淺析鋼筋混凝土結構的損傷鑒定和加固修復

裴宇 胡森寅 張瑞祺

摘要：針對鋼筋混凝土結構的特征，從火災檢測、鑒定的實踐出發(fā)，闡述了鋼筋混凝土結構火災后的特征和破壞機理，并介紹了該結構火災后檢測、鑒定的一般程序，并提出了火災后混凝土構件的基本加固方法，以指導火災后鋼筋混凝土結構修復工作。

關鍵詞：火災；混凝土結構；損傷評定；加固修復

前言：據統(tǒng)計，世界發(fā)達的國家每年的火災損失額多達幾億甚至十幾億元，占國民經濟總產值的0.2%-0.3%。隨著世界經濟的不斷發(fā)展，世界各國的工業(yè)化、城市化進程不斷加快，各類誘發(fā)火災的因素不斷增加，火災發(fā)生率、死亡率呈明顯上升趨勢。據公安部消防局統(tǒng)計，我國每年發(fā)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(fā)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，因此合理評估火災后鋼筋混凝土結構的損傷程度，并提出經濟、適用而又能滿足使用要求的加固方法，是十分必要的。

一、火災后現(xiàn)場數據收集

由于發(fā)生火災時著火的可燃物種類、數量各不相同，火災的燃燒條件也各異，火場溫度及其變化情況也就不相同；同樣各種結構因受火條件和受力條件不一樣，火災對結構的損傷也有輕有重，同一建筑物各處的受損程度也會不一樣。因此，火災對建筑物的損傷是復雜的，需要對火災現(xiàn)場進行細致的檢查，以便制定出安全且經濟的修復計劃。并且對事故原因進行調查，主要內容包括：火災發(fā)生的時間、地點、起火至熄滅總的燃燒時間；室內著火可燃物的種類、蔓延的數量和分布情況；火災蔓延途徑，是通過門窗、吊頂、耐火性差的內隔墻，還是通過樓梯間等容易突破部位；燃燒條件，包括當時風力、風向、氣溫等氣候條件。火災現(xiàn)場構件的變形、倒塌情況；混凝土表面的顏色變化、爆裂面積大小、深度和位置；混凝土構件的裂縫長度、寬度和分布；鋼筋的變形、露筋部位及長度；繪出建筑物受損、破壞的分布圖，并拍照或錄像。建筑物的平、立、剖面圖；竣工時間、過去火災史混凝土的種類，所使用的材料性能、配合比，設計強度，鋼筋種類、配筋圖；建筑物竣工圖、施工記錄等都作詳細記錄。

二、筋和混凝土的受損分析

災后，混凝上的組成材料和內部結構都會發(fā)生變化，其強度損失主要取決于受火溫度的高低、受火作用的時間和冷卻方式。試驗表明，當受火溫度低于400℃時，無論是噴水冷卻還是自然冷卻，混凝土強度均沒有明顯的降低；當溫度超過400℃后，水泥石的晶架結構破壞嚴重，混凝土的強度開始顯著下降，在這個過程中，噴水冷卻的混凝土強度比自然冷卻的混凝上強度下降更多。主要是因為Ca（OH）2在400～600℃之間脫水，產生水蒸汽，集料中CaCO3在900～1000℃分解，產生CaO和CO2，由于CO2和水蒸氣要從內部向外逸出，會使混凝土內部產生很大壓力，因此會導致混凝土爆裂；另外，火災中的混凝土結構如果噴水，其表面會突然冷卻，導致混凝土內部與表面溫差過大，進一步加劇混凝土的爆裂程度。

火災后鋼筋的極限強度、屈服強度、彈性模量等都隨著溫度的升高而降低。普通鋼筋在200℃時開始膨脹，抗拉強度也隨之下降，當溫度到達600～700℃時，鋼筋內部結構發(fā)生變化，導致強度和彈性模量降低程度非常嚴重。火災后預應力鋼筋比非預應力鋼筋強度下降要快，可以根據火災溫度和鋼筋保護層厚度、構件內主筋、鋼絲的折減系數來確定其強度；也可以截構件內的鋼筋、鋼絲進行力學性能試驗來判定其強度，還可以根據暴露在火場中的日用品鋼材的力學性能變化來確定鋼筋強度變化。

建筑物的梁、柱等承重部分，是靠鋼筋和混凝土共同作用來完成的，通常情況下，鋼筋、混凝土是一個完整的整體，它們之間主要靠鋼筋與混凝土之間的摩擦力、鋼筋表面與水泥膠體的膠結力、混凝上和鋼筋的機械咬合力組成。中南大學防災科學與安全技術研究所通過試驗發(fā)現(xiàn)：火災后鋼筋和混凝土的粘結力變化取決于溫度的高低、鋼筋的種類、混凝土骨料的種類以及冷卻的方式等條件。溫度越高，粘結力降低越大；圓鋼比螺紋鋼筋粘結力損失大；火災后，石灰石骨料比花崗石骨料損失大；噴水冷卻比自然冷卻粘結力損失大。通過試驗還發(fā)現(xiàn)：隨著溫度的升高，混凝上的彈性模量逐漸下降，剛度不斷降低；當溫度達到700℃時，彈性模量幾乎為零。

對建筑結構物火災后受損程度給予正確評價是修復加固的前提。根據結構受災溫度、變形大小、裂縫分布及擴展程度等，將混凝土構件的受損程度大致分為輕度損傷、中度損傷、嚴重損傷、危險結構。

三、火災后損傷混凝土結構的加固

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。

（一）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。

3.將計算結果按加固后的實際承載力驗算截面承載力。

（二）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(xiàn)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(xiàn)場確認等工作應由技術鑒定人員、加固設計人員會同監(jiān)理、施工人員共同完成，這樣做可隨時監(jiān)測檢查原有結構及構件的性能，及時發(fā)現(xiàn)和處理各種隱患。

結語

雖然，火災通常會對鋼筋混凝土結構造成較大的損害，但一般通過修復加固，還是可以繼續(xù)使用的，只有在很少情況下，拆除重建才比較經濟。因此，對于火災后的鋼筋混凝土構件和結構，通過現(xiàn)場檢測、少量試驗以及必要的計算分析，綜合評估其剩余力學性能（承載能力、剛度、抗震性能等），對構件和結構的損傷程度做出合理的評價，進而制定出相應修復策略并采取具體的加固措施。

參考文獻：

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