某高层建筑火灾后结构安全检测与评估

陈 佳

(上海同济检测技术有限公司，上海 200092)

0 引言

据统计，2019年全国消防救援局共接报火灾23.3万起，其中高层建筑发生火灾6 974起，同比上升10.6%。火灾发生后，房屋结构受到不同程度的损坏，目前火灾后建筑结构检测鉴定主要依据为T/CECS 252—2019《火灾后工程结构鉴定标准》。以上海市某高层建筑为例，通过火灾后现场检测，对火场情况、结构材料强度退化、构件变形、损伤情况等进行分析评定，根据检测结果分别给出构件烧伤深度，在此基础上对主体结构进行计算分析，并对结构安全性进行评估。

1 工程概况

上海市某高层建筑建造于1993—1997年，由裙房和塔楼组成，二者之间设有150mm宽沉降缝，总建筑面积约100 000m2。裙房地下2层(局部3层)，地上13层，局部地下3层用作水泵房等，地下1，2层主要用作地下车库，地上部分原为商场，检测时空置。塔楼地下2层，地上34层，地下1，2层主要用作地下车库，地上1～8层原为商场，检测时空置，9层及以上部分主要用作办公室。

本工程建筑平面整体近似呈椭圆形，总长132.00m，总宽57.75m。地下2层至地上9层裙房和塔楼层高均相同，为3 500～4 500mm。原裙房地上10层高度为24.45m，后进行钢结构插层改造，改造后新增地上11～13层。塔楼10层层高4 700mm，其余各层层高3 500mm。

裙房采用板柱-剪力墙结构体系，纵向为9跨，柱间距均为8 250mm。横向为7跨，柱间距均为8 250mm。柱截面形式包括矩形和圆形，其中矩形柱主要分布于地下室及地面以上各层周边部位，截面尺寸主要为900mm×700mm，1 000mm×850mm；圆形柱直径为600～1 000mm。剪力墙主要分布于楼梯间等部位，厚度主要为300，350mm。柱帽尺寸主要为3 500mm×3 500mm，厚400mm。楼板厚度主要为200mm，采用分离式配筋。地上1层、地下1层局部及其他各层周边和局部设有楼面梁。

表1 混凝土表面颜色、裂损剥落、锤击反应与温度的关系

塔楼采用框架-核心筒结构，核心筒位于塔楼中部电梯间，核心筒外侧为均匀布置的16根框架柱，最外侧为板柱结构及楼梯间。核心筒及周边楼梯间剪力墙厚度主要为250，300，350，400，450mm。框架柱均匀分布在核心筒四周，每侧4根，中间2根柱间距6 250mm，外侧柱距10 000mm。框架柱及板柱中柱截面形式包括矩形和圆形，柱帽尺寸主要为3 500mm×3500mm，厚400mm。楼板厚度主要为200mm，采用分离式配筋。

桩身混凝土强度等级C80，筏板混凝土强度等级C40，地下室外墙及梁、板混凝土强度等级C30，塔楼墙、柱混凝土强度等级包括C40，C50，C60，裙房墙、柱混凝土强度等级包括C30，C50，C60。纵向受力钢筋主要采用进口钢筋，设计强度为340MPa，箍筋主要采用HPB300筋。裙房后加钢结构材料强度等级包括Q235，Q345。

2017年年底，塔楼8层发生火灾，导致部分结构受损。此前，裙房及塔楼9层以下区域正在进行装修，已对装修部分楼层(裙房及塔楼地上1～8层)进行了检测，结果表明，主要轴网尺寸、楼层层高、结构构件布置、构件截面尺寸及配筋等与原设计图纸基本相符。火灾发生后，为了解装修区域房屋受损及结构安全情况，再次进行了检测。

2 火灾调查

2.1 基本情况

经调查，2017年12月18日22时13分，塔楼8层发生火灾，23时15分火势被控制，23时59分火被扑灭。经检测，火灾主要发生在塔楼8层核心筒周边区域，塔楼7层未发现过火迹象及明显的烟熏痕迹，塔楼9层未发现烟熏痕迹，但避难层处楼板(8层顶板)出现较宽的通长裂缝。过火面积约875m2，过火区域空调机房、楼梯间等局部空间及8层裙房北侧走道有烟熏痕迹，中庭钢网架玻璃屋顶靠近过火区域局部有烟熏痕迹。

2.2 火场温度

现场检测发现，铝合金窗框被烧断，钢管扭曲变形但未出现滴状物，综合经验公式及金属材料变态温度，推定火场最高温度为700～1 030℃。根据混凝土表面颜色、裂损剥落、锤击反应(见表1)，综合判断构件表面最高温度。核心筒表面有3层总厚约50mm的水泥砂浆粉刷层，局部裸露处颜色正常、锤击声响亮且基本不留痕迹，根据表1可判断核心筒结构构件表面温度在200℃以下。部分楼板板底大面积露筋，部分柱表面呈浅黄色，且存在大面积剥落、开裂、锤击混凝土脱落等现象。结合表1可知，过火区域局部梁、板、柱表面最高温度达800℃以上。

3 主要结构材料强度检测

3.1 火灾发生前混凝土、钢筋强度

火灾发生前，对装修部分楼层(裙房及塔楼地上1～8层)进行了检测，结果表明，墙、柱、梁、板混凝土强度均可达到原设计要求，柱主筋及箍筋强度均可达到原设计要求。

3.2 火灾发生后混凝土、钢筋强度

受火灾影响的构件主要为塔楼8层墙、柱及9层楼面梁、板。火灾发生后，在塔楼8层混凝土墙、柱上随机选取10处钻芯取样，其中3个芯样用于劈裂试验，其余均用于抗压强度试验。各芯样表层碳化深度为8～17mm，加工完成后芯样最外侧距构件表面的距离为0～104mm。抗压强度试验结果表明，1处芯样抗压强度为46.8MPa，低于原设计要求，其余芯样抗压强度为59.3～76.7MPa，基本达到原设计要求。不满足原设计要求的芯样最外侧距构件表面的距离为77mm，表层碳化深度为17mm。

火灾发生后，在塔楼9层楼板板底截取6根钢筋，在万能材料试验机上直接测量抗拉强度，结果表明，钢筋屈服强度为370～515MPa，抗拉强度为495～605MPa，伸长率为17.0%～18.5%，均满足原设计要求。

4 材料性能退化规律

4.1 混凝土强度退化

采用BY2012HT/S型混凝土回弹仪对塔楼8层过火区域墙、柱、梁进行回弹检测，以作为混凝土强度退化依据。检测结果表明，梁身下部回弹值较上部低1%～56%，下部强度推定值较上部低1%～66%；墙身回弹值及强度推定值均相差约2%；柱身回弹值相差2%～36%，强度推定值相差2%～55%。

劈裂试验结果如表2所示，由表2可知，对于框架柱芯样ZX2，ZX3，当断面距表面的距离为5.5cm以内时，劈裂抗拉强度较低；当断面距表面的距离为12.0cm左右，劈裂抗拉强度增大；随着断面距表面的距离继续增加，劈裂抗拉强度变化不明显，可认为框架柱受火灾影响的主要范围集中在距表面10cm区域内。芯样ZX8取自核心筒剪力墙，由于剪力墙有较厚的保护层，过火较轻，当断面距表面的距离为1.0～3.0cm时，劈裂抗拉强度已达较高值2.05MPa，因此可认为核心筒剪力墙受火灾的影响较小。

4.2 钢筋强度退化

过火严重区域火灾发生前曾对1根柱采用里氏硬度法进行钢筋抗拉强度检测，火灾发生后再次对其进行检测，以分析火灾对钢筋强度的影响。结果显示，火灾发生后柱纵筋抗拉强度由668MPa升至681MPa，柱箍筋抗拉强度由489MPa降至465MPa，可认为过火区域构件钢筋强度变化不明显。

表2 劈裂试验结果

5 检测与鉴定

5.1 房屋倾斜检测

火灾发生前曾在塔楼受火侧布置测点S1，S2，进行整体倾斜测量，结果表明，火灾发生前测点S1向外倾斜0.05‰，火灾发生后向外倾斜0.20‰；火灾发生前测点S2向外倾斜0.06‰，火灾发生后向外倾斜0.12‰。房屋整体倾斜率增加，但数值较小，考虑到存在测量误差，可认为火灾发生前后塔楼整体基本未倾斜。

5.2 构件变形检测

墙、柱表面存在粉刷层或表层脱落等情况，现场无准确测量条件。塔楼8层顶板混凝土梁变形检测结果表明，与核心筒相连的梁表现为核心筒一侧底部标高较小，外侧较大；其余梁主要表现为底部一端标高较大，另一端标高较小；另有少数梁表现为底部两端标高均较小。梁底高差为2～35mm，分析认为梁底高差主要与施工误差、火灾受损等因素有关。

5.3 过火区域损伤检测

房屋过火区域损伤情况主要包括：玻璃幕墙破损且铝合金幕墙龙骨被烧断；吊顶烧光；铁质水管脱落或弯曲；部分楼面木龙骨被烧残缺；空调机房、楼梯间及未过火的其他区域被熏黑；核心筒混凝土墙粉刷层不同程度脱落；部分柱表层混凝土脱落、露筋、表面发黄；多处顶板板底混凝土脱落、露筋；顶板混凝土梁出现贯穿斜裂缝(见图1)、钢筋热胀残余变形、底角锤击声发闷等情况。

图1 混凝土梁贯穿斜裂缝示意

5.4 构件鉴定评级

根据《火灾后工程结构鉴定标准》的规定，混凝土墙除一面评定为IIb级外，其余均评定为IIa级，不影响构件安全；混凝土柱大部分评定为IIa，IIb级，但也有3根评定为III级，对构件安全产生影响；混凝土梁大部分评定为III级，对构件安全产生影响；混凝土板大部分评定为III，IV级，对构件安全产生影响，部分板已丧失承载能力。

6 构件承载力验算

对初步鉴定结果为IIb，III级构件进行承载力验算，计算时构件截面尺寸按原设计尺寸减去烧伤深度考虑。不考虑烧伤深度范围内混凝土的贡献后，剩余部分混凝土强度按原设计取值。钢筋强度虽达到原设计要求，但仍按原设计强度的0.85倍取值。

不考虑地震作用时，过火区域部分框架梁、大部分楼板计算配筋大于实际配筋，不满足承载力计算要求。4块楼板评定为a级，1块评定为b级，其余均评定为d级。

考虑地震作用时，2根柱箍筋与部分框架梁纵筋计算配筋大于实际配筋，不满足承载力计算要求。2根混凝土柱评定为b级，其余均评定为a级。1根混凝土梁评定为b级，7根评定为d级，其余均评定为a级。

7 结语

对火灾发生前后结构构件进行现场检测与理论计算，得出以下结论。

1)火场最高温度为700～1 030℃，过火区域局部梁、板、柱表面最高温度达800℃以上。

2)火灾发生后，塔楼8层过火区域芯样混凝土抗压强度为46.8～76.7MPa，低于或基本达到原设计要求。

3)火灾发生后，塔楼9层楼板板底钢筋屈服强度为370～515MPa，抗拉强度为495～605MPa，伸长率为17.0%～18.5%，均满足原设计要求。

4)塔楼8层过火区域梁身下部回弹值较上部低1%～56%，下部强度推定值较上部低1%～66%；墙身回弹值及强度推定值均相差约2%；柱身回弹值相差2%～36%，强度推定值相差2%～55%。

5)考虑测量误差，可认为火灾发生前后塔楼整体基本未倾斜。

6)塔楼8层与核心筒相连的梁表现为核心筒一侧底部标高较小，外侧较大；其余梁主要表现为底部一端标高较大，另一端标高较小；另有少数梁表现为底部两端标高均较小。梁底高差主要与施工误差、火灾受损等因素有关，不影响结构安全。

7)根据火灾发生后构件受损情况对其进行鉴定评级，混凝土墙除一面评定为IIb级外，其余均评定为IIa级，不影响构件安全；混凝土柱大部分评定为IIa，IIb级，但也有3根评定为III级，对构件安全产生影响；混凝土梁大部分评定为III级，对构件安全产生影响；混凝土板大部分评定为III，IV级，对构件安全产生影响，部分板已丧失承载能力。

8)对初步鉴定结果为IIb，III级构件进行承载力验算，不考虑地震作用时，4块楼板评定为a级，1块评定为b级，其余均评定为d级。考虑地震作用时，2根混凝土柱评定为b级，其余均评定为a级；1根混凝土梁评定为b级，7根评定为d级，其余均评定为a级。

根据检测、鉴定、计算结果，对受损构件提出以下加固措施。

1)对于现有非结构性损伤部位，建议在后期使用过程中对外观采取必要措施进行修复处理。

2)对于评定为IIb级的构件，采取局部保护层修复措施。

3)对于评定为III级的板，采取局部置换加固措施。

4)对于评定为III级的梁、柱，采取修复后加固的处理措施。

5)对于评定为IV级的板，需拆除后重新浇筑。

6)对于承载力不足的构件，建议结合鉴定评级结果采取合适的加固措施。修复、加固工作应委托有资质的设计单位和施工单位完成。