工艺性能满足规范要求。

4 结构承载力分析计算

依据文献［10］和文献［11］，采用PKPM 结构设计软件对上述实例进行结构承载力计算分析。结构构件截面尺寸参考实测值对原构件进行折减；钢筋力学性能和混凝土强度实测值均大于原设计值，本次按原设计取值。火灾后的梁、柱、墙构件，由于混凝土与钢筋的握裹力损失较大，在承载力分析时扣除角部钢筋；对于底部混凝土大面积剥落且严重漏筋的板构件，不考虑受力钢筋的作用；分析时考虑火灾对钢筋与混凝土弹性模量及钢筋与混凝土粘结强度的不利影响。

经有限元计算分析，首层18×1/1-N～1-P 轴剪力墙、21×1/1-N～1-P 轴剪力墙、21×1/1-M～1-N 轴剪力墙、1-2a～1-3a×1-Ea 轴剪力墙等4片剪力墙轴压比介于0.61～0.64 之间，略大于规范中剪力墙墙肢限值（0.6），其余竖向构件基本满足承载要求；2 层在1/14～21×1-N、21～24×1-N、18×1/1-P～1-M、14×1/1-P～1/1-M、18×1/1-P～1-M、17～21×1-R、17～21×1-S 轴位置处7 条梁力学性能严重降低，不满足承载要求，其余梁构件基本满足承载要求；被评定为Ⅲ级的板构件，承载分析时不考虑钢筋作用，性能严重降低或丧失，不满足承载要求，其余板构件基本满足承载要求。

经计算，该经历火灾后的结构周期比、层间刚度比、倾覆力矩比、剪重比、质量比、层间位移比均满足规范要求。可见，经历火灾后，结构整体性能计算均满足相关要求，能够继续使用。但针对经历火灾损伤的结构构件，需进行相应的加固处理措施，具体如下：

对评定为Ⅲ级的墙柱构件，可铲除严重受损混凝土后，保留受力钢筋（或增加受力钢筋和相应的箍筋），增大柱墙截面尺寸，保证柱墙构件的承载能力满足设计和使用的要求；对评定为Ⅱb级的墙柱构件，可清洗表面后进行局部修补；

对评定为Ⅲ级、Ⅱb级的梁构件，可铲除严重受损混凝土后，保留受力钢筋（或增加受力钢筋和相应的箍筋），在梁的两侧对称加厚，增大相应构件的截面尺寸，以确保相应构件的承载能力满足设计和使用的要求；或凿除严重受损混凝土后，再通过混凝土进行修补，并用粘钢法做加固；对评定为Ⅱa级的梁构件，可清洗表面后进行局部修补；对评定为Ⅲ级、Ⅱb级的板构件，可拆除后，保留受力钢筋（或增加受力钢筋），重新浇筑楼板；对评定为Ⅱa级的板构件，可清洗表面后进行局部修补。

5 结论

本文研究了经历火灾后的某结构构件的损伤性能与整体承载能力，提出了火灾后建筑结构构件检测鉴定的程序，即火灾后影响区域划分-结构构件损伤性能评估-结构构件力学性能测试-结构整体承载能力计算，为准确地掌握构件的火灾损伤情况及结构整体承载能力提供了可靠依据。

研究结果表明：构件混凝土火灾后内部强度仍能达到设计要求；受到抹灰层的保护，未脱落的混凝土表面强度有一定的损失，但损失较小；未变形的钢筋性能满足规范要求，同类构件的碳化深度从高温区域向低温区呈递减趋势；上部荷载尚未完全加载，构件未发现明显失效变形；高温区多数板构件底部、部分梁构件侧边以及剪力墙构件上部的混凝土剥落较多，截面损失较大，除此之外，构件的其他部位和其他区域的构件截面损失较小。通过构件强度折减的方式进行验算，整体结构满足承载力及抗震性能各项指标要求，经加固处理后可投入使用。