高溫后裝配式框架梁柱節點的損傷檢測方法探討

趙廣輝，吳 磊，劉 佳，原義偉

（1.昆山市建設工程質量檢測中心，江蘇 昆山 215337；2.蘇州科技大學土木工程學院，江蘇 蘇州 215011；3.建研院檢測中心有限公司，北京 100013）

0 引言

火災后對預制裝配式框架架構進行快速的損傷檢測是進行損傷評估鑒定評級的重要基礎工作。楊斌等［1］引用鋼筋斷后伸長率為修正量優化了火災后鋼筋剩余強度計算公式，推導出檢測鋼筋剩余強度的簡化計算式，并對高溫冷卻后的鋼筋強度檢測試驗結果進行力學參數處理，得到試樣強度檢測計算式，提供了火災后鋼筋混凝土結構檢測鑒定可靠的鋼筋強度檢測方法。李哲［2］通過對混凝土柱損傷檢測得到，表觀檢查法、中性化深度法用于初步定性分析，燒失量法結合鉆芯法能準確定量地確定構件燒損深度。宋瑞明等［3］研究了火災后建筑結構的溫度場判定以及鋼筋和混凝土強度檢測方法。根據目前已有可知，火災后結構構件的損傷檢測只采取單一方法檢測出的損傷結果具有較大的誤差，極大影響損傷評估鑒定評級的精確性。在實際工程應用中往往采取綜合法進行相關損傷檢測。本文將總結已有梁柱連接節點受火溫度推定、高溫后節點混凝土損傷檢測、節點鋼筋及鋼筋與混凝土間粘結力的損傷檢測方法，提出高溫后預制裝配式框架梁柱連接節點損傷的綜合檢測方法。

1 節點受火溫度推定方法

1.1 紅外熱像檢測技術［4］

紅外熱像檢測技術其原理主要是利用物體原子振動產生輻射紅外線進行相關檢測，把來自目標的紅外熱輻射直觀地轉變為熱圖像，不僅可以觀察出構件表面受火溫度，還可以確定構件表面的溫度分布梯度，以此來推定構件表面狀態和缺陷。根據紅外熱輻射所形成的不同特征的熱圖像可以直觀地通過分析，進而確定受火構件的損傷情況。

紅外熱像檢測技術的優勢在于對溫度場的現場檢測較為精確，可以很直觀且很詳細地檢測出構件受火溫度，從而也為之后關于構建損傷的其他檢測和損傷計算提供精確的溫度場分布數據，提高損傷檢測和損傷評估的準確性。同時，紅外熱成像檢測技術不僅能夠對節點的受火溫度進行檢測，而且能夠很全面地反映整個構件和整個結構的受火溫度和溫度場分布情況。

紅外熱成像技術檢測的劣勢在于利用此項技術檢測需要在火災發生時身處現場進行相關儀器的操作，這個過程伴有一定的危險性。同時，由于建筑物火災在火災發生的同時也會伴隨著滅火過程，一些滅火材料及消防措施例如水和泡沫的存在會影響檢測結果，以及紅外熱成像技術無法僅為了對火災后構建損傷檢測而大面積推廣應用，在檢測時效性上存在著一定的不足。在實驗室條件下可考慮采用這項檢測技術，在實際工程應用中應用的相關條件并不具備。

1.2 根據 ISO-834 標準升溫曲線推定［5］

根據標準升溫曲線推定受火溫度是常規溫度場推定方法，通過對火災后的現場勘查，了解火災發生過程、持續時間、結構特點、現場通風條件、滅火消防措施等方面的信息。

標準升溫曲線法推定受火溫度的優勢在于可以直接通過簡單的現場調查進而通過公式計算在災后評估時快速確定構件受火溫度。

標準升溫曲線法推定受火溫度的劣勢在于一般情況下，等效爆火時間無法準確確定，通常在計算過程中采用實際受火時間代替等效爆火時間。同時，利用公式計算出的構件受火溫度存在著較大的誤差，從而會影響損傷評估結果。

1.3 根據火災現場殘留物推定［6］

高溫會使得構建材料發生一系列物理化學變化，火災后，殘留的構件會表現出不同的狀態，通過火災現場勘查殘余構件以及殘留物品，對照殘留物品的變態溫度、軟化點溫度或燃點溫度大致推算出此區域內的受火溫度。此方法通過已燒毀物品的變態溫度推定此區域內受火的最低溫度，通過未燒毀物品的變態溫度推定此區域內受火的最高溫度［3］。

火災現場殘留物推定溫度法的優勢在于通過火災后現場勘查不同殘留物品的狀態，通過殘留物狀態對應物品的變態溫度或燃點溫度，從而能夠較為準確地推定某一區域的受火溫度，通過對火災現場進行區域劃分，從而對不同區域的受火溫度進行推定，再進行匯總，能夠準確地對發生火災的大型建筑物進行溫度場分布及受火溫度確定。

火災現場殘留物推定溫度法的劣勢在于在火災過程中伴隨著消防工作的展開，部分物品在高溫狀態和急劇降溫的共同作用下，產生了與高溫狀態不同的狀態變化，從而會導致溫度判定產生誤差，影響受火溫度判定的精確性。

2 節點混凝土損傷檢測方法

2.1 超聲波法［7］

超聲法是利用超聲波脈沖在受火構件中傳播，在火災后可利用超聲脈沖法對受損構建進行檢測，可以詳細地了解構件開裂、受損情況，同時，超聲波法的優勢在于可以準確地測定燒損層厚度。常用的超聲波法有平測法與對測法兩種。

2.1.1 平測法

平測法是將發射和接受換能器都置于構建的同一側面，在檢測時將接受換能器耦合好后保持不動，發射換能器依次移動，增大距離。根據相應的聲時值來測試出未損傷層聲速、受損層聲速、聲速突變時的距離，以這 3 個參數來計算出燒損深度。

2.1.2 對測法

對測法的測試操作如圖 1 所示。分別通過檢測測出超聲波脈沖在受損層和未受損層中的波速，并測量出發射和接受換能器之間的距離和超聲波脈沖在混凝土中的傳播時間。

圖1 對測法示意圖

在實際火災中，由于構件同一側面及構件兩面燒損厚度也不一定相等，因此實際上不太可能存在嚴格的燒損與未燒損臨界面，因此適用超聲波法檢測及利用公式推導計算出的燒損深度可能會與實際情況存在較大誤差。同時，超聲波脈沖法在實際應用過程中也會受材料的較大影響，例如構件的配筋、混凝土含水率、高溫熱效應等。同時，超聲波脈沖法檢測混凝土損傷對構件表面平整度有一定的要求。

在實際工程應用中，超聲法對損傷的識別鑒定存在著一定的主觀性，操作者往往會根據個人經驗通過時域中的超聲信號判斷給出帶有較強主觀性的損傷判斷。

2.2 回彈法［7］

回彈法是利用測定火災后混凝土的表面硬度來推定剩余強度。回彈值是彈性變性能與彈性能量的比值，目前使用回彈法對火災后受損構件混凝土損傷的檢測主要應用于測定混凝土受火的平均深度。采用回彈修正系數檢測火災后混凝土的抗壓強度前首先要將構件表面清洗干凈并將燒損層表面打磨平，再進行回彈。

回彈法局限性在于其反應深度不超過 30 mm 的表面硬度。同時在火災后，構件表面混凝土會出現剝落現象，因此火災后利用回彈法測量混凝土損傷也會產生一定的誤差。

2.3 取芯法［8］

取芯法是在構件上直接鉆取混凝土圓柱形樣芯進行抗壓強度試驗，通過試驗測得的抗壓強度推定混凝土抗壓強度來評估損傷程度，鑒定損傷等級。在取芯時需考慮到取芯對火災后結構構件的影響，可適當考慮先做簡易加固措施再進行取樣，同時也要確保取得的樣芯具有質量代表性。取芯前應通過鋼筋位置探測器探測出構件中鋼筋位置，以確保在取芯過程中避開鋼筋。

取芯法的優點在于直觀、準確、代表性強，也是火災后對構件進行損傷檢測必須要有的破損檢測方式。火災后受損構件的無損檢測都或多或少地存在著各種誤差和不精確性，因此取芯法檢測火災后構件損傷既是損傷檢測的基礎，也是對無損檢測結果的一種好的驗證和補充。

取芯法的缺點在于火災后的結構安全性已經存在很大問題，在此基礎上再進行取芯作業可能會造成二次傷害，因此對火災后的構件采用取芯法檢測混凝土損傷程度，位置選取尤為重要。既要保證所取樣芯具有代表性，同時還要保證取芯后結構的安全。

3 節點鋼筋及鋼筋與混凝土間粘結力的損傷檢測方法

目前在實際工程應用中對火災后構件中鋼筋的損傷情況檢測常用的有兩種方法［9］。一種是在火災后截取節點區域部分鋼筋在實驗室條件下通過相關力學試驗確定鋼筋的殘余強度，另一種是通過利用所推定的節點受火溫度值對應相關曲線查詢。第一種方法可以較為準確地測出節點區域鋼筋的剩余強度值，第二種方法，由于節點受火溫度值的推定存在較大誤差，因此以此計算出的鋼筋剩余強度值并不精確。火災后，計算節點鋼筋的剩余強度意義重大，是作為火災后期加固的重要參考數據之一，因此，采用第二種方法應選擇合理的節點鋼筋。一般情況下會選擇節點嚴重受損部位，例如通過模擬發現，大多數情況下都是由于預制柱破壞導致節點破壞，以及選擇由于混凝土爆裂或保護層剝落導致暴露在外直接受火的鋼筋，這樣所測得的鋼筋剩余強度結果更具代表性。在火災后從節點區域截取鋼筋進行相關力學試驗必然也會對構件承載力造成影響，因此，在截取前還應做好必要的臨時支撐或加固措施。

根據文獻［10］可知，火災后鋼筋與混凝土之間粘結力的變化與受火溫度、鋼筋保護層厚度、鋼筋等級、混凝土損傷程度等因素有關。關于鋼筋與混凝土粘結力的損傷檢測一般采用的方法為聲發射技術，檢測步驟如圖 2 所示。

圖2 聲發射檢測步驟

該技術主要是利用火災后包裹鋼筋的混凝土發生了一系列的物理化學變化從而能夠使得聲波發射機發射出的聲發射信號在穿過不同界面時反射回不同的聲反饋，通過信號處理對節點內部的損傷位置和嚴重性程度做出評估。在火災后，節點內部的主要聲反射源是由于混凝土水分蒸發導致混凝土變得疏松，以及裂縫的形成和擴展導致鋼筋和混凝土之間粘結力下降，同時，鋼筋與混凝土間的粘結滑移也會形成聲反射源。因此，以節點內部在火災后形成的缺陷作為聲反射源，通過相關信號處理來檢測節點內部的損傷情況。在本文中，對這種檢測方法的分析側重點在于檢測火災后鋼筋與混凝土間粘結力的損傷。

4 節點損傷綜合檢測方法

通過前文所述各類火災后節點損傷檢測的各類方法以及火災后節點損傷評估鑒定評級，本文提出了火災后節點損傷檢測及評估綜合檢測方法，如圖 3 所示。

圖3 節點損傷綜合檢測方法

5 結語

本文探討了目前實際工程應用中針對火災后結構構件各方面損傷的一系列損傷檢測方法，火災后節點損傷的檢測方法應包括節點受火溫度的推定、混凝土損傷檢測、鋼筋損傷檢測等方面，每個方面不同的檢測方法都有一定的適用性和局限性，因此，在實際工程應用中，宜采用多種方法結合的綜合手段來進行相關方面的檢測，從而保證檢測結果的精確性，也為節點損傷評估奠定堅實基礎。Q