某单层门式刚架结构厂房火灾后检测鉴定研究

孟再生

(安徽省建院工程质量检测有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引 言

工业建筑不时可见因电路老化、动火安全管理不到位等导致火灾的事故报道。仅2020年就有9 264起生产企业发生火灾，是除住宅火灾外占比较大的一类火灾[1]。单层门式刚架结构因其自重轻、抗震性能好等方面的优势，是工业建筑中的常用结构形式[2]。有研究案例表明钢材在过火温度较低的情况下其屈服强度和极限强度相比常温下会略有升高；然而当过火温度达到一定高度后，钢材的屈服强度和极限强度开始发生降低，且随着温度越高降低幅度越大[3]。

钢材耐火性能较差，受火后屈服强度、弹性模量均迅速降低[4]，对结构损伤一般较大。目前市场上常用的防火涂料有厚涂型、薄涂型、超薄型防火涂料。厚涂型防火涂料的耐火极限为1～3 h，外观装饰性较差；薄涂型防火涂料在受火时能膨胀发泡，耐火极限一般不超过2 h，装饰性良好但发泡率不高；超薄型防火涂料在受火时膨胀发泡形成致密的防火隔热层，延缓钢材升温，耐火极限一般不超过2 h，装饰性好。

钢结构火灾后安全性不明，对其进行火灾后结构鉴定、明确火灾对结构安全的影响和为后续处理决策提供依据十分必要。

1 工程概况

1.1 工程结构概况

某单层门式刚架结构于2020年建设，独立基础+筏板基础，屋面、墙面为岩棉夹芯板轻钢结构，建筑高度为19.2 m，建筑面积约为260 m2。结构安全性等级为二级，结构重要性系数为1.0，建筑抗震设防类别为乙类，钢结构抗震等级为三级，内有钢框架平台和钢筋混凝土框架平台，其中钢筋混凝土框架抗震等级二级。建筑物火灾危险性分类为戊类，耐火等级为二级。设计柱耐火极限为2.5 h，梁耐火极限为1.5 h，楼板耐火极限为1.0 h，屋顶承重构件耐火极限为1.0 h。建筑平面布置如图1所示。

图1 建筑平面布置

1.2 火灾概况

该建筑于2021年某一天发生火灾，大火燃烧约40 min后扑灭。起火部位为车间振动筛，起火点位于振动筛内部中间位置。起火原因为电焊工在操作时，电焊渣落到振动筛内部中间位置引燃橡胶板引发火灾。火灾影响范围主要有12.0 m标高钢平台、屋面及周边墙面。

2 鉴定过程

火灾后工程结构鉴定过程如下[5]：

(1) 初步调查：查阅图纸资料，包括结构设计和竣工资料，调查结构使用及改造历史、实际使用状况；了解火灾过程及火灾影响区域，查阅火灾报告等；现场勘察了解火场残留物状况、荷载变化情况；观察结构损伤情况，判断主体结构及附属物的整体牢固性、出现垮塌的风险性。

(2) 初步鉴定：初步判断结构所受的温度范围和作用时间，调查火灾过程、火场残留物状况及火灾影响区域等；调查结构构件受火灾的损伤程度，包括烧灼及温度损伤状态和特征等；根据结构构件损伤特征进行结构构件的初步鉴定评级。

(3) 详细鉴定：根据火作用调查与检测结果，进行结构构件过火温度分析；根据鉴定需要，对受火与未受火结构构件的材质性能、结构变形、节点连接、结构构件承载能力进行专项检测分析；根据受火结构材质特性、几何参数、受力特征和调查与检测结果，进行结构分析计算和构件校核；按现行有关标准规定进行整体的安全性鉴定评级。

(4) 结论：综合上述各种检测鉴定成果，得出火灾后工程结构鉴定结论。

3 调查与检测

3.1 初步调查

搜集到该建筑的结构设计图纸、竣工资料和地质勘察报告。该建筑经正规设计、施工，于2020年9月完工后投入使用，未经过加固或改造，火灾前使用状况良好。

钢构件表面两道红丹打底，中间漆两道云铁醇酸防锈漆，面漆两道醇酸磁漆。

振动筛和吊车已受损，不具备相应功能。振动筛橡胶已燃烧完全，5.5 m钢平台2-3/C钢柱撑存在严重残余变形，如图2所示。5.5 m钢平台2/B柱、2/C柱、3/C柱、(1/3)/B柱上端受火，油漆烧光。12.0 m钢平台钢梁可见严重残余变形，油漆已烧光，如图3所示。

图2 5.5 m钢平台23/C钢柱撑

图3 12.0 m钢平台钢梁

12.0 m钢平台2/C柱下端油漆脱皮。2-4/C吊车梁和2-3/C钢柱撑油漆烧光，屋面檩条和墙面檩条受火严重残余变形，4轴钢梁、4/B钢柱和C轴系杆表面油漆烧光。2/B-C钢梁油漆变黑脱落，3/B-C钢梁油漆烧光，2-3/B-C屋面支撑油漆烧光，吊车北段油漆烧光。

该建筑2-3轴柱间支撑明显变形，主体结构的整体牢固性较差，12.0 m钢平台有垮塌的风险。

3.2 火作用调查与分析

火势通过设备管道及孔洞导向5.5～12.0 m钢平台区域和12.0 m钢平台-屋盖区域，火势大、烟雾浓，可燃物较少。可燃物种类为橡胶，燃烧时产生浓烟。现场可燃物数量较少，主要分布于振动筛内。振动筛运行时通风条件良好，受火墙体及屋盖的热传导特性良好。现场基本无可燃物残留，烧损状况如上文所述。根据火灾过程、现场残留物状况及结构外观烧损状况判定，钢构件表面曾经达到的最高温度大于700 ℃。该建筑火灾影响区域主要为12.0 m钢平台及周边墙面、屋顶。

3.3 结构构件现状检测

该建筑经正规设计、施工，竣工资料齐全，验收程序完整，使用功能与设计相符，认为该建筑火灾前结构构件满足结构设计图纸要求，故不对结构截面尺寸、钢材牌号等进行检测。

检查钢结构构件连接节点的变形、裂损状况，未见明显异常。采用全站仪对受火范围内部分钢梁跨中挠度进行检测[6，7]，检测结果表明12.0 m标高钢构件实测挠度介于32～93 mm。对受火范围内部分钢柱侧向垂直度进行检测，检测结果表明2/C钢柱和2/B钢柱侧向未出现明显垂直度偏差。

4 鉴定评级

4.1 初步鉴定

地基基础、混凝土构件、1轴钢梁钢柱、A轴钢柱和2-4/A-C 5.5 m平台以下钢结构构件未遭受烧灼作用，未发现火灾及高温造成的损伤，构件材料、性能及安全状况未受到火灾影响，构件初步鉴定等级为Ⅰ级。

12.0 m钢平台钢梁构件和4轴墙面檩条、C轴墙面檩条、3-4/B-C屋面檩条出现严重残余变形，初步鉴定等级为Ⅳ级。其余构件初步鉴定评级见表1所示。

表1 构件初步鉴定评级

4.2 详细鉴定

按承载能力、构造连接两个项目分别评定等级，并计入火灾后材料的实际性能和结构构造以及火灾造成的变形和损伤的不利影响，取其中较低等级作为火灾后结构构件的详细鉴定等级。

根据建筑物的使用历史和当前技术状况，鉴定目标使用年限取为50年。

4.2.1 计算分析

根据上文确定的钢结构构件表面温度，高温过火冷却后结构钢的屈服强度折减系数取0.82。

(1) 验算参数：主刚架屋面均布活荷载取0.3 kN/m2，檩条屋面均布活荷载取0.5 kN/m2，5.5 m和12.0 m钢平台楼面均布活荷载取4.0 kN/m2，基本风压取0.35 kN/m2(R=50)，雪压取0.70 kN/m2(R=100)；主刚架材料强度Q235，檩条材料强度Q345；建筑抗震设防类别为乙类，钢结构抗震等级为三级，钢筋混凝土框架抗震等级为二级。

(2) 承载能力：依据现行相关规范[8]，建立模型进行复核验算，验算结果表明该建筑非受火范围钢结构构件满足承载要求，2～4轴钢梁构件满足承载要求。

4.2.2 安全性鉴定评级[9]

(1) 构件安全性评级：混凝土梁、柱构件安全性等级评为a级，混凝土板构件安全性等级评为b级，12.0 m钢平台、4/B-C墙面檩条、2-4/C墙面檩条、3-4/B-C屋面檩条钢构件安全性等级评为d级，2-4/C吊车梁安全性等级评为c级，2/B-C钢梁、3/B-C钢梁、4轴钢梁、其余屋面檩条钢构件安全性等级评为b级，其余钢构件安全性等级评为a级。

(2) 结构系统安全性评级：建设场地较为平整，非边坡地带，未发现显著变形和滑移迹象及地坪沉降，综合评定地基基础的安全性等级评为A级；根据结构承载功能等级、结构整体性等级进行上部承重结构安全性等级的评定，上部承重结构承载功能等级评为C级，结构整体性等级评为B级，上部承重结构安全性等级评为C级；根据围护结构的承载功能等级和构造连接等级进行围护结构系统的安全性等级的评定，围护结构系统的承载功能等级评为C级，构造连接等级评为B级，围护结构系统安全性等级评为C级。

(3) 鉴定单元安全性评级：该鉴定单元的安全性等级评为三级。

5 处理建议

该建筑结构形式简单，受损部位集中，适修性良好，可在进行加固处理后继续使用，处理建议如下所述。在保障施工安全的前提下对c级构件进行加固或更换，如2-4/C吊车梁。d级构件多已存在严重残余变形，不满足正常使用要求，应立即采取措施，此类构件再利用价值或加固经济性低，可对d级构件进行更换，如12.0 m钢平台、4/B-C墙面檩条、2-4/C墙面檩条、3-4/B-C屋面檩条。b级构件，如2/B-C钢梁、3/B-C钢梁、4轴钢梁、其余屋面檩条，承载能力满足要求、构造连接良好，可不采取措施。

6 结 语

综合地基基础、上部承重结构、围护结构系统的安全性等级，该建筑物结构安全性等级为三级，不符合国家现行标准的安全性要求，影响整体安全，应采取措施。

钢结构火灾后工程结构鉴定过程中，过火温度相较于其他材质结构更容易判断。判断依据主要有现场残余物状况、防腐涂装状况、结构构件变形情况等，这对内业工作时计算分析具有重要意义。钢结构构件变形是其受力显著变化的易见特征，在鉴定过程中应着重关注受弯构件的挠度和受压构件垂直度，可采用全站仪无棱镜法、拉线法或吊锤法等进行检测。挠度和垂直度检测时，对不满足规范允许偏差时，应对受检构件相连的钢梁或钢柱进行检测，判断是否存在因火灾导致的构件附加变形和附加内力等，对建筑物整体性评定具有重要意义。

该厂房火灾燃烧时间约40 min，虽未达到设计最低耐火极限1.0 h却已发生烧损变形，可见钢材防火存在不足，主要原因可能有设计存在不足、未按图施工防火涂层、防火涂层厚度不足、防火涂料性能不满足设计要求等。

工业厂房因其肩负生产工作，火、电作为生产动力使用较频繁，多堆放易燃的生产原料或产品，应适当考虑提高其防火设计要求。且工业厂房应以安全生产为首要考虑因素，外观装饰性可适当让步，建议优先考虑采用耐火极限较长、施工完成后外观检验直观的厚涂型防火涂料。对外观要求高的钢结构厂房，可采用性能更优的薄涂型、超薄型防火涂料，加强施工过程中的管理与施工完成后的检验。对防火要求高的工业厂房可在防火涂料施工完成后、厂房投产前准备好消防设施，在确保安全的情况下采用温度传感器等进行现场钢构件局部燃烧试验，检验其耐火性能是否满足设计文件或生产单位的要求。

钢材耐火性能较差，而火灾情况仍会继续发生，如何加强钢材耐火性能，保障钢材受火后的结构性能，需要从业人员继续探索。火灾后钢结构检测鉴定后明确处理范围并给出相关处理建议，要求检测鉴定人员不仅要掌握检测鉴定知识，还要拓宽加固设计和施工等知识面。