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建筑火灾后检测分析及加固设计

渤东博建筑医学骨科,火灾后结构处理专业企业。火灾后结构损失属急聚温度应力破坏形态,与构件所处燃烧时间、可燃物性质、空间密闭程度、火路走向等有一定关系。单凭检测报告及计算分析,仅在办公室里闭门造车,是不能完善加固方案的。现场的对照检测评定及现场设计方案尤为重要,马虎不得。渤东博检测设计小组,可以在配合条件下完成本次加固设计方案。

1.方案原则:

方案原则一:确定弯曲变形构件,所采取加固方法有——1. 置换法;2. 改变构件自由长度;3. 增大杆件断面;4. 架设剪刀撑;5. 增设阻尼器。

方案原则二:烧伤(混凝土表面呈粉红色)胀裂无蚀表面现象,杆件变形在可控范围内的杆件,其加固工艺措施为——置换混凝土,清洁剪力销及型钢表面,喷涂二氧化硅粉沫,在温度环境下FRP纤维补强。

方案原则三:设定温度应力影响区域,检测确定单体构件在允许变形范围内的情况下,采用的加固方案定义为——加强节点,置定节点,改变原有受力分配形式,例如:增设拉杆体系、FRP复合纤维补强、补充局部荷载等。

方案原则四:1. 如需置换轴向受压构件,施工程序宜严谨,工期会延长,应尽量避免多组受压构件同期、同域置换;2. 卸荷措施应考虑周临构件的加强,加固方案应尽量减少焊接工程量,防止结构出现第三应力状态;3. 呆板而严肃的计算模式,在火灾后结构方案的确定中,仅能作为核对参考依据不可全凭,火灾后复杂的结构应力体系已经诞生,恢复原结构应力体系那是绝对不可能的,但在现有状态下进行结构调整后,完善原有使用功能自是当然的。

2. 针对分析:

●据相关报道,大火由烟花引起自上而下,而外部玻璃幕墙在大火下很快就会达到耐火极限而向下脱落加速火势。所以,有可能大火只是在外部火势很大,而在建筑物里面的一些部位积火时间很短,对结构造成的损失较小。

●由于建筑还处在装修的收尾阶段,在结构内部有可能堆积大量的可燃性装修材料,甚至电缆和电线。在这些部位积火时间势必较长,对结构造成的损失较大。

●根据以上对本次火灾的简单分析,我们暂且把结构分为两种情况,分别进行加固设计。

●情况一:积火时间长,对结构造成的损失较大。在这种情况下,包在混凝土里面的型钢肯定受到了影响,除本身强度降低外,它和混凝土之间剪切应力也会减弱,主要力学性能受到影响。这时需现场取样,到实验室分别做型钢本身的承载力强度试验,及型钢和混凝土之间剪切应力强度的实验。如这两个指标比原设计值降低较小,我们将采取“软预应力”法进行包钢加固;如这两个指标比原设计值降低较大,则必须更换型钢重新浇筑混凝土。

“软预应力”法示意

●对于火灾后梁板等受拉构件可采用FRP-纤维增强复合材料、包钢等方法,还可采用如下图所示钢绞线方法加固处理: 

●情况二:积火时间短,对结构造成的损失较小。在这种情况下,包在混凝土里面的型钢受到的影响很小,它和混凝土之间的剪切应力也不会改变,即主要力学性能未受影响。而在火灾时因内外温差较大、水分气化、及箍筋与混凝土粘结强度下降等原因,混凝土表面涨裂或沿箍筋方向产生裂缝;再者由于高压冷水灭火,温度急剧变化也会使混凝土爆裂强度下降。对于这种情况,我们采用粘贴FRP-纤维增强复合材料进行处理。混凝土损坏较严重的,先剔除损坏的混凝土修补后,采用干式包钢法加固。

FRP材料加固示意
干式包钢法示意
 
● 对于火灾后梁板等受拉构件,可参考情况一中的处理方式。

后面附有我们针对火灾对建筑物影响的一些思考,及我公司近两年火灾加固工程的案例分析,敬请浏览。

在各种灾害中,火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害。而建筑火灾约一般要占火灾总数的60%左右,就此类火灾而言。建筑结构均遭到不同程度的损害,有的需要简单修复或需要进行加固,有的则需要拆掉重建。本文粗浅的介绍建筑结构火灾后的检测分析与加固方法。

一.火灾对建筑结构破坏的基本原理

下面分别就混凝土结构、砖混结构、钢结构以及其他结构形式的破坏原理作简单分析

1. 混凝土结构火灾破坏原理:混凝土是以水泥为胶凝材料,加粗骨料(石子)、细骨料(砂)、掺和料、外加剂等用水拌和,硬化而成的人工石。它在火作用下的机理可归纳为以下三个方面:第一,表面受火处温度升高比内部快,内外温差引起混凝土开裂。火灾时,混凝土中各种水分迅速汽化,体积明显膨胀,冲破障碍迅速逃逸,导致强度下降;第二,混凝土强度随时间的增长主要取决于凝胶的收缩,凝胶在常温下脱水是正常的,而在500 ℃以上大量急剧脱水,则产生明显的破坏作用,它使水泥石密度降低,从而强度下降。出现的不连贯的微裂缝迅速扩展并连续起来,形成大裂缝,造成混凝土的宏观破坏。第三,火灾产生的高温会导致钢筋与混凝土间的粘结强度的下降,两者之间的极限滑移的增加。也将使钢筋混凝土构件的承载能力的下降。

2. 砖混结构火灾破坏原理:火灾对砖混结构的作用由砖块材质和砂浆性能决定,水泥砂浆的弹性模量比砖的弹性模量小,热膨胀比砖大,因而在高温受压时产生比砖块更大的横向变形。

3. 钢结构火灾破坏原理:普通建筑用钢在全负荷的情况下失去静态平衡稳定的临界温度是 540℃ 左右。一般在300 -400℃ 时其强度便开始下降。现在的纯钢结构建筑都涂有防火涂料,但防火涂料也只能保证其在2-3个小时不失去平衡稳定性。所以说钢结构是十分怕火的,除精密检测后认为可经加固处理仍能保障安全外,就算是小范围局部失火最好也要更换钢构件才能保障安全。

4. 组合结构火灾破坏原理:对于组合结构如型钢混凝土结构及钢管混凝土结构,这两种结构都有混凝土参与受力,且经试验得到其抗火性也更接近混凝土结构,故它们的加固方法可参考混凝土结构进行。

二.火灾后的检测

建筑物遭受火灾后,除查明起火原因外,首先必须对建筑物的受损程序进行详细检查。弄清火灾规模的大小和范围,建筑物受损部位和受损程度,根据火场各处温度,分析失火时和失火后结构的状况,对结构受损程度提出正确评估,以便确定建筑物的修复加固方案。鉴定检测工作必须尽可能多的调查、实测资料,以便对结构的现状作出较客观的判断。鉴定工作包括资料收集、现状的检测等。

1. 资料的收集:即对建筑物的情况详细地进行调查,包括建筑结构图纸、建造年代、上部结构概况、基础结构及地质资料、荷载状况、施工概况等。

2. 现场部分主要检测项目列举:

项目描述

仪器及操作图片

楼板厚度无损检测

 

钻心取样检测

 

拉拔试验

 

混凝土强度回弹检查

 

钢筋间距确定

 

3.    高温下混凝土颜色表现

混凝土温度

300℃

600℃

600℃ 以上

颜色表现

粉色,表面裂分缝

红色,表面裂缝

浅黄色,混凝土剥落钢筋外露

4. 混凝土温度与抗压强度残存率

温度℃

100

200

300

400

500

600

700

残存率

95~100%

80~92%

69~82%

50~72%

23~57%

37%

18%

5. 钢结构火灾温度浅析

大火温度在200~250℃时,钢结构表面油漆涂装层被烧坏;火灾温度在300~500℃时,引起钢构件翘曲;铝材熔化温度大致在300~500℃之间;玻璃软化温度在 700℃ 左右,熔化温度大致在800~850℃。

三.火灾后结构的加固方法

  加固原则:根据结构的检测报告,充分发挥火灾后构件剩余承载能力 ,尽量多地保留原结构 ,尽量减少拆除工程 ,尽量减少上层结构加固改建重量 ,以减少地基基础附加应力 ,同时还应考虑了施工的方便及可操作性。结合现场构件烧损程度、剩余承载能力计算结果及构件重要性 ,分别采用不同的加固方案。加固的施工应采取确保质量和安全的有效措施,并应遵照有关规范进行施工和验收。

1. 火灾后混凝土结构的加固方法:

1.1. 增大截面法

用同种材料增大构件截面面积的一种传统的加固方法。它不仅可以提高被加固构件的承载能力,而且还可加大其截面刚度,改变其自振频率,使正常使用要求的性能也可以在某种程度上得到改善。

1.2. “软预应力”加固法

此方法为我公司特有技术。引入微膨胀系数在3‰以上的灌浆料,对原有强度不足部分的轴向受压柱,及短肢剪力墙实施“软预应力”措施,提高新旧构件的协作能力。

1.3. 粘钢加固法

粘钢加固法是用结构胶把钢板粘贴在构件外部以提高结构承载力的一种加固方法。常用的胶粘剂是以环氧树脂为主配成的。这种加固方法的优点是加固后几乎不改变结构的外形和使用空间,却能提高结构构件的承载力和正常使用阶段的性能,施工简单、快速,对生产和生活影响小。由于混凝土受火烧伤,表面疏松,与钢板结合后,强度特别低,为此受火后混凝土的表面均以凿毛处理为宜,这样强度高而且稳定。

1.4. 置换法

就是直接用同种材料代替受灾后不能满足使用要求的材料,对于火灾后变形严重或者根本无法加固或者没有必要加固的构件,可以采用置换法。如火灾中的楼板,特别是预应力楼板一般受损比较严重,可以采用置换法加固。

1.5. 绕丝法

用于混凝土梁受火灾后斜截面破坏严重的情况。先把保护层凿去,采用退火处理后的钢丝竖向或斜向缠绕,固定后用钢楔顶紧,以便产生少量预应力,迫使钢丝更快地参加工作,再用高强度高等级细石混凝土浇补至原截面尺寸。用绕丝法加固后,梁具有更好地约束斜裂缝和变形能力,并提高强度。

1.6. 喷射混凝土加固法

其在工艺、材料及结构性能方面与普通现浇混凝土相比有许多优点。如,喷射混凝土施工不需要模板、混凝土的浇筑与振捣合二为一,因此特别适用于火灾后混凝土补强。喷射混凝土加固法对火灾后爆裂、露筋楼板的修复加固是最合适的。若火灾后楼板钢筋的强度损失较大,则需要用预应力方法加固,采取喷射混凝土恢复原截面尺寸时以作预应力筋的保护层。

1.7. 碳纤维材料加固法

与传统加固维修方法相比,碳纤维材料加固修补混凝土具有明显的技术优势。主要有:高强高效;施工便捷,工效高,没有湿作业,不需要大型施工机具,施工占用场地少;具有极佳的耐腐蚀性能及耐久性能;施工质量易于保证;质量轻而且薄,加固维修后基本上不增加原结构自重及原结构尺寸。

2. 火灾后钢结构加固方法:

首先进行结构变形的恢复,然后进行钢结构残余承载力计算,对承载力不足部分进行加固。

2.1. 结构变形的恢复步骤:

2.1.1. 测定结构变形量,确定复原程度。

2.1.2. 确定千斤顶作用位置及千斤顶数量。

2.1.3. 安装千斤顶,将钢结构变形顶升复位。

2.1.4. 进行承载力加固,结束后再才拆除千斤顶。

2.2.钢屋架加固

体系加固法:指设法把墙体或屋架与其他构件连系起来,或增设屋架支点,以形成一个空间的,或连续的,或混合型的结构承重体系,达到提高屋架承载力的目的。

整体加固法:通过增设加固构件,使屋架自身承载力得到提高的加固方法。

杆件加固法:指对屋架中强度不足的个别杆件进行加固的方法。

2.3.钢梁加固

钢梁遭受火灾后承载力降低的加固,一般采用补焊钢板的加大截面法。补焊钢板后新旧结构共同作用,可按《钢结构设计规范》进行钢梁承载力复算。

2.4.钢柱加固

受损钢柱结固的方法主要有:外包混凝土加固法和增补型钢加固法。

3.火灾后砌体结构加固方法:

3.1. 表面烧伤层处理

受火灾温度作用,粉刷层受损呈现剥落、爆裂,因此处理方法为:先铲除烧疏的砌筑砂浆;然后用压力水冲洗,再用水泥砂浆加批荡网找平。

3.2. 受损墙体加固

通常采用双面钢丝网夹板加固法,可提高受损墙体的抗压和抗剪承载力。

3.3. 受损砖柱加固采用外包角钢加固法或者加大截面法,加大截面法加固砖柱的一般做法是在砖柱的四周配置受压纵向钢筋,然后用水泥砂浆或混凝土包住砖柱四周,扩大砖柱的截面面积。

四.案例分析

下面通过案例,结合实际简单阐述火灾后结构的检测及加固方法。

1.   案例一:

“江西鄱阳文庙广场地下室火灾加固工程”(我公司近两年承建工程)

1.1. 工程概况:

鄱阳文庙购物广场为框架剪力墙结构,原设计基准期限为50年,结构使用年限为50年;设计地震分组为第一组,抗震设防类别为丙类,属A级高度钢筋混凝土高层建筑、按6度抗震设防;风荷载:基本风压按50年重现期的风压值0.4Kn/㎡,地面粗糙度C类。该建筑物原设计总建筑面积为 3712.3m2 ,地下室梁、板、柱混凝土等级为C25,建筑物耐火等级为二级。建筑物于2005年建成投入使用 。

据调查地下室于 2007年11月17日下午6时 发生火灾,火灾持续两小时。经我方实地勘察,地下室火灾属 A类火灾,地下室过火面积达70%左右,地下室梁、板、柱遭受不同城程度的火灾破坏,局部结构承载能力降低较多,严重的已失去承载能力。

1.2. 现场勘查情况:

该火灾对建筑物构建造成的破坏是十分严重的。其中有14根如图片组1所示的结构柱处于过火通道和可燃物比较多的位置,遭受了严重破坏,出现较大面积混凝土崩裂和露筋现象。

从图片组2可以看出,火灾现场处于过火通道和燃烧点的梁,也遭受不同程度的高温破坏,多数出现混凝土崩裂和露筋现象。甚至个别梁还出现了较大的变形,导致上部结构发生竖向位移,在一层商铺内楼梯处出现较大裂缝。

如图片组3所示,受到过火区域和燃烧点高温烧烤,板底大面积钢筋保护层脱落,板底露筋现象十分严重,另外,由于板内温度应力梯度和板体受高温烘烤,板体混凝土产生膨胀,造成一楼商铺内地面上拱和墙面产生较大裂缝。

由于受地下室火灾造成底部结构构件膨胀变形和承载能力降低等因素的影响,整个结构也随着部分结构构件的变形,产生了一些整体变形,这些变形从在图片组4所示的一楼商铺的楼梯下墙体、楼上住户梁下墙体和整个结构的变形缝处很容易看出。

1.3. 结构受损程度评定:

根据结构受热温度、变形大小、裂缝分布及开展程度等,将混凝土构件的受损程度分为四个等级。

按照火灾后检测原则结合我们对现场的勘察,本次燃烧的燃烧点和过火通道处温度在500~600℃之间;图片组一、二所列构件应属于三级损伤,其它处于过火通道边缘或燃烧点边缘的构件受损程度应分别属于二级和一级损伤。

1.4. 加固方案:

对住宅楼下破坏严重的板拆除后重新浇筑。拆的过程中视梁的破坏情况,严重的拆除重新浇筑,达到强度后再进行粘钢加固处理,不严重的采用干式外包钢法进行加固(见图一);

对受损较严重的承重柱采用软体预应力技术措施进行加固(见图二);

对受损次严重的承重柱采用干式外包钢法进行加固(见图三);

对受损次严重的梁、板采用粘贴纤维布法进行加固(见图四);

对受损次严重的板采用对拉钢板,形成暗梁法进行加固(见图五);

对仅粉刷层破坏的柱、梁、板进行一般性恢复性修复。

图一:梁的干式外包钢法加固

图二:柱的软体预应力加固方案

图三:柱的干式外包钢法加固

图四:板采用粘贴纤维布法

图五:板加固采用钢板对拉形成暗梁

2. 案例二:

“江西省南康市宝鼎山农贸市场火灾加固工程”(我公司近两年承建工程)

2.1. 工程概况:

该建筑东西长 65.24米 ,南北长 61.74米 ,建筑总高度 30.1米 ,建筑总面积约 22000平方米 ,共八层,其中一层为农贸市场,西北角约 280平方米 为二层超市入口,二层为超市,二层屋面(三层平台)设有五个采光通风口及成“E”字形布置的四栋住宅,西面为A栋,自北向南分别为B、C、D栋,三层为杂物间,四~八层为住宅。一、二为框架结构,梁、柱混凝土强度为C30,板混凝土强度为C20,三-八层为砖混结构。

2008年2月6日 晚超市发生火灾。据了解,该超市内存放有:五金家电、食品、粮油、蔬菜水果、服装等。火灾后由江西省赣建工程司法鉴定中心对建筑结构的受损和安全性进行了鉴定 ,加固设计是按照该鉴定的定量结果和甲方提供的原建筑结构设计图纸,对建筑物的局部受损构件进行设计计算和加固处理。

2.2. 加固方案:

2.2.1 . 柱分别采用软预应力和外包钢加固;

2.2.2 . 梁分别采用外包钢和粘碳纤维方法加固

2.2.3 . 板分别采用置换和粘贴碳纤维布法进行加固处理。

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