火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的加固

鄧永旗，吳全成，蘇彥忠

1 河南省建筑科學(xué)研究院有限公司（450053） 2 駐馬店市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站（463000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市人口的集中化，以及人民對(duì)居室美觀和舒適的不斷追求,導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)的因素也隨之增加，火災(zāi)的規(guī)模和頻率也在日趨擴(kuò)大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年發(fā)生約20萬(wàn)起火災(zāi)。城市建筑物火災(zāi)占總火災(zāi)的2/3以上,我國(guó)每年由于建筑物火災(zāi)造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失非常巨大,1971年～2002年的30多年中,全國(guó)共發(fā)生火災(zāi)217萬(wàn)余起，死亡近10萬(wàn)人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)187億余元?；馂?zāi)后的建筑物是否還有修復(fù)價(jià)值以及如何修復(fù),是災(zāi)后人們最關(guān)注的問(wèn)題，而我國(guó)目前建筑物多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因此合理地選擇鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固方法就顯得非常重要了。

1 火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的加固

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)方法很多,應(yīng)根據(jù)各種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及火災(zāi)損傷程度，因地制宜地提出合適的修復(fù)方法?？偟脑瓌t是:鏟除嚴(yán)重?fù)p傷的混凝土，修補(bǔ)孔洞和缺損，按照等強(qiáng)原則進(jìn)行構(gòu)件加固，以保證構(gòu)件原有承載力;為使加固獲得更好的效果，加固前應(yīng)盡量使構(gòu)件卸除荷載。

1.1 結(jié)構(gòu)受損后的修復(fù)方案

對(duì)僅有粉刷層輕度破壞的構(gòu)件,只須將表面粉刷層或表面污物清理干凈，重新進(jìn)行粉刷裝修即可。

而對(duì)中度損傷的構(gòu)件，按下列步驟進(jìn)行修復(fù):①進(jìn)行表面清理:將燒松散的混凝土除掉，將存留的混凝土表面清理干凈；填補(bǔ)同等級(jí)混凝土，做成完好表面，以保證鋼筋不受銹蝕。②進(jìn)行灌縫:對(duì)混凝土表面的細(xì)小裂縫，可采用水泥素漿，或以環(huán)氧樹脂為基本組分的膠結(jié)料來(lái)灌縫，水泥最好選用膨脹水泥或自應(yīng)力水泥。灌縫方法的選擇取決于裂縫寬度和深度。對(duì)深度和寬度分別不大于50mm和0.3mm的裂縫，可用平面式注漿機(jī)灌縫;對(duì)較深裂縫，將開口兩側(cè)鑿成V形再灌縫。③驗(yàn)算構(gòu)件剩余承載力，最后進(jìn)行外部裝修，將裂縫、孔洞、缺損修補(bǔ)好后，外部應(yīng)抹灰，使構(gòu)件滿足外觀要求。

對(duì)于嚴(yán)重?fù)p傷的構(gòu)件，因其承載力有所下降，需要根據(jù)剩余承載力計(jì)算結(jié)果，按等強(qiáng)原則進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，施工時(shí)須采取有效措施保證質(zhì)量。

對(duì)于危險(xiǎn)構(gòu)件，應(yīng)予拆除，并另行更換新構(gòu)件。

1.2 加固的設(shè)計(jì)

1）計(jì)算結(jié)構(gòu)剩余承載力根據(jù)受損后測(cè)定出的截面幾何參數(shù)、材料剩余強(qiáng)度等確定。

2）加固量的計(jì)算結(jié)構(gòu)加固后的承載能力應(yīng)滿足R≥roS,其中R包括彎矩、軸力、剪力，ro是結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，S是被加固構(gòu)件的荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值。

3）加固截面設(shè)計(jì)根據(jù)加固量、初選的截面尺寸、材料強(qiáng)度估算加固所需配筋量。

4）將計(jì)算結(jié)果按加固后的實(shí)際承載力驗(yàn)算截面承載力。

1.3 修復(fù)加固的施工

修復(fù)加固的施工必須在技術(shù)鑒定及修復(fù)加固設(shè)計(jì)人員的指導(dǎo)下完成。因?yàn)榛馂?zāi)對(duì)工程結(jié)構(gòu)的損傷是不均勻的，即使同一構(gòu)件不同部位受火災(zāi)損傷的程度也是不同的,只有技術(shù)鑒定及修復(fù)加固設(shè)計(jì)人員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo),方能有效保證修復(fù)加固設(shè)計(jì)的內(nèi)容落實(shí)到每一構(gòu)件及構(gòu)件的每一部位。在對(duì)燒傷層進(jìn)行清除時(shí)，要對(duì)裂縫逐一進(jìn)行檢查確認(rèn)，確定其剔鑿深度；對(duì)嚴(yán)重受損板的現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)等工作應(yīng)由技術(shù)鑒定人員、加固設(shè)計(jì)人員會(huì)同監(jiān)理、施工人員共同完成，這樣做可隨時(shí)監(jiān)測(cè)檢查原有結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的性能,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理各種隱患。

建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)后的修復(fù)加固設(shè)計(jì)要比普通工程加固處理復(fù)雜得多,尤其是加固的施工質(zhì)量乃是修復(fù)加固設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵,而施工期間保證受損結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性更是設(shè)計(jì)關(guān)注的焦點(diǎn)。為了使構(gòu)件處于卸荷狀態(tài)加固，要求主梁及次梁底需設(shè)置支撐，支撐必須從底層直至頂層。鏟除原梁、柱、板粉刷面層時(shí)，必須從頂層開始逐層向下。構(gòu)件的加固從底層開始，然后逐層向上。每層構(gòu)件的加固施工順序?yàn)橄燃庸讨?，然后框架梁、而后次梁，最后澆搗樓層疊合層。

2 某工程火災(zāi)后混凝土加固實(shí)例

2.1 工程概述

南陽(yáng)市某酒家為混合結(jié)構(gòu)，一、二層為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，作為商業(yè)門面用房。三～七層為住宅。樓板均采用混凝土預(yù)制空心樓板，住宅砌體采用MU15磚和M10砂漿砌筑，底部?jī)蓪涌蚣芑炷翉?qiáng)度為C30。

該樓與1989年6月竣工，使用中將二層設(shè)為歌舞廳，于2000年9月20日凌晨5:30分發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)開始于該樓層前部，然后迅速蔓延至全樓層后半部分，并將部分玻璃和鋁合金窗熔化，但并未引起三樓室內(nèi)燃燒，大火燃燒時(shí)間為80分鐘，直至6:50分火勢(shì)得到控制。

2.2 結(jié)構(gòu)受損與分析

因燃燒發(fā)生在第二層，故三層的樓面梁、板和二層的柱損傷十分明顯。柱上抹灰層普遍開裂、脫落，部分柱的混凝土保護(hù)層出現(xiàn)龜裂，個(gè)別柱燒傷深度達(dá)50mm。三層梁底保護(hù)層普遍酥裂，梁底部位損傷最為嚴(yán)重，梁側(cè)面燒酥程度較底部輕，但出現(xiàn)大面積龜裂和裂縫，剝開裂縫發(fā)現(xiàn)少數(shù)裂縫深入梁核心混凝土,個(gè)別梁燒傷十分嚴(yán)重，其剛度明顯降低。二層樓板普遍完好,三層樓板的板底混凝土普遍燒酥且大面積脫落，大部分空心板孔洞外露，空心板的預(yù)應(yīng)力鋼筋也出現(xiàn)大面積外露、松弛現(xiàn)象，使空心板喪失了承載能力。從火燒作用的范圍來(lái)看,二層樓板幾乎無(wú)損傷，二層柱由下而上，損傷逐步加重，三層梁比第二層柱嚴(yán)重，三層預(yù)制板比該樓層樓面梁嚴(yán)重，梁柱的棱角部位比平面部位嚴(yán)重，梁柱自表面向里損傷逐漸減輕。其主要原因是不同構(gòu)件接觸火苗的部位不同、受火面大小不同和構(gòu)件自身的薄厚不同。三層樓板的損傷比框架梁柱的損傷嚴(yán)重得多,主要原因是火災(zāi)時(shí)鋼筋混凝土空心板直接承受火荷載,而且板的厚度比較小,其鋼筋混凝土保護(hù)層也比較小。所以鋼筋混凝土空心板是火災(zāi)最薄弱的環(huán)節(jié)?；馂?zāi)時(shí)，鋼筋混凝土空心板中鋼筋受高溫作用而強(qiáng)度降低,鋼筋與混凝土之間的粘接力完全失效，從而使板的截面抵抗矩降低，板的剛度下降，饒度增加，裂縫增多，進(jìn)而導(dǎo)致板的完全破壞。

對(duì)住宅部分各層墻體檢查時(shí)發(fā)現(xiàn),三層和四層因火災(zāi)而引起的裂縫較多，尤其是三層更顯著，大多數(shù)裂縫都貫穿墻體兩面。最大裂縫達(dá)2.0mm，裂縫走勢(shì)和分布無(wú)規(guī)律可循，但水平向裂縫很少，門窗洞口一般均出現(xiàn)裂縫。由于外墻被直接從二層竄出的火苗燒烤，其變形較內(nèi)墻較快且大，其裂縫也比內(nèi)墻多。四層墻體裂縫只有個(gè)別大于0.5mm。隨著樓層的增加，溫度影響越來(lái)越小，墻體裂縫也逐漸減少。

按照《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》CECS03:88的要求,取與梁柱混凝土澆筑方向垂直的方向，鉆取混凝土芯樣，經(jīng)過(guò)加工，剔除芯樣燒傷部分后，試壓發(fā)現(xiàn):框架梁的混凝土立方抗壓強(qiáng)度為21～22.8MPa，框架柱的混凝土立方抗壓強(qiáng)度為22.7～34.5MPa，兩者均不能達(dá)到原設(shè)計(jì)的安全度。根據(jù)以上檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)行房屋安全分析后，確定對(duì)該房屋進(jìn)行加固處理。

2.3 結(jié)構(gòu)加固方案

加固設(shè)計(jì)目的和原則:使結(jié)構(gòu)功能恢復(fù)至原設(shè)計(jì)要求,保證其在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)安全、可靠。

1）安全可靠、簡(jiǎn)單易行、經(jīng)濟(jì)合理。

2）充分發(fā)揮火災(zāi)后構(gòu)件剩余承載力，盡量多地保留原結(jié)構(gòu)，盡量減少拆除工程及結(jié)構(gòu)加固修復(fù)新增的荷載，同時(shí)考慮施工的方便及可操作性。

3）針對(duì)構(gòu)件燒損程度、構(gòu)件重要性，分別采取不同的加固修復(fù)方案。

火災(zāi)僅限于二層,但結(jié)構(gòu)損傷最嚴(yán)重部位是三層樓面梁、樓面板和二層柱,故結(jié)構(gòu)加固方案也主要是針對(duì)這些受損傷的部位制定。加固的總體思路是:首先對(duì)三層樓面梁采用鋼管支撐以排除險(xiǎn)情，三層樓板由于損傷過(guò)于嚴(yán)重，決定予以拆除，重新澆筑混凝土板，三層梁采用外粘鋼板進(jìn)行加固，二層柱敲除表面抹灰，采用外包鋼加固后，重新進(jìn)行粉刷。

2.3.1 鋼管支撐

采用直徑為219mm的鋼管對(duì)三層樓面梁進(jìn)行支護(hù)。每根梁設(shè)置兩根鋼管支護(hù)，鋼管應(yīng)上下對(duì)齊，兩端采用鋼板封閉，下墊250mm×250mm的方木。由于火災(zāi)時(shí)樓面梁剛度降低，在荷載作用下已明顯撓曲,應(yīng)采用千斤頂給梁反向加荷卸載。千斤頂?shù)捻斏奢d根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)梁上荷載確定,使其頂升位移滿足卸荷要求。

鋼管支護(hù)的主要目的，是由于該工程火災(zāi)損傷較重，需要及時(shí)排出險(xiǎn)情，同時(shí)又能給三層樓面梁柱卸荷，有利于結(jié)構(gòu)加固?；馂?zāi)使梁柱混凝土內(nèi)部出現(xiàn)微裂縫，這些微裂縫將逐漸發(fā)展與梁柱的應(yīng)力水平有關(guān)，應(yīng)力水平越高，其發(fā)展速度越快，反之越慢。通過(guò)鋼管的頂升作用，可使梁柱的應(yīng)力水平降至最低,從而最大限度地阻止了梁柱微裂縫的繼續(xù)發(fā)展。

2.3.2 混凝土柱加固

由于柱表面已經(jīng)受損，部分柱的燒傷深度較大，柱截面消弱較大，故采用外包鋼進(jìn)行加固。

該方法在新增加柱截面的部分提高柱承載力的同時(shí)，還因?yàn)樾略鲣摪骞康臋M向約束作用,使原混凝土柱處于良好的三向應(yīng)力狀態(tài)，因而可以大幅度的提高柱的承載力。

2.3.3 混凝土梁加固

梁側(cè)面和梁底損傷較為嚴(yán)重，強(qiáng)度降低較大，采用外粘鋼板進(jìn)行加固。

該方法將鋼板粘貼于被加固的鋼筋混凝土梁受力部位，不僅能保證混凝土和鋼板作為一個(gè)新的整體共同受力，而且能最充分地發(fā)揮粘鋼構(gòu)件的抗彎、抗剪和抗壓的性能。

由于混凝土面受火災(zāi)后產(chǎn)生不同程度的疏松、剝落，應(yīng)將其鑿除后才能進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。鑿除受損混凝土后，混凝土表面凹凸不平，可用環(huán)氧膠泥砂漿對(duì)其表面進(jìn)行找平，其后才能對(duì)其進(jìn)行粘鋼加固處理。

2.3.4 混凝土板加固

三層樓板是損傷最為嚴(yán)重的構(gòu)件,其表面混凝土大面積脫落，鋼筋裸露，部分鋼筋已斷裂，故決定拆除原預(yù)制混凝土空心板，整澆筑鋼筋混凝土板。且該層是框架與磚混部分之間的轉(zhuǎn)換層，整體現(xiàn)澆對(duì)房屋的剛度是有利的。

2.3.5 構(gòu)件裂縫處理

經(jīng)過(guò)火災(zāi)作用的混凝土突然遇到冷水作用而使混凝土面產(chǎn)生大面積的龜裂紋,大部分裂縫寬度僅為0.3mm左右，且大部分在混凝土梁上，為避免鋼筋銹蝕，先用裂縫密封膠對(duì)其進(jìn)行密封。對(duì)于梁柱上的裂縫，應(yīng)采用粘鋼補(bǔ)強(qiáng)，通過(guò)鋼板來(lái)封閉粘鋼部位加固構(gòu)件的裂縫，約束混凝土的變形，從而有效地提高加固構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和抗裂性。

通過(guò)上述方法對(duì)該房屋進(jìn)行加固后,滿足了業(yè)主繼續(xù)使用該房屋的要求，同時(shí)大大縮短了該房屋恢復(fù)使用的時(shí)間，為業(yè)主節(jié)省了大量的工程費(fèi)用及其他資金,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該房屋經(jīng)加固后已經(jīng)使用了十年多未出現(xiàn)任何問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計(jì)及加固施工是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，要綜合考慮許多因素。設(shè)計(jì)人員要根據(jù)構(gòu)件實(shí)際燒傷狀況隨時(shí)調(diào)整和改進(jìn)原加固設(shè)計(jì)構(gòu)造細(xì)節(jié),進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加固施工技術(shù)指導(dǎo)，另外，還要處理和解決原結(jié)構(gòu)施工中暴露出的質(zhì)量問(wèn)題及結(jié)構(gòu)隱患,以確保今后主體承重骨架在使用期限內(nèi)的安全性、適用性及耐久性的要求。施工人員必須深入現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)每個(gè)加固構(gòu)件和每道加固工序嚴(yán)格加強(qiáng)施工管理，以確保工程的質(zhì)量。