鋼結構廠房火災后的安全性鑒定及分析

田原，鄭開彬，蔣志軍，何世兵

（重慶市建筑科學研究院有限公司，重慶 400016）

0 引言

鋼結構由于具有自重輕、延性好、抗震性能優越、工業化程度高、施工便捷等優點，近年來發展十分迅速。然而鋼結構也具有其劣勢，其中最為關鍵的一點就是耐火性能差，隨溫度不斷升高，鋼材的屈服強度、彈性模量將迅速降低[1-2]。根據國內外研究表明，鋼材在升溫至400℃左右時，其屈服強度開始急劇下降直到800℃左右，800℃以后屈服強度平緩下降直到鋼材的熔點[3-4]。由于火災溫度場分布情況不同，通常會出現部分構件受火損傷但并未發生破壞的情況，因此對受火損傷的構件進行科學識別和安全性研究具有重大的理論及現實意義[5]。

1 火災現場情況調查及溫度場判定

對火災范圍的大致判定，往往可以通過觀察構件發生形變的位置、高度、面積等來進行。混凝土構件經歷火災后，其表面顏色以及密實度將發生明顯變化；對于鋼材構件，應重點觀察其表面涂層部分的顏色變化、防火涂層發生起泡、起屑、脫落等。火災的溫度區間則可以通過火災現場的殘留物來進行判定：經過一段時間的灼燒，如混凝土會伴隨溫度的提升發生顏色、密度上的改變；鋼材、鋁材等會發生明顯變形。當火場的溫度大約在200℃～250℃時，鋼材構件表面的涂層會被燒毀；300℃～350℃時，鋼材配件會發生翹邊和彎曲；700℃以上時，鋼材構件可能發生明顯的彎曲、扭曲變形[6-8]。

2 火災后對鋼結構的檢測及鑒定工作

2.1 現場檢測工作

首先，應調查建筑物的基本情況、房屋結構構造，明確鑒定的目標、內容、火災范圍；了解可燃物的特性，明確火災發生、撲滅以及持續燃燒的時間，燃燒的面積和涉及的高度、范圍等。現場對受火構件仔細觀察、記錄現場殘留物的外觀和狀態以及鋼結構構件的變形情況，通過上述信息大致判定火災現場溫度分布，初步推斷結構部件經受的最高溫度；檢測鋼結構變形情況、焊縫情況、鉚釘、螺栓等是否出現變形、松動、剪切和滑動的現象；在條件允許的情況下，對于受高溫影響嚴重構件、體現溫度場分布的典型構件進行局部取樣、力學性能試驗。

2.2 分析鑒定工作

根據文獻[9]中的相關規定，應對現場檢測結果進行初步鑒定以及詳細鑒定評級。在初步鑒定評級階段，根據鋼構件的涂裝與防火保護層損傷、殘余變形與撕裂狀態、局部屈曲和扭曲形態等參數對各個鋼構件進行評級。然后根據初步鑒定評級的結果以及規范中的要求，對其中初步鑒定評級為Ⅱa級以上的構件進行詳細鑒定。

詳細鑒定的內容主要分為兩大部分：受火鋼構件的材料特性和承載力。受火鋼構件的材料特性是指在實驗室對火災現場取樣試件進行力學性能試驗，得到受火后鋼材的屈服強度、極限強度、延伸率等；受火鋼構件的承載力是指借助受災后鋼結構材料力學性能、作用荷載和支承方式，計算當前鋼結構構件的殘余承載能力。通過驗算承載力與作用效應、結構重要性系數的比值，對比文獻[9]中的規定值來評定構件的詳細鑒定等級，最后根據詳細鑒定評級對相應構件采取處理措施。

3 工程案例

3.1 工程概況

某鋼結構廠房主體結構為單層門式剛架鋼結構，剛架為焊接Q345 “H” 型鋼，梁柱節點以及梁拼接采用高強螺栓連接，基礎為柱下獨立基礎，屋面、墻面采用 “C” 型鋼檁條以及彩鋼瓦。該廠房于2019年3月13日凌晨發生火災，火災持續約3h，外觀及受災區域見圖1—圖3。通過現場調查發現，受災區域四周均有彩鋼瓦圍護，H軸線有燒結磚實心墻隔斷，通風條件較差。大多數受災鋼材表面呈褐色，局部分呈淺灰黑色或黑色。受災嚴重區域鋼柱底部變形、扭曲，柱間支撐桿件燒毀，墻體、屋面檁條彎曲變形，屋面板下撓、破損，鋼梁未發生明顯彎曲變形，但表面涂層燒光，估計火災最高溫度在1000℃左右。

圖1 火災后廠房外觀情況

圖2 火災后廠房內部情況

圖3 受災區域結構平面布置圖及火場分布圖

根據現場燃燒殘留物燒損特征以及構件表面受損程度，將火災損傷區域主要分為以下四個區域，各區域含義及特征如下：

（1）A類區域：估計火災溫度在600℃～1000℃，混凝土呈灰白色-淺黃色，粉碎、脫落，部分鋼柱根處腹板、翼緣發生扭曲、屈曲；

（2）B類區域：估計火災溫度在300℃～600℃，構件表面防火涂層大部分脫落、燒光，油漆變黑脫落、燒光，未出現明顯彎曲變形；

（3）C類區域：估計火災溫度在100℃～300℃，構件表面油漆有裂紋或脫皮，鋼構件未出現彎曲變形；

（4）D類區域：估計火災溫度在100℃以下，構件表面涂層完好，未出現彎曲變形。

3.2 火災后現場情況

3.2.1 現場受損情況

現場檢查時，該廠房主體結構未發生倒塌，1-7軸/A-H軸受

（1）豎向鋼結構構件

對于鋼結構門式框架結構而言，鋼柱作為豎向軸心受壓構件，主要承受來自于上部結構及荷載作用下產生的軸向壓力。在此次火災過程中，大火起火、燃燒位置主要位于廠房地面，鋼柱地面端受到的溫度影響最大，鋼材所經歷的升溫最高，屈服強度和彈性模量下降的幅度最大。根據應力應變關系式鋼柱腹板及翼緣隨著彈性模量E下降，產生的應變ε不斷增大。當鋼材屈服強度降低到一定程度時，鋼柱腹板及翼緣發生屈曲現象，如圖4、圖 5所示。火災影響區域的結構構件均存在不同程度損傷，損傷程度最嚴重區域為3-4軸/C-E軸，較嚴重區域為1-2軸/C-E軸、5-6軸/C-E軸、1-3軸/A-B軸以及4-6軸/F-H軸；部分鋼架鋼梁鋼柱變形、扭曲，部分柱端混凝土墩臺脫落、粉碎，部分支撐桿件嚴重彎曲變形，部分墻體檁條彎曲變形，屋面板下撓、破損，檁條嚴重彎曲變形。

3.2.2 鋼結構構件災后狀況

圖4 3/D軸剛架柱腹板、翼緣屈曲

圖5 4/D軸剛架柱腹板、翼緣屈曲

（2）橫向鋼結構構件

工字梁作為鋼結構門式框架結構的主要橫向構件，承受屋面板結構自重以及屋面荷載作為均布荷載產生的彎矩。此次火災的起火、燃燒位置主要位于廠房地面，而該廠房凈空較高約14m，火災所產生的熱量和溫度效應傳遞到柱頂鋼梁高度時明顯減小。即便在溫度最高的區域，柱頂鋼梁也未發生明顯的下撓和變形，其主要原因：第一，廠房凈空較高，火場溫度效應在熱傳遞過程中減弱，鋼梁受到的溫度影響較小，鋼材材料屬性損失較小；第二，屋面板結構自重及屋面荷載較小，對鋼梁所產生的彎矩也較小，鋼梁不易發生變形。

然而，通過對比工字梁發現，屋面檁條發生了明顯的扭曲、下撓變形。主要原因是檁條采用的是薄壁冷彎C型鋼材，C型鋼檁條的屈服強度、截面面積都較小，承載能力比較低。在受到升溫作用后，C型鋼檁條更容易失去自身剛度，在屋面板自重和屋面荷載作用下發生扭曲、下撓變形，如圖6所示。

（3）連接處節點構件

圖6 屋面檁條發生扭曲、撓曲變形

通過現場檢測發現，A類、B類區域節點板涂層基本脫落，受災嚴重區域中部分高強螺栓已基本松脫，扭矩扳手無法正常讀數，部分節點板間間隙較大。這一現象的產生主要是由于相鄰兩根鋼梁受溫度影響后，構件發生下撓變形而導致鋼梁端部在節點處產生兩個相反方向的拉力。同時，摩擦型高強螺栓在受溫度影響后，其強度亦發生降低，螺栓桿內的擰緊預拉力下降，因此高強螺栓可能發生松動，從而使得節點板的板間間隙變大。

3.2.3 現場取樣及構件力學性能試驗

該廠房的主體結構構件在火災后降至常溫，其殘余力學性能是確定構件承載力的重要因素，也是評估結構損傷程度和過火后鋼材材料屬性研究的主要依據，對于鑒定結構的安全性以及制定加固方案有重要影響。現場選取部分具有火場溫度代表性的鋼柱腹板或翼緣進行切割，并送實驗室進行力學性能試驗，檢測結果如表1所示。

表1 火災后鋼結構材料力學性能試驗結果

從表1得知，受火災影響較嚴重區域，鋼柱的材料力學性能發生了較大的變化；而受火災影響較小的區域，鋼柱的材料力學性能幾乎與一般鋼材性能無異。過火溫度最高的鋼柱3/D和4/D，自然冷卻后的屈服強度只有250.47MPa和280.14MPa，為Q345鋼材屈服強度設計值的72.60%和81.23%；過火溫度較高的鋼柱1/D和6/D，自然冷卻后的屈服強度為351.89MPa和350.14MPa，相比Q345鋼材屈服強度設計值略有升高；過火溫度較低的7/D、5/H及4/A鋼柱，自然冷卻后的屈服強度與1/D和6/D相接近。

鋼柱3/D和4/D自然冷卻后的極限強度為418.77MPa和447.31MPa，為Q345鋼材極限強度設計值的89.12%和95.26%；1/D和6/D自然冷卻后的極限強度為460.94MPa和431.71MPa，為Q345鋼材極限強度設計值的98.07%和91.85%；過火溫度較低的7/D、5/H及4/A鋼柱，自然冷卻后的極限強度高于Q345鋼材極限強度設計值。

根據力學性能試驗的結果，可依據文獻[9]中詳細鑒定的方法，對各個構件的殘余承載力進行分析，并與相關規范進行對比，對各個受損構件進行詳細鑒定評級。

3.3 鑒定結果及分析

根據文獻[9]，該廠房火災后鋼結構構件的初步鑒定評級：Ⅱa級構件89件，Ⅱb級構件25件，Ⅲ級構件22件，Ⅳ級構件9件。火災后鋼結構連接的初步鑒定評級：A、B區域連接損傷等級為Ⅲ級，C區域連接損傷等級為IIb級，D區域連接損傷等級為IIa級。結合受火鋼構件的力學性能實驗結果和結構分析承載力驗算結果，火災后鋼構件詳細鑒定評級：c級構件2件，d級構件6件。

通過對部分過火構件力學性能試驗結果進行分析可知，雖然火災現場的最高過火溫度無法確定，但結合火場溫度分布情況可以發現：鋼材在過火溫度較低的情況下，其屈服強度和極限強度相比常溫下會略有升高；然而當過火溫度不斷上升到一定程度后，鋼材的屈服強度和極限強度開始發生降低，且隨著溫度越高降低幅度越大。

4 結語

鋼結構的耐火性能差，一旦發生火災容易造成生命和財產的損失，火災后鋼結構損傷識別、安全性鑒定以及過火后鋼材性能變化研究是目前建筑工程鑒定領域的新課題。而《火災后建筑結構鑒定標準》（CECS 252—2009）中關于鋼結構部分的鑒定內容還需細化和完善，火災后鋼結構構件的殘余承載力計算還要深入研究。火災后鋼結構的修復、加固措施都依賴于對鋼結構構件的檢測和鑒定。如何將檢測、鑒定結果與合理、有效的加固措施進行聯系，如何加強鋼結構構件材料的耐火性，都是建筑科研人員和工程施工人員需要深入探討的課題。