火災后混凝土結構的加固

鄧永旗，吳全成，蘇彥忠

1 河南省建筑科學研究院有限公司（450053） 2 駐馬店市建設工程質量監督站（463000）

隨著社會經濟的發展、城市人口的集中化，以及人民對居室美觀和舒適的不斷追求,導致發生火災的因素也隨之增加，火災的規模和頻率也在日趨擴大。據不完全統計，我國每年發生約20萬起火災。城市建筑物火災占總火災的2/3以上,我國每年由于建筑物火災造成的人員傷亡和財產損失非常巨大,1971年～2002年的30多年中,全國共發生火災217萬余起，死亡近10萬人，直接經濟損失達187億余元。火災后的建筑物是否還有修復價值以及如何修復,是災后人們最關注的問題，而我國目前建筑物多采用鋼筋混凝土結構，因此合理地選擇鋼筋混凝土結構的加固方法就顯得非常重要了。

1 火災后混凝土結構的加固

鋼筋混凝土結構的修復方法很多,應根據各種結構的特點及火災損傷程度，因地制宜地提出合適的修復方法。總的原則是:鏟除嚴重損傷的混凝土，修補孔洞和缺損，按照等強原則進行構件加固，以保證構件原有承載力;為使加固獲得更好的效果，加固前應盡量使構件卸除荷載。

1.1 結構受損后的修復方案

對僅有粉刷層輕度破壞的構件,只須將表面粉刷層或表面污物清理干凈，重新進行粉刷裝修即可。

而對中度損傷的構件，按下列步驟進行修復:①進行表面清理:將燒松散的混凝土除掉，將存留的混凝土表面清理干凈；填補同等級混凝土，做成完好表面，以保證鋼筋不受銹蝕。②進行灌縫:對混凝土表面的細小裂縫，可采用水泥素漿，或以環氧樹脂為基本組分的膠結料來灌縫，水泥最好選用膨脹水泥或自應力水泥。灌縫方法的選擇取決于裂縫寬度和深度。對深度和寬度分別不大于50mm和0.3mm的裂縫，可用平面式注漿機灌縫;對較深裂縫，將開口兩側鑿成V形再灌縫。③驗算構件剩余承載力，最后進行外部裝修，將裂縫、孔洞、缺損修補好后，外部應抹灰，使構件滿足外觀要求。

對于嚴重損傷的構件，因其承載力有所下降，需要根據剩余承載力計算結果，按等強原則進行加固設計，施工時須采取有效措施保證質量。

對于危險構件，應予拆除，并另行更換新構件。

1.2 加固的設計

1）計算結構剩余承載力根據受損后測定出的截面幾何參數、材料剩余強度等確定。

2）加固量的計算結構加固后的承載能力應滿足R≥roS,其中R包括彎矩、軸力、剪力，ro是結構重要性系數，S是被加固構件的荷載效應組合設計值。

3）加固截面設計根據加固量、初選的截面尺寸、材料強度估算加固所需配筋量。

4）將計算結果按加固后的實際承載力驗算截面承載力。

1.3 修復加固的施工

修復加固的施工必須在技術鑒定及修復加固設計人員的指導下完成。因為火災對工程結構的損傷是不均勻的，即使同一構件不同部位受火災損傷的程度也是不同的,只有技術鑒定及修復加固設計人員現場指導,方能有效保證修復加固設計的內容落實到每一構件及構件的每一部位。在對燒傷層進行清除時，要對裂縫逐一進行檢查確認，確定其剔鑿深度；對嚴重受損板的現場確認等工作應由技術鑒定人員、加固設計人員會同監理、施工人員共同完成，這樣做可隨時監測檢查原有結構及構件的性能,及時發現和處理各種隱患。

建筑結構火災后的修復加固設計要比普通工程加固處理復雜得多,尤其是加固的施工質量乃是修復加固設計成敗的關鍵,而施工期間保證受損結構的安全性及穩定性更是設計關注的焦點。為了使構件處于卸荷狀態加固，要求主梁及次梁底需設置支撐，支撐必須從底層直至頂層。鏟除原梁、柱、板粉刷面層時，必須從頂層開始逐層向下。構件的加固從底層開始，然后逐層向上。每層構件的加固施工順序為先加固柱，然后框架梁、而后次梁，最后澆搗樓層疊合層。

2 某工程火災后混凝土加固實例

2.1 工程概述

南陽市某酒家為混合結構，一、二層為鋼筋混凝土框架結構，作為商業門面用房。三～七層為住宅。樓板均采用混凝土預制空心樓板，住宅砌體采用MU15磚和M10砂漿砌筑，底部兩層框架混凝土強度為C30。

該樓與1989年6月竣工，使用中將二層設為歌舞廳，于2000年9月20日凌晨5:30分發生火災，火災開始于該樓層前部，然后迅速蔓延至全樓層后半部分，并將部分玻璃和鋁合金窗熔化，但并未引起三樓室內燃燒，大火燃燒時間為80分鐘，直至6:50分火勢得到控制。

2.2 結構受損與分析

因燃燒發生在第二層，故三層的樓面梁、板和二層的柱損傷十分明顯。柱上抹灰層普遍開裂、脫落，部分柱的混凝土保護層出現龜裂，個別柱燒傷深度達50mm。三層梁底保護層普遍酥裂，梁底部位損傷最為嚴重，梁側面燒酥程度較底部輕，但出現大面積龜裂和裂縫，剝開裂縫發現少數裂縫深入梁核心混凝土,個別梁燒傷十分嚴重，其剛度明顯降低。二層樓板普遍完好,三層樓板的板底混凝土普遍燒酥且大面積脫落，大部分空心板孔洞外露，空心板的預應力鋼筋也出現大面積外露、松弛現象，使空心板喪失了承載能力。從火燒作用的范圍來看,二層樓板幾乎無損傷，二層柱由下而上，損傷逐步加重，三層梁比第二層柱嚴重，三層預制板比該樓層樓面梁嚴重，梁柱的棱角部位比平面部位嚴重，梁柱自表面向里損傷逐漸減輕。其主要原因是不同構件接觸火苗的部位不同、受火面大小不同和構件自身的薄厚不同。三層樓板的損傷比框架梁柱的損傷嚴重得多,主要原因是火災時鋼筋混凝土空心板直接承受火荷載,而且板的厚度比較小,其鋼筋混凝土保護層也比較小。所以鋼筋混凝土空心板是火災最薄弱的環節。火災時，鋼筋混凝土空心板中鋼筋受高溫作用而強度降低,鋼筋與混凝土之間的粘接力完全失效，從而使板的截面抵抗矩降低，板的剛度下降，饒度增加，裂縫增多，進而導致板的完全破壞。

對住宅部分各層墻體檢查時發現,三層和四層因火災而引起的裂縫較多，尤其是三層更顯著，大多數裂縫都貫穿墻體兩面。最大裂縫達2.0mm，裂縫走勢和分布無規律可循，但水平向裂縫很少，門窗洞口一般均出現裂縫。由于外墻被直接從二層竄出的火苗燒烤，其變形較內墻較快且大，其裂縫也比內墻多。四層墻體裂縫只有個別大于0.5mm。隨著樓層的增加，溫度影響越來越小，墻體裂縫也逐漸減少。

按照《鉆芯法檢測混凝土強度技術規程》CECS03:88的要求,取與梁柱混凝土澆筑方向垂直的方向，鉆取混凝土芯樣，經過加工，剔除芯樣燒傷部分后，試壓發現:框架梁的混凝土立方抗壓強度為21～22.8MPa，框架柱的混凝土立方抗壓強度為22.7～34.5MPa，兩者均不能達到原設計的安全度。根據以上檢測結果，進行房屋安全分析后，確定對該房屋進行加固處理。

2.3 結構加固方案

加固設計目的和原則:使結構功能恢復至原設計要求,保證其在設計使用年限內安全、可靠。

1）安全可靠、簡單易行、經濟合理。

2）充分發揮火災后構件剩余承載力，盡量多地保留原結構，盡量減少拆除工程及結構加固修復新增的荷載，同時考慮施工的方便及可操作性。

3）針對構件燒損程度、構件重要性，分別采取不同的加固修復方案。

火災僅限于二層,但結構損傷最嚴重部位是三層樓面梁、樓面板和二層柱,故結構加固方案也主要是針對這些受損傷的部位制定。加固的總體思路是:首先對三層樓面梁采用鋼管支撐以排除險情，三層樓板由于損傷過于嚴重，決定予以拆除，重新澆筑混凝土板，三層梁采用外粘鋼板進行加固，二層柱敲除表面抹灰，采用外包鋼加固后，重新進行粉刷。

2.3.1 鋼管支撐

采用直徑為219mm的鋼管對三層樓面梁進行支護。每根梁設置兩根鋼管支護，鋼管應上下對齊，兩端采用鋼板封閉，下墊250mm×250mm的方木。由于火災時樓面梁剛度降低，在荷載作用下已明顯撓曲,應采用千斤頂給梁反向加荷卸載。千斤頂的頂升荷載根據現場梁上荷載確定,使其頂升位移滿足卸荷要求。

鋼管支護的主要目的，是由于該工程火災損傷較重，需要及時排出險情，同時又能給三層樓面梁柱卸荷，有利于結構加固。火災使梁柱混凝土內部出現微裂縫，這些微裂縫將逐漸發展與梁柱的應力水平有關，應力水平越高，其發展速度越快，反之越慢。通過鋼管的頂升作用，可使梁柱的應力水平降至最低,從而最大限度地阻止了梁柱微裂縫的繼續發展。

2.3.2 混凝土柱加固

由于柱表面已經受損，部分柱的燒傷深度較大，柱截面消弱較大，故采用外包鋼進行加固。

該方法在新增加柱截面的部分提高柱承載力的同時，還因為新增鋼板箍的橫向約束作用,使原混凝土柱處于良好的三向應力狀態，因而可以大幅度的提高柱的承載力。

2.3.3 混凝土梁加固

梁側面和梁底損傷較為嚴重，強度降低較大，采用外粘鋼板進行加固。

該方法將鋼板粘貼于被加固的鋼筋混凝土梁受力部位，不僅能保證混凝土和鋼板作為一個新的整體共同受力，而且能最充分地發揮粘鋼構件的抗彎、抗剪和抗壓的性能。

由于混凝土面受火災后產生不同程度的疏松、剝落，應將其鑿除后才能進行補強。鑿除受損混凝土后，混凝土表面凹凸不平，可用環氧膠泥砂漿對其表面進行找平，其后才能對其進行粘鋼加固處理。

2.3.4 混凝土板加固

三層樓板是損傷最為嚴重的構件,其表面混凝土大面積脫落，鋼筋裸露，部分鋼筋已斷裂，故決定拆除原預制混凝土空心板，整澆筑鋼筋混凝土板。且該層是框架與磚混部分之間的轉換層，整體現澆對房屋的剛度是有利的。

2.3.5 構件裂縫處理

經過火災作用的混凝土突然遇到冷水作用而使混凝土面產生大面積的龜裂紋,大部分裂縫寬度僅為0.3mm左右，且大部分在混凝土梁上，為避免鋼筋銹蝕，先用裂縫密封膠對其進行密封。對于梁柱上的裂縫，應采用粘鋼補強，通過鋼板來封閉粘鋼部位加固構件的裂縫，約束混凝土的變形，從而有效地提高加固構件的強度、剛度和抗裂性。

通過上述方法對該房屋進行加固后,滿足了業主繼續使用該房屋的要求，同時大大縮短了該房屋恢復使用的時間，為業主節省了大量的工程費用及其他資金,取得了較好的經濟效益和社會效益。該房屋經加固后已經使用了十年多未出現任何問題。

3 結語

火災后混凝土結構的加固設計及加固施工是一項系統工程，要綜合考慮許多因素。設計人員要根據構件實際燒傷狀況隨時調整和改進原加固設計構造細節,進行現場加固施工技術指導，另外，還要處理和解決原結構施工中暴露出的質量問題及結構隱患,以確保今后主體承重骨架在使用期限內的安全性、適用性及耐久性的要求。施工人員必須深入現場，對每個加固構件和每道加固工序嚴格加強施工管理，以確保工程的質量。