某高層建筑地下室火災后檢測鑒定與加固處理*

員作義，陳力瑩，張搏宇，馬 昭

(1.陜西省建筑科學研究院有限公司，陜西 西安 710082；2.陜西建科建設特種工程有限公司，陜西 西安 710082)

0 引言

隨著經濟的飛速發展，高層建筑在城市中迅速增加，火災作用所產生的不安全因素也隨之增加。據統計，我國每年發生火災約10余萬起，死亡2 000多人，傷3 000～4 000人，每年火災造成的直接財產損失約10億元。建筑物遭受火災后，高溫會造成結構構件材料性能退化，承載力減弱，嚴重影響使用安全，因此在火災后對結構進行檢測鑒定，以評估火災后工程結構的損傷范圍、影響程度、安全性能，為火災后建筑物的安全使用和加固維修改造提供技術支撐顯得尤為重要[1]。本文以西安某混凝土高層受火損傷地下室結構為例，對過火區域進行火災后鑒定評級，并提出相應的加固設計方案，從而解決火災后因承重構件損傷而造成的結構安全問題。

1 工程概況

某高層住宅為混凝土剪力墻結構，地上11層，地下1層，基礎形式為筏板基礎。結構設計使用年限為50年，抗震設防類別為丙類，剪力墻抗震等級為二級[2]。該建筑所在地區抗震設防烈度為8度(0.20g)，設計地震分組為第二組。目前該建筑處于施工階段，上部結構已施工至地上5層。地下1層剪力墻混凝土設計強度等級為C35，梁、板混凝土設計強度等級為C30，梁、板、柱均采用HRB400E級鋼筋。本次受火區域為地下1層～/～軸線區域，如圖1所示。火災持續持續時間約為1h，過火區域面積約為280m2。

圖1 過火區域

2 檢測鑒定結果

2.1 火災后現場調查及結構損傷調查

2.1.1現場初步調查和火作用調查

經現場調查，2021年3月1日17:20左右，建筑物地下室～/～?區域發生火災，著火區域可燃物相繼引燃，火勢由～/～?區域向南側蔓延，最終過火區域為～/～軸線范圍，火災于2021年3月1日18:10左右被撲滅。經檢查，該起火災排除人為縱火，排除因天氣原因致災，初步判定為防水單位外墻防水施工過程中火星意外從外墻套管進入引燃而造成此次火災。過火區域北側為地下室外混凝土擋墻，東、西兩側為地下室樓梯間，南側為腳手架圍擋，圍擋處具備通風條件。過火區域廢舊家具、辦公桌椅、模板方木、垃圾箱和其他裝飾材料等幾乎完全燒毀，殘留家具、垃圾箱骨架等鋁制品有流狀物形成。過火區域～/～軸線外部分墻體出現煙熏現象，因地下室樓梯位置存在圍擋，火勢未上竄至1樓。

可通過現場燃燒物殘留骨架(見圖2)、火災現場結構混凝土的損傷程度及標準升溫曲線來綜合判定火場溫度。受火區域的家具、辦公桌椅等裝飾材料幾乎完全燒毀，結構混凝土構件表面混凝土大面積爆裂剝落，混凝土呈灰白色，錘擊聲發啞，混凝土粉碎、脫落，可初步判定火場溫度為800～900℃。目前我國采用較多的標準升溫曲線為國際標準組織制定的ISO834標準溫度-時間曲線[3]，基本表達式為：

圖2 過火區域殘留物骨架

T=T0+345lg(8t+1)

(1)

式中：T0為環境溫度(℃)，取15℃；t為燃燒時間(min)，本次計算時間為50min。經計算可知，火場區域的火場溫度約為913℃，與現場燃燒物殘留骨架和結構混凝土損傷程度判定的火場溫度基本吻合。

2.1.2火災后結構損傷調查

經過現場調查，依據T/CECS 252—2019《火災后工程結構鑒定標準》[4]對過火區域20道剪力墻、柱，19塊混凝土板及42道混凝土梁的損傷情況進行詳細檢測。檢測結果表明，過火區域大部分承重構件表面混凝土爆裂剝落，呈灰白色，錘擊聲發悶，局部混凝土粉碎、脫落，脫落深度達25～70mm；少部分承重構件混凝土局部被燒光，表面存在輕微裂縫，錘擊聲發悶，混凝土局部脫落，脫落面積<0.25m2，脫落深度約10mm，墻面未發現露筋現象；極少數承重構件表面局部有煙灰，被黑色覆蓋，混凝土無爆裂、剝落及開裂現象，錘擊聲響亮、表面不留痕跡。過火區域部分承重構件損傷情況如圖3所示。

圖3 過火區域部分承重構件損傷情況

2.2 過火區域建筑、結構平面布置情況檢測

經過對該工程過火區域主要軸線尺寸、樓層層高及混凝土構件截面尺寸、鋼筋配置進行檢測和復核，檢測結果與原始結構設計圖紙及驗收資料相符，施工偏差滿足GB 50204—2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》[5]的限值要求。但由于過火區域的承重混凝土構件受火影響較嚴重，混凝土大面積剝落，部分混凝土構件截面尺寸等結構情況不滿足設計要求。

2.3 受火結構構件材料強度檢測

2.3.1受火結構構件混凝土強度及碳化深度檢測

為了解火災對不同部位構件混凝土強度的影響程度，本次檢測分別采用回彈法和鉆芯法。在測試中嚴格按JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》[6]和CECS 03∶2007《鉆芯法檢測混凝土強度技術規程》[7]進行試驗，其中，分別在嚴重燒灼、中度燒灼、輕度燒灼、輕微燒灼各區域共鉆取28個芯樣(每塊墻體取2個)。鉆芯法、回彈法混凝土抗壓強度檢測結果分別如表1，2所示。由表1，2可知，過火較嚴重區域的混凝土強度偏低，墻?/～、板～/?～混凝土強度不滿足設計要求，其他中度燒灼、輕度燒灼、輕微燒區域的混凝土強度受火影響程度較低。

表1 鉆芯法混凝土抗壓強度檢測結果

為了解火災對不同部位構件混凝土強度和內部鋼筋耐久性是否產生影響，需測量混凝土構件的碳化深度，本次檢測采用電錘在受檢混凝土表面鉆取深約50cm的φ15孔洞，清除孔內及周邊灰塵碎屑等，在鑿開的混凝土表面滴或噴1%酚酞酒精溶液，用碳化深度測量尺檢測沒有變色的混凝土深度。檢測結果表明，過火混凝土構件碳化深度為 23～60mm，過火較嚴重區域的混凝土構件碳化深度為40～60mm，碳化深度已超過鋼筋保護層厚度，對內部鋼筋耐久性產生影響，表明火災已對構件表面混凝土和內部鋼筋產生影響，降低其混凝土強度和鋼筋的耐久性。

2.3.2受火結構構件鋼筋力學性能檢測

為了解火災對鋼筋性能的影響，對受火混凝土構件的鋼筋進行取樣檢驗，依據構件受火嚴重程度的不同分散取樣，同時不影響結構承載力[8]，分別在嚴重燒灼、中度燒灼、輕度燒灼、輕微燒灼各區域分散截取HRB400E鋼筋，其中，鋼筋剪力墻、柱6組，混凝土板5組，混凝土梁4組，其力學性能檢驗結果如表3所示(每個構件取樣2處)。由表3可知，現場截取嚴重燒灼和中度燒灼區域的剪力墻、混凝土板屈服強度、強屈比及強標比不滿足HRB400E鋼筋材質力學性能的要求，其余位置處混凝土構件的鋼筋材質力學性能均符合設計要求。

表2 回彈法混凝土抗壓強度檢測結果

表3 受火結構構件鋼筋力學性能試驗檢測結果

2.4 受火結構構件變形情況檢測

變形對結構構件產生不利影響，過大的變形會使結構喪失承載能力。現場采用鋼卷尺、水準儀、經緯儀等儀器對混凝土梁、板的撓曲變形及剪力墻、柱傾斜變化等進行系統測量，并與相應的允許值或偏差值進行比較，確定結構或構件受火災影響的變形程度[4]。檢測結果表明，除破損混凝土梁、板不具備檢測條件外，其余過火區域混凝土構件變形較小，均能滿足《火災后工程結構鑒定標準》[4]撓度限值的要求；具備檢測條件的受火剪力墻、柱傾斜值均在Ⅱa～Ⅲ級范圍內，著火點區域的剪力墻、柱傾斜值偏大，傾斜值均超過《火災后工程結構鑒定標準》的傾斜限值(δ/h>0.007)規定[4]。

2.5 受火結構構件初步鑒定評級

根據《火災后工程結構鑒定標準》第3.2節可知[4]，火災后結構構件鑒定評級分為初步鑒定評級和詳細鑒定評級2步。其中初步鑒定評級分為Ⅰ級(未遭受燒灼作用)、Ⅱa級(輕微燒灼)、Ⅱb級(輕度燒灼)、Ⅲ級(中度燒灼)、Ⅳ級(嚴重燒灼或破壞)5個等級；詳細鑒定評級分為a級(未受到火災影響且符合國家現行標準安全性要求，安全、可正常使用)、b級(受火災影響，或略低于國家現行標準安全性要求，不影響安全，可正常使用)、c級(不符合國家現行標準安全性要求，影響安全和正常使用)和d級(極不符合國家現行標準安全性要求，嚴重影響安全)4個等級。火災后結構構件初步鑒定及詳細鑒定劃分平面如圖4，5所示。

圖4 火災后結構構件初步鑒定劃分平面

圖5 火災后結構構件詳細鑒定劃分平面

2.5.1受火結構構件初步鑒定評級

1)過火區域共有20道剪力墻、柱，其中評為Ⅱa級共2個，評為Ⅱb級共3個；評為Ⅲ級共5個；評為Ⅳ級共10個。

2)過火區域共有19塊混凝土板，其中評為Ⅱa級共1個；評為Ⅱb級共2個；評為Ⅲ級共4個；評為Ⅳ級共12個。

3)過火區域共有42道混凝土梁，其中評為Ⅱa級共11個；評為Ⅱb級共8個；評為Ⅲ級共5個；評為Ⅳ級共18個。

2.5.2受火結構構件詳細鑒定評級

1)過火區域共有20道剪力墻、柱，其中評為b級共2個；評為c級共8個；評為d級共10個。

2)過火區域共有19塊混凝土板，其中評為b級共3個；評為c級共4個；評為d級共12個。

3)過火區域共有42道混凝土梁，其中評為b級共16個；評為c級共8個；評為d級共18個。

3 檢測鑒定結論

根據火災后結構構件詳細鑒定評級結果可知，受火區域結構構件最終評級分別為：剪力墻、柱共有2處評為b級，8處評為c級，10處評為d級；混凝土板共有3處評為b級，4處評為c級，12處評為d級；混凝土梁共有16處評為b級，8處評為c級，18處評為d級，由此可知受火區域大部分結構構件不符合現行國家安全性要求，影響或嚴重影響結構安全和使用功能，需立即加固、更換或拆除處理以保證結構的承載能力和使用性能。

4 加固設計方案

綜合現場情況和檢測鑒定評級結果，對本工程過火區域混凝土承重構件進行加固及修復處理[9]，其中對詳細鑒定評為b級的混凝土構件采用剔鑿原混凝土保護層外抹M型灌漿料修復處理，對詳細鑒定評為c，d級的混凝土構件進行置換或局部置換加固處理，最后對置換或修復后的梁、板混凝土構件進行粘貼碳纖維復合材料補強加固處理。

4.1 M型灌漿料修復工程

對詳細鑒定評為b級的混凝土構件，在過火區域中遇到的原結構熏黑及損傷或露筋，首先應打磨原結構熏黑區結構構件，直至露出堅硬、牢固的混凝土面層，鑿除露筋部位的酥化混凝土，深度≥50mm；對銹蝕鋼筋噴涂鋼筋除銹劑進行除銹，除銹后若發現鋼筋銹蝕嚴重、截面不足及鋼筋斷開現象需新增鋼筋與原有鋼筋進行搭接焊，新增鋼筋規格直徑同原有鋼筋，鋼筋搭接長度≥100mm；鋼筋工程完工后，用清水沖洗缺陷部位，確保無粉塵、銹渣等，最后采用M型灌漿料修復至原截面(強度等級≥C45)，并進行必要的養護。混凝土構件表面修復示如圖6所示。

圖6 混凝土構件表面修復

4.2 混凝土置換工程

對詳細鑒定評為c，d級的混凝土構件，在保持原有結構截面的前提下，分次、分區域抽條鑿除不合格混凝土，用高性能灌漿料(強度等級≥C50，無收縮)進行置換處理。剪力墻置換處理時，每次去除不合格混凝土前，須采取可靠的支撐措施[10]，每次鑿除的剪力墻寬度應≤500mm，且不超過墻段的1/5，如圖7所示。清除混凝土時，應先沿墻身一側縱向鑿出一條槽，以露出墻內鋼筋為宜，其間不得破壞原有鋼筋，并鑿毛接觸面混凝土面，鑿除混凝土時，應采用靜力法，嚴禁大錘敲擊，混凝土去除后應將擾動移位的鋼筋和埋管固定好；安裝模板時，采取措施保證模板的剛度和穩定性，根據現場情況留設合理的高性能灌漿料下料槽口，同時應盡可能選用整體型模板以減少漏漿，模板與灌漿料接觸面宜涂刷隔離劑[11]；灌漿料澆筑前，應先澆水潤濕模板和混凝土接觸面，且保證模板內無積水，澆筑灌漿料時，鋼筋骨架一旦變形或移位應及時糾正，同時澆筑應連續進行，采取措施保證澆筑的密實性，待一段墻體澆筑完成72h后方可進行相鄰墻體混凝土的置換施工。剪力墻置換加固如圖8所示，混凝土梁、板置換加固如圖9所示。

圖7 剪力墻抽條置換順序

圖8 剪力墻置換加固

圖9 混凝土梁、板置換加固

4.3 粘貼碳纖維復合材料補強工程

對置換或修復后的混凝土梁、板底部，通過復核原設計結構構件受彎及受剪承載力折算碳纖維復合材料所能提供的抗拉強度進行補強加固處理。先對基層進行處理，保證混凝土表面干凈且干燥，可用脫脂棉沾有機溶劑進行擦拭，按比例用滾桶刷或馬刷將膠均勻涂抹于混凝土構件表面，厚度≤0.4mm，且不得有漏刷或有流淌、氣泡等；待固化后用刮刀嵌刮整平膠料修補填平混凝土表面凹陷處；再按設計尺寸裁剪、粘貼碳纖維布，為保證膠的耐久性和耐火性，可在表面涂抹15mm厚抗裂砂漿進行防護。混凝土梁、板底粘貼碳纖維布加固如圖10所示。

圖10 混凝土梁、板底粘貼碳纖維布加固

5 結語

通過此次工程實踐，火災后結構構件檢測鑒定根據現場結構損傷調查、構件材料強度及結構構件變形等情況，制定合理的鑒定評級標準，對過火區域結構構件進行綜合評價，為后續加固及修復處理提供設計依據，為以后類似工程可能出現的結構安全性問題奠定了實踐基礎。

1)通過對現場燃燒物殘留骨架、火災現場結構混凝土損傷程度及標準升溫曲線等多方面進行綜合分析，推定燃燒現場的過火溫度；在考慮結構構件損傷程度、材料強度損失及結構構件變形程度等進行初步鑒定評級和詳細鑒定評級，綜合評價目前狀態下過火區域結構構件的安全性能。

2)考慮火災后結構構件的鑒定評級結果，按不同鑒定級別對混凝土承重構件采用M型灌漿料修復或置換混凝土等手段進行加固及修復處理，可有效保證過火區域結構構件的安全性和正常使用功能，同時為后續火災后建筑物檢測鑒定及加固維修提供一定借鑒意義。