火災(zāi)后混凝士結(jié)構(gòu)構(gòu)件檢測(cè)分析

摘 要：評(píng)估火災(zāi)中鋼筋混凝土受損情況至關(guān)重要。無(wú)損檢測(cè)（NDT）是一種經(jīng)濟(jì)有效的檢測(cè)方法，其中回彈測(cè)量和超聲波脈沖速度（UPV）是混凝土強(qiáng)度評(píng)估中使用最廣泛的無(wú)損檢測(cè)方法之一，從受損構(gòu)件中取樣的芯樣抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是研究火災(zāi)對(duì)鋼筋混凝土性能影響的最可靠工具之一。本文采用回彈法和UPV法對(duì)某受火災(zāi)工業(yè)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，得到受火柱回彈和超聲波聯(lián)合測(cè)試強(qiáng)度平均值為30.25N/mm2，強(qiáng)度損失達(dá)27.98%。取芯的試驗(yàn)顯示過(guò)火混凝土柱的平均抗壓強(qiáng)度為30.6N/mm2，平均強(qiáng)度損失為28.10%。由于存在混凝土保護(hù)層，因此鋼筋力學(xué)性能并沒(méi)有顯著變化。

關(guān)鍵詞：過(guò)火構(gòu)件；無(wú)損檢測(cè)；破壞性測(cè)試；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TU 37" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

火災(zāi)造成的建筑物損壞可能會(huì)嚴(yán)重?fù)p害建筑物的結(jié)構(gòu)安全和適用性，評(píng)估鋼筋混凝土建筑物火災(zāi)損壞的程度和嚴(yán)重性是規(guī)劃其結(jié)構(gòu)修復(fù)或拆除的一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。混凝土本身是一種復(fù)合材料，其成分具有不同的熱性能，而且水分和孔隙率對(duì)力學(xué)性能有很大的影響，當(dāng)混凝土暴露在火中時(shí)，其整體性能可能會(huì)發(fā)生根本變化，同時(shí)鋼筋對(duì)火災(zāi)引起的高溫的影響非常敏感，導(dǎo)致很難評(píng)估鋼筋混凝土的耐火能力[1-2]。鋼筋混凝土火災(zāi)損傷測(cè)試有無(wú)損測(cè)試[3]和破壞性測(cè)試[4]，本文通過(guò)聯(lián)合使用回彈法和超聲波脈沖速度測(cè)量判斷構(gòu)件的質(zhì)量，再使用取樣的破壞性試驗(yàn)測(cè)試混凝土和鋼筋的力學(xué)性能，綜合判斷該建筑火災(zāi)后的受損程度。

1 工程概況

本文研究對(duì)象為某工業(yè)倉(cāng)庫(kù)，該廠房尺寸約為60m×40m，首層高度為6.0m，最大高度為11.1m。承重結(jié)構(gòu)為預(yù)制鋼筋混凝土框架（如圖1所示）。底層立柱形成約10m×13m的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，前者為縱梁的跨度，后者為橫梁的跨度，所有的柱、梁都是預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件，板為現(xiàn)澆混凝土樓板。內(nèi)部隔墻將底層分為3個(gè)不同的區(qū)域，其設(shè)計(jì)為一級(jí)耐火，由覆蓋石膏的磚塊組成，能確保火災(zāi)僅局限于底層的中央部分，而不會(huì)蔓延到整個(gè)建筑物，只有底層中央部分的柱子和一樓的縱橫梁受到火災(zāi)影響。

2 構(gòu)件幾何測(cè)量

為檢測(cè)火災(zāi)后柱子的幾何形狀變化，采用掃描距離在10m～25m時(shí)絕對(duì)誤差小于2mm的激光掃描儀，從4個(gè)不同高度對(duì)圖1中受火區(qū)域的4號(hào)到9號(hào)6根高度為6m、界面為矩形的中心柱進(jìn)行截面（截面1為1m；截面2為3.2m；截面3為3.6m；截面4為5.2m）掃描，檢測(cè)暴露在火中的一側(cè)并估計(jì)重心位置，如圖2所示，每根柱的兩端都被視為是受到約束的。

針對(duì)完全暴露在火災(zāi)中的5號(hào)和8號(hào)中心柱，記錄整個(gè)截面周長(zhǎng)并確定重心位置，而只有一側(cè)暴露在火災(zāi)中的4根側(cè)柱（4號(hào)柱、6號(hào)柱、7號(hào)柱、9號(hào)柱），通過(guò)受火一側(cè)長(zhǎng)度和其他3個(gè)側(cè)面的設(shè)計(jì)特點(diǎn)確定重心位置，以此來(lái)研究重心位置隨柱高的變化。經(jīng)檢測(cè)，火災(zāi)引起的變形的影響清晰可見，并傾向于將重心位置的變化集中在柱子的中央部分，6號(hào)柱（截面為90cm×50cm）在火災(zāi)中受火側(cè)被嚴(yán)重掏空，變化最明顯，重心往x方向偏移40mm，往y方向偏移12mm，而完全暴露在火災(zāi)中的5號(hào)柱（截面為68cm×50cm）重心偏移小于10mm，8號(hào)中心柱截面與5號(hào)主相同，但重心偏移小于5mm，兩者重心位置變化都很小。

在表1中，考慮重心的位置，對(duì)公式（1）中定義的標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）進(jìn)行評(píng)估。

（1）

式中：（xi，yi）為第i個(gè)橫截面的重心坐標(biāo)；為考慮所選柱的所有n個(gè)截面的平均坐標(biāo)。

只有4號(hào)柱和6號(hào)柱x方向標(biāo)準(zhǔn)偏差大于10mm，其他柱變化重心位置的變化只占柱子高度的一小部分，它們可能是由橫截面的局部損壞造成的，而不是由柱子的實(shí)際位移造成的，使用新混凝土進(jìn)行完整截面修復(fù)后，變化將減小到完全可以忽略不計(jì)的值。

火災(zāi)還損壞了底層的整個(gè)中心區(qū)域，由柱子簡(jiǎn)單支撐的縱梁和橫梁也發(fā)生了變形，因此還用激光掃描儀檢測(cè)了縱梁和橫梁的剛性旋轉(zhuǎn)和撓度變化。由于預(yù)應(yīng)力筋有助于減少梁在使用荷載下的撓度，因此每根梁都設(shè)計(jì)有負(fù)撓度，檢測(cè)結(jié)果顯示火災(zāi)的影響消除了所有梁中存在的初始負(fù)撓度，只有少數(shù)損壞的構(gòu)件存在初始負(fù)撓度，但是梁結(jié)構(gòu)外部并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的裂縫。

3 無(wú)損檢測(cè)

由于穿過(guò)混凝土的聲波脈沖與其強(qiáng)度之間存在很明顯的相關(guān)性，在相同原材料制成的混凝土構(gòu)件中，超聲波傳播速度隨著強(qiáng)度的增加而增加，由于傳播速度隨混凝土混合物的變化很大，但是同一區(qū)域記錄的波速變化可以有效地區(qū)分受損區(qū)域和未受損區(qū)域[5]。在未破損的柱子厚度范圍內(nèi)，超聲波的波速幾乎是恒定的，超聲波傳輸脈沖在未損壞的混凝土中的速度可以達(dá)到并超過(guò)5000m/s，如果存在因暴露于火中而引起的缺陷，超聲波速度會(huì)顯著下降，因此對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲波測(cè)試非常有用。本文對(duì)該工業(yè)倉(cāng)庫(kù)一樓樓板進(jìn)行測(cè)試，受火區(qū)域定義了一個(gè)1m×1m的網(wǎng)格并確定了8個(gè)重要點(diǎn)，利用表面透射聲脈沖速度測(cè)試進(jìn)行聲波斷層掃描。

將壓電接收器放置在每個(gè)重要點(diǎn)上，并將裝有壓電傳感器（以便記錄脈沖力）的1.5kg沖擊力錘施加到相鄰8個(gè)點(diǎn)，這樣就記錄了每個(gè)重要點(diǎn)的8個(gè)波的速度，圖3記錄了它們的平均值以及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。

由圖3可知，受損最嚴(yán)重的區(qū)域?qū)?yīng)于左側(cè)的A點(diǎn)和E點(diǎn)，它們的速度最低（2000m/s～2400m/s），事實(shí)上受火損壞會(huì)顯著降低聲脈沖的速度。另一方面，H點(diǎn)和D點(diǎn)呈現(xiàn)最高速度值（3800m/s），位于樓板的角落，靠近樓梯間，后面的點(diǎn)可能較少暴露在火中，因此比位于板中心的點(diǎn)（A點(diǎn)和E點(diǎn)）受火損壞程度要低。

通過(guò)取芯器從板材中采集了4個(gè)直徑為6cm的圓柱形混凝土芯樣。對(duì)這些混凝土芯樣進(jìn)行超聲波直接測(cè)試，獲得的結(jié)果見表1，這些結(jié)果證實(shí)了受火梁周圍區(qū)域相對(duì)應(yīng)的板中央部分的退化。

為了評(píng)估遭受火災(zāi)的柱子中混凝土的力學(xué)特性，從不同的柱上取出多個(gè)不同長(zhǎng)度、直徑均為6cm的混凝土芯樣。表2列出了混凝土芯樣的具體參數(shù)，其中“位置”表示從標(biāo)高0mm（對(duì)應(yīng)于地平面）到6000mm（對(duì)應(yīng)于第一層的內(nèi)弧面）沿構(gòu)件縱軸的核心位置。受火柱的平均速度值為5430m/s，3根柱之間沒(méi)有檢測(cè)到太大的變化。結(jié)果表明，這些混凝土構(gòu)件的力學(xué)特性非常相似，并且火災(zāi)損失在它們之間分布得相當(dāng)均勻。

通過(guò)與來(lái)自板芯的超聲脈沖速度（脈沖速度平均值為1500m/s～1800m/s）進(jìn)行對(duì)比，突出了現(xiàn)澆混凝土板與混凝土柱的不同力學(xué)特性，回彈法和超聲波脈沖速度測(cè)量可以快速、輕松地進(jìn)行混凝土強(qiáng)度測(cè)試，如果2種方法受到統(tǒng)一因素以不同方式地影響，那么將他們結(jié)合使用可以抵消該因素的影響，提高強(qiáng)度估計(jì)的準(zhǔn)確性，但實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中許多因素可能會(huì)影響聲波或回彈，所以必須進(jìn)行修正，本文聯(lián)合法采用的修正公式如公式（2）所示。

fc=（a/k）V2.6R1.3 （2）

式中：fc為混凝土強(qiáng)度；V為超聲速度；R為反彈指數(shù)；a=1.5×10-10；k為校準(zhǔn)系數(shù)。

校準(zhǔn)系數(shù)如公式（3）所示。

k=fcm/fem （3）

式中：fcm為混凝土估計(jì)平均強(qiáng)度；fem為混凝土試驗(yàn)平均強(qiáng)度，fcm通過(guò)測(cè)試從所研究的對(duì)象中提取的至少一個(gè)混凝土芯樣來(lái)評(píng)估，測(cè)試次數(shù)越多，精度越高。

當(dāng)芯樣抗壓試驗(yàn)提供的試驗(yàn)破壞性數(shù)據(jù)數(shù)量較少時(shí)（低于或等于5個(gè)試件），該校準(zhǔn)方法適用。

為了估計(jì)火災(zāi)損壞和未損壞柱的混凝土強(qiáng)度，對(duì)經(jīng)火災(zāi)受損的4號(hào)柱、7號(hào)柱、8號(hào)柱、9號(hào)柱和為未經(jīng)受火災(zāi)區(qū)域的14*號(hào)柱、15*號(hào)柱混凝土表面的“完好”部分進(jìn)行回彈指數(shù)測(cè)量。通過(guò)混凝土回彈儀進(jìn)行回彈測(cè)試并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（測(cè)試了每個(gè)研究對(duì)象上22個(gè)點(diǎn)的15mm×15mm網(wǎng)格）；回彈測(cè)試平均值見表3。同時(shí)，對(duì)被分析對(duì)象進(jìn)行直接測(cè)試，以獲得的超聲波速度。

從受火的4號(hào)柱、7號(hào)柱、8號(hào)柱、9號(hào)柱和位于火區(qū)外部的14*號(hào)柱、15*號(hào)柱中取出直徑為6cm的混凝土芯樣并進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試，并對(duì)這些構(gòu)件進(jìn)行校準(zhǔn)，為了將火災(zāi)損害考慮在內(nèi)，確定了校準(zhǔn)系數(shù)，其中受火柱4號(hào)、7號(hào)、9號(hào)的k=1.62；非受火柱14*號(hào)和15*號(hào)的k=2.13。混凝土芯樣估算值和試驗(yàn)值以及校準(zhǔn)值見表4。

經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的混凝土強(qiáng)度估計(jì)值與試驗(yàn)值非常相近，表4中顯示的百分比誤差在4.65%～20.94%，與未經(jīng)校準(zhǔn)的估計(jì)產(chǎn)生的誤差相比非常低。未過(guò)火混凝土的特征抗壓強(qiáng)度為42N/mm2，受火柱回彈和超聲波聯(lián)合測(cè)試強(qiáng)度平均值為30.25N/mm2，強(qiáng)度損失達(dá)27.98%。

4 破壞性試驗(yàn)

從受損構(gòu)件中取樣的芯樣抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是研究火災(zāi)對(duì)鋼筋混凝土性能影響的最可靠工具之一[6]。如果可能的話，徹底的火災(zāi)后調(diào)查應(yīng)該依靠鉆取的芯樣。因此，在這種情況下，從柱子和板中提取的幾個(gè)直徑為6cm的芯樣，通過(guò)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

表5記錄了暴露在火災(zāi)中的4號(hào)柱、7號(hào)柱、8號(hào)柱、9號(hào)柱和未損壞的13*號(hào)柱、14*號(hào)柱、15*號(hào)柱的結(jié)果，暴露火災(zāi)中混凝土柱的平均抗壓強(qiáng)度為30.6N/mm2，未暴露火災(zāi)中混凝土柱的平均抗壓強(qiáng)度為42.56N/mm2，平均強(qiáng)度損失為28.10%。混凝土保護(hù)層出現(xiàn)了主要的可見損傷，但在消除了損壞的保護(hù)層后，混凝土芯樣是從柱子的內(nèi)部提取的，保護(hù)層提供的隔熱可能足以保持混凝土內(nèi)部的力學(xué)特性。

板芯（O、N、L、M點(diǎn)）抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果證實(shí)了現(xiàn)場(chǎng)澆筑板與預(yù)制柱之間混凝土力學(xué)特性的差異，現(xiàn)澆樓板的平均值為20.0N/mm2，低于預(yù)制混凝土柱對(duì)應(yīng)的30.6N/mm2。

為了評(píng)估火災(zāi)后柱內(nèi)和首層樓板鋼筋的力學(xué)性能，還對(duì)第4柱、第9柱以及樓板內(nèi)弧面的鋼筋進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，該強(qiáng)度測(cè)試由試驗(yàn)力為2000kN的鋼筋抗拉強(qiáng)度測(cè)試儀完成。在原始設(shè)計(jì)中，針對(duì)直徑小于12mm的鋼筋，鋼筋特性應(yīng)為430N/mm2屈服強(qiáng)度和480N/mm2極限強(qiáng)度；針對(duì)直徑大于12mm的鋼筋，鋼筋特性應(yīng)為540N/mm2。

測(cè)試結(jié)果見表6，在直徑為18mm的情況下，所分析的所有鋼筋都達(dá)到了設(shè)計(jì)極限抗拉強(qiáng)力值，從第9號(hào)柱中提取的?12mm和?14mm鋼筋的也同樣得到了較好效果，而?6mm箍筋的極限抗拉強(qiáng)度下降了15%。從第4號(hào)柱中提取的?14mm鋼筋的極限抗拉強(qiáng)度下降了5%，除了9號(hào)柱的?18mm鋼筋和?14mm鋼筋之外，所有筋材的屈服強(qiáng)度都只有略微下降。這些結(jié)果證明，火災(zāi)沒(méi)有導(dǎo)致鋼筋的力學(xué)性能顯著下降；混凝土保護(hù)層可能通過(guò)有效的隔熱來(lái)保護(hù)它們。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)該受火建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性檢測(cè)分析，超聲波測(cè)試結(jié)果證實(shí)了受火梁周圍區(qū)域相對(duì)應(yīng)的板中央部分的退化；利用回彈法和超聲波脈沖速度測(cè)量并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，受火柱回彈和超聲波聯(lián)合測(cè)試強(qiáng)度平均值為30.25N/mm2，強(qiáng)度損失達(dá)27.98%。在鋼筋混凝土柱中取樣試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，暴露火災(zāi)中混凝土柱的平均強(qiáng)度損失為28.10%。而鋼筋的測(cè)試結(jié)果顯示火災(zāi)沒(méi)有導(dǎo)致鋼筋的力學(xué)性能顯著下降；混凝土保護(hù)層通過(guò)有效的隔熱來(lái)保護(hù)它們。回彈法和UPV法聯(lián)合測(cè)試和取樣試驗(yàn)的破壞性測(cè)試有效分析了該建筑混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受損程度。

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