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建筑火災后檢測分析及加固設計

渤東博建筑醫學骨科,火災后結構處理專業企業。火災后結構損失屬急聚溫度應力破壞形態,與構件所處燃燒時間、可燃物性質、空間密閉程度、火路走向等有一定關系。單憑檢測報告及計算分析,僅在辦公室里閉門造車,是不能完善加固方案的。現場的對照檢測評定及現場設計方案尤為重要,馬虎不得。渤東博檢測設計小組,可以在配合條件下完成本次加固設計方案。

1.方案原則:

方案原則一:確定彎曲變形構件,所采取加固方法有——1. 置換法;2. 改變構件自由長度;3. 增大桿件斷面;4. 架設剪刀撐;5. 增設阻尼器。

方案原則二:燒傷(混凝土表面呈粉紅色)脹裂無蝕表面現象,桿件變形在可控范圍內的桿件,其加固工藝措施為——置換混凝土,清潔剪力銷及型鋼表面,噴涂二氧化硅粉沫,在溫度環境下FRP纖維補強。

方案原則三:設定溫度應力影響區域,檢測確定單體構件在允許變形范圍內的情況下,采用的加固方案定義為——加強節點,置定節點,改變原有受力分配形式,例如:增設拉桿體系、FRP復合纖維補強、補充局部荷載等。

方案原則四:1. 如需置換軸向受壓構件,施工程序宜嚴謹,工期會延長,應盡量避免多組受壓構件同期、同域置換;2. 卸荷措施應考慮周臨構件的加強,加固方案應盡量減少焊接工程量,防止結構出現第三應力狀態;3. 呆板而嚴肅的計算模式,在火災后結構方案的確定中,僅能作為核對參考依據不可全憑,火災后復雜的結構應力體系已經誕生,恢復原結構應力體系那是絕對不可能的,但在現有狀態下進行結構調整后,完善原有使用功能自是當然的。

2. 針對分析:

●據相關報道,大火由煙花引起自上而下,而外部玻璃幕墻在大火下很快就會達到耐火極限而向下脫落加速火勢。所以,有可能大火只是在外部火勢很大,而在建筑物里面的一些部位積火時間很短,對結構造成的損失較小。

●由于建筑還處在裝修的收尾階段,在結構內部有可能堆積大量的可燃性裝修材料,甚至電纜和電線。在這些部位積火時間勢必較長,對結構造成的損失較大。

●根據以上對本次火災的簡單分析,我們暫且把結構分為兩種情況,分別進行加固設計。

●情況一:積火時間長,對結構造成的損失較大。在這種情況下,包在混凝土里面的型鋼肯定受到了影響,除本身強度降低外,它和混凝土之間剪切應力也會減弱,主要力學性能受到影響。這時需現場取樣,到實驗室分別做型鋼本身的承載力強度試驗,及型鋼和混凝土之間剪切應力強度的實驗。如這兩個指標比原設計值降低較小,我們將采取“軟預應力”法進行包鋼加固;如這兩個指標比原設計值降低較大,則必須更換型鋼重新澆筑混凝土。

“軟預應力”法示意

●對于火災后梁板等受拉構件可采用FRP-纖維增強復合材料、包鋼等方法,還可采用如下圖所示鋼絞線方法加固處理: 

●情況二:積火時間短,對結構造成的損失較小。在這種情況下,包在混凝土里面的型鋼受到的影響很小,它和混凝土之間的剪切應力也不會改變,即主要力學性能未受影響。而在火災時因內外溫差較大、水分氣化、及箍筋與混凝土粘結強度下降等原因,混凝土表面漲裂或沿箍筋方向產生裂縫;再者由于高壓冷水滅火,溫度急劇變化也會使混凝土爆裂強度下降。對于這種情況,我們采用粘貼FRP-纖維增強復合材料進行處理。混凝土損壞較嚴重的,先剔除損壞的混凝土修補后,采用干式包鋼法加固。

FRP材料加固示意
干式包鋼法示意
 
● 對于火災后梁板等受拉構件,可參考情況一中的處理方式。

后面附有我們針對火災對建筑物影響的一些思考,及我公司近兩年火災加固工程的案例分析,敬請瀏覽。

在各種災害中,火災是最經常、最普遍地威脅公眾安全和社會發展的主要災害。而建筑火災約一般要占火災總數的60%左右,就此類火災而言。建筑結構均遭到不同程度的損害,有的需要簡單修復或需要進行加固,有的則需要拆掉重建。本文粗淺的介紹建筑結構火災后的檢測分析與加固方法。

一.火災對建筑結構破壞的基本原理

下面分別就混凝土結構、磚混結構、鋼結構以及其他結構形式的破壞原理作簡單分析

1. 混凝土結構火災破壞原理:混凝土是以水泥為膠凝材料,加粗骨料(石子)、細骨料(砂)、摻和料、外加劑等用水拌和,硬化而成的人工石。它在火作用下的機理可歸納為以下三個方面:第一,表面受火處溫度升高比內部快,內外溫差引起混凝土開裂。火災時,混凝土中各種水分迅速汽化,體積明顯膨脹,沖破障礙迅速逃逸,導致強度下降;第二,混凝土強度隨時間的增長主要取決于凝膠的收縮,凝膠在常溫下脫水是正常的,而在500 ℃以上大量急劇脫水,則產生明顯的破壞作用,它使水泥石密度降低,從而強度下降。出現的不連貫的微裂縫迅速擴展并連續起來,形成大裂縫,造成混凝土的宏觀破壞。第三,火災產生的高溫會導致鋼筋與混凝土間的粘結強度的下降,兩者之間的極限滑移的增加。也將使鋼筋混凝土構件的承載能力的下降。

2. 磚混結構火災破壞原理:火災對磚混結構的作用由磚塊材質和砂漿性能決定,水泥砂漿的彈性模量比磚的彈性模量小,熱膨脹比磚大,因而在高溫受壓時產生比磚塊更大的橫向變形。

3. 鋼結構火災破壞原理:普通建筑用鋼在全負荷的情況下失去靜態平衡穩定的臨界溫度是 540℃ 左右。一般在300 -400℃ 時其強度便開始下降。現在的純鋼結構建筑都涂有防火涂料,但防火涂料也只能保證其在2-3個小時不失去平衡穩定性。所以說鋼結構是十分怕火的,除精密檢測后認為可經加固處理仍能保障安全外,就算是小范圍局部失火最好也要更換鋼構件才能保障安全。

4. 組合結構火災破壞原理:對于組合結構如型鋼混凝土結構及鋼管混凝土結構,這兩種結構都有混凝土參與受力,且經試驗得到其抗火性也更接近混凝土結構,故它們的加固方法可參考混凝土結構進行。

二.火災后的檢測

建筑物遭受火災后,除查明起火原因外,首先必須對建筑物的受損程序進行詳細檢查。弄清火災規模的大小和范圍,建筑物受損部位和受損程度,根據火場各處溫度,分析失火時和失火后結構的狀況,對結構受損程度提出正確評估,以便確定建筑物的修復加固方案。鑒定檢測工作必須盡可能多的調查、實測資料,以便對結構的現狀作出較客觀的判斷。鑒定工作包括資料收集、現狀的檢測等。

1. 資料的收集:即對建筑物的情況詳細地進行調查,包括建筑結構圖紙、建造年代、上部結構概況、基礎結構及地質資料、荷載狀況、施工概況等。

2. 現場部分主要檢測項目列舉:

項目描述

儀器及操作圖片

樓板厚度無損檢測

 

鉆心取樣檢測

 

拉拔試驗

 

混凝土強度回彈檢查

 

鋼筋間距確定

 

3.    高溫下混凝土顏色表現

混凝土溫度

300℃

600℃

600℃ 以上

顏色表現

粉色,表面裂分縫

紅色,表面裂縫

淺黃色,混凝土剝落鋼筋外露

4. 混凝土溫度與抗壓強度殘存率

溫度℃

100

200

300

400

500

600

700

殘存率

95~100%

80~92%

69~82%

50~72%

23~57%

37%

18%

5. 鋼結構火災溫度淺析

大火溫度在200~250℃時,鋼結構表面油漆涂裝層被燒壞;火災溫度在300~500℃時,引起鋼構件翹曲;鋁材熔化溫度大致在300~500℃之間;玻璃軟化溫度在 700℃ 左右,熔化溫度大致在800~850℃。

三.火災后結構的加固方法

  加固原則:根據結構的檢測報告,充分發揮火災后構件剩余承載能力 ,盡量多地保留原結構 ,盡量減少拆除工程 ,盡量減少上層結構加固改建重量 ,以減少地基基礎附加應力 ,同時還應考慮了施工的方便及可操作性。結合現場構件燒損程度、剩余承載能力計算結果及構件重要性 ,分別采用不同的加固方案。加固的施工應采取確保質量和安全的有效措施,并應遵照有關規范進行施工和驗收。

1. 火災后混凝土結構的加固方法:

1.1. 增大截面法

用同種材料增大構件截面面積的一種傳統的加固方法。它不僅可以提高被加固構件的承載能力,而且還可加大其截面剛度,改變其自振頻率,使正常使用要求的性能也可以在某種程度上得到改善。

1.2. “軟預應力”加固法

此方法為我公司特有技術。引入微膨脹系數在3‰以上的灌漿料,對原有強度不足部分的軸向受壓柱,及短肢剪力墻實施“軟預應力”措施,提高新舊構件的協作能力。

1.3. 粘鋼加固法

粘鋼加固法是用結構膠把鋼板粘貼在構件外部以提高結構承載力的一種加固方法。常用的膠粘劑是以環氧樹脂為主配成的。這種加固方法的優點是加固后幾乎不改變結構的外形和使用空間,卻能提高結構構件的承載力和正常使用階段的性能,施工簡單、快速,對生產和生活影響小。由于混凝土受火燒傷,表面疏松,與鋼板結合后,強度特別低,為此受火后混凝土的表面均以鑿毛處理為宜,這樣強度高而且穩定。

1.4. 置換法

就是直接用同種材料代替受災后不能滿足使用要求的材料,對于火災后變形嚴重或者根本無法加固或者沒有必要加固的構件,可以采用置換法。如火災中的樓板,特別是預應力樓板一般受損比較嚴重,可以采用置換法加固。

1.5. 繞絲法

用于混凝土梁受火災后斜截面破壞嚴重的情況。先把保護層鑿去,采用退火處理后的鋼絲豎向或斜向纏繞,固定后用鋼楔頂緊,以便產生少量預應力,迫使鋼絲更快地參加工作,再用高強度高等級細石混凝土澆補至原截面尺寸。用繞絲法加固后,梁具有更好地約束斜裂縫和變形能力,并提高強度。

1.6. 噴射混凝土加固法

其在工藝、材料及結構性能方面與普通現澆混凝土相比有許多優點。如,噴射混凝土施工不需要模板、混凝土的澆筑與振搗合二為一,因此特別適用于火災后混凝土補強。噴射混凝土加固法對火災后爆裂、露筋樓板的修復加固是最合適的。若火災后樓板鋼筋的強度損失較大,則需要用預應力方法加固,采取噴射混凝土恢復原截面尺寸時以作預應力筋的保護層。

1.7. 碳纖維材料加固法

與傳統加固維修方法相比,碳纖維材料加固修補混凝土具有明顯的技術優勢。主要有:高強高效;施工便捷,工效高,沒有濕作業,不需要大型施工機具,施工占用場地少;具有極佳的耐腐蝕性能及耐久性能;施工質量易于保證;質量輕而且薄,加固維修后基本上不增加原結構自重及原結構尺寸。

2. 火災后鋼結構加固方法:

首先進行結構變形的恢復,然后進行鋼結構殘余承載力計算,對承載力不足部分進行加固。

2.1. 結構變形的恢復步驟:

2.1.1. 測定結構變形量,確定復原程度。

2.1.2. 確定千斤頂作用位置及千斤頂數量。

2.1.3. 安裝千斤頂,將鋼結構變形頂升復位。

2.1.4. 進行承載力加固,結束后再才拆除千斤頂。

2.2.鋼屋架加固

體系加固法:指設法把墻體或屋架與其他構件連系起來,或增設屋架支點,以形成一個空間的,或連續的,或混合型的結構承重體系,達到提高屋架承載力的目的。

整體加固法:通過增設加固構件,使屋架自身承載力得到提高的加固方法。

桿件加固法:指對屋架中強度不足的個別桿件進行加固的方法。

2.3.鋼梁加固

鋼梁遭受火災后承載力降低的加固,一般采用補焊鋼板的加大截面法。補焊鋼板后新舊結構共同作用,可按《鋼結構設計規范》進行鋼梁承載力復算。

2.4.鋼柱加固

受損鋼柱結固的方法主要有:外包混凝土加固法和增補型鋼加固法。

3.火災后砌體結構加固方法:

3.1. 表面燒傷層處理

受火災溫度作用,粉刷層受損呈現剝落、爆裂,因此處理方法為:先鏟除燒疏的砌筑砂漿;然后用壓力水沖洗,再用水泥砂漿加批蕩網找平。

3.2. 受損墻體加固

通常采用雙面鋼絲網夾板加固法,可提高受損墻體的抗壓和抗剪承載力。

3.3. 受損磚柱加固采用外包角鋼加固法或者加大截面法,加大截面法加固磚柱的一般做法是在磚柱的四周配置受壓縱向鋼筋,然后用水泥砂漿或混凝土包住磚柱四周,擴大磚柱的截面面積。

四.案例分析

下面通過案例,結合實際簡單闡述火災后結構的檢測及加固方法。

1.   案例一:

“江西鄱陽文廟廣場地下室火災加固工程”(我公司近兩年承建工程)

1.1. 工程概況:

鄱陽文廟購物廣場為框架剪力墻結構,原設計基準期限為50年,結構使用年限為50年;設計地震分組為第一組,抗震設防類別為丙類,屬A級高度鋼筋混凝土高層建筑、按6度抗震設防;風荷載:基本風壓按50年重現期的風壓值0.4Kn/㎡,地面粗糙度C類。該建筑物原設計總建筑面積為 3712.3m2 ,地下室梁、板、柱混凝土等級為C25,建筑物耐火等級為二級。建筑物于2005年建成投入使用 。

據調查地下室于 2007年11月17日下午6時 發生火災,火災持續兩小時。經我方實地勘察,地下室火災屬 A類火災,地下室過火面積達70%左右,地下室梁、板、柱遭受不同城程度的火災破壞,局部結構承載能力降低較多,嚴重的已失去承載能力。

1.2. 現場勘查情況:

該火災對建筑物構建造成的破壞是十分嚴重的。其中有14根如圖片組1所示的結構柱處于過火通道和可燃物比較多的位置,遭受了嚴重破壞,出現較大面積混凝土崩裂和露筋現象。

從圖片組2可以看出,火災現場處于過火通道和燃燒點的梁,也遭受不同程度的高溫破壞,多數出現混凝土崩裂和露筋現象。甚至個別梁還出現了較大的變形,導致上部結構發生豎向位移,在一層商鋪內樓梯處出現較大裂縫。

如圖片組3所示,受到過火區域和燃燒點高溫燒烤,板底大面積鋼筋保護層脫落,板底露筋現象十分嚴重,另外,由于板內溫度應力梯度和板體受高溫烘烤,板體混凝土產生膨脹,造成一樓商鋪內地面上拱和墻面產生較大裂縫。

由于受地下室火災造成底部結構構件膨脹變形和承載能力降低等因素的影響,整個結構也隨著部分結構構件的變形,產生了一些整體變形,這些變形從在圖片組4所示的一樓商鋪的樓梯下墻體、樓上住戶梁下墻體和整個結構的變形縫處很容易看出。

1.3. 結構受損程度評定:

根據結構受熱溫度、變形大小、裂縫分布及開展程度等,將混凝土構件的受損程度分為四個等級。

按照火災后檢測原則結合我們對現場的勘察,本次燃燒的燃燒點和過火通道處溫度在500~600℃之間;圖片組一、二所列構件應屬于三級損傷,其它處于過火通道邊緣或燃燒點邊緣的構件受損程度應分別屬于二級和一級損傷。

1.4. 加固方案:

對住宅樓下破壞嚴重的板拆除后重新澆筑。拆的過程中視梁的破壞情況,嚴重的拆除重新澆筑,達到強度后再進行粘鋼加固處理,不嚴重的采用干式外包鋼法進行加固(見圖一);

對受損較嚴重的承重柱采用軟體預應力技術措施進行加固(見圖二);

對受損次嚴重的承重柱采用干式外包鋼法進行加固(見圖三);

對受損次嚴重的梁、板采用粘貼纖維布法進行加固(見圖四);

對受損次嚴重的板采用對拉鋼板,形成暗梁法進行加固(見圖五);

對僅粉刷層破壞的柱、梁、板進行一般性恢復性修復。

圖一:梁的干式外包鋼法加固

圖二:柱的軟體預應力加固方案

圖三:柱的干式外包鋼法加固

圖四:板采用粘貼纖維布法

圖五:板加固采用鋼板對拉形成暗梁

2. 案例二:

“江西省南康市寶鼎山農貿市場火災加固工程”(我公司近兩年承建工程)

2.1. 工程概況:

該建筑東西長 65.24米 ,南北長 61.74米 ,建筑總高度 30.1米 ,建筑總面積約 22000平方米 ,共八層,其中一層為農貿市場,西北角約 280平方米 為二層超市入口,二層為超市,二層屋面(三層平臺)設有五個采光通風口及成“E”字形布置的四棟住宅,西面為A棟,自北向南分別為B、C、D棟,三層為雜物間,四~八層為住宅。一、二為框架結構,梁、柱混凝土強度為C30,板混凝土強度為C20,三-八層為磚混結構。

2008年2月6日 晚超市發生火災。據了解,該超市內存放有:五金家電、食品、糧油、蔬菜水果、服裝等。火災后由江西省贛建工程司法鑒定中心對建筑結構的受損和安全性進行了鑒定 ,加固設計是按照該鑒定的定量結果和甲方提供的原建筑結構設計圖紙,對建筑物的局部受損構件進行設計計算和加固處理。

2.2. 加固方案:

2.2.1 . 柱分別采用軟預應力和外包鋼加固;

2.2.2 . 梁分別采用外包鋼和粘碳纖維方法加固

2.2.3 . 板分別采用置換和粘貼碳纖維布法進行加固處理。

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