某海外型鋼混凝土井塔結(jié)構(gòu)火災(zāi)事故后的評(píng)估與加固

高 帥張 紅

（清華大學(xué)土木水利學(xué)院，北京100084）

某海外型鋼混凝土井塔結(jié)構(gòu)火災(zāi)事故后的評(píng)估與加固

高 帥*張 紅

（清華大學(xué)土木水利學(xué)院，北京100084）

根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼結(jié)構(gòu)、混凝土火災(zāi)后性能分析與鑒定的一般程序、內(nèi)容及方法，結(jié)合某海外型鋼混凝土井塔結(jié)構(gòu)的火災(zāi)事故，對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的鋼材現(xiàn)場(chǎng)取樣拉伸試驗(yàn)及里氏硬度試驗(yàn)；對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的鋼筋現(xiàn)場(chǎng)取樣屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率試驗(yàn)；對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的混凝土回彈法、超聲波檢測(cè)、鉆芯取樣法試驗(yàn)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了利用鉆芯取樣法對(duì)混凝土的耐久性檢測(cè)的試驗(yàn)方法。隨后采用測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)，分析了該火災(zāi)后結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能，并與火災(zāi)前結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比分析。對(duì)原結(jié)構(gòu)中鋼材節(jié)點(diǎn)區(qū)域焊縫裂紋進(jìn)行修復(fù)，對(duì)不同損傷等級(jí)混凝土進(jìn)行分類處理的維修方案，通過(guò)維修保證了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性等設(shè)計(jì)要求。此外，對(duì)火災(zāi)后型鋼混凝土的檢測(cè)鑒定需要注意的問(wèn)題進(jìn)行了探討，對(duì)比了中美兩國(guó)規(guī)范鉆芯取樣法異同點(diǎn)，結(jié)合試驗(yàn)，對(duì)中國(guó)規(guī)范鉆芯取樣法提出了修正意見(jiàn)。

現(xiàn)場(chǎng)勘察，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，火災(zāi)，拉伸試驗(yàn)，鑒定方法，檢測(cè)報(bào)告，維修方案

1 工程概況及火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)描述

火災(zāi)是常遇的災(zāi)害之一，對(duì)于遭受火災(zāi)的建筑物，首要的任務(wù)是進(jìn)行評(píng)估，修復(fù)加固，恢復(fù)設(shè)計(jì)承載能力和使用功能。

該火災(zāi)事故的建筑物為型鋼混凝土井塔結(jié)構(gòu)，位于蒙古國(guó)境內(nèi)西南方向，毗鄰中國(guó)邊境。主體結(jié)構(gòu)高96 m，地下埋深24 m。設(shè)計(jì)生產(chǎn)階段為雙箕斗、罐籠平衡錘兩套工作系統(tǒng)，兩套提升系統(tǒng)分別位于78.50 m，63.50 m標(biāo)高，施工階段要考慮井塔兼作臨時(shí)掘井用。由于工藝設(shè)計(jì)的異常復(fù)雜性，該井塔外墻采用了型鋼混凝土筒體結(jié)構(gòu)，樓板采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。豎向構(gòu)件混凝土強(qiáng)度為C35，鋼筋為三級(jí)鋼，鋼材強(qiáng)度為Q235。墻體厚度從－24.0～46.50 m為1 m，從46.50～96.00 m為650 mm，采用液壓爬模施工工藝。

2011年3月15日凌晨4時(shí)，該井塔爬模區(qū)域突發(fā)火生時(shí)井塔組合結(jié)構(gòu)中的型鋼結(jié)構(gòu)施工高度接近38 m，混凝土澆筑高度約26 m，普通消防車水頭無(wú)法覆蓋火勢(shì)，直到現(xiàn)場(chǎng)可燃物燃燒殆盡為止（圖1）。

圖1 火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)圖片F(xiàn)ig.1 Fire accident on site

2 火災(zāi)分區(qū)及處理流程

火災(zāi)后型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能呈現(xiàn)不同程度的降低，需要對(duì)混凝土、型鋼、鋼筋［1，2］分別進(jìn)行檢測(cè)，來(lái)評(píng)估建筑物或者局部構(gòu)件是否可以繼續(xù)使用或者拆除。因此，建筑物經(jīng)歷火災(zāi)后，要做好現(xiàn)場(chǎng)證據(jù)的保留，并及時(shí)有目的地對(duì)該建筑物的安全性進(jìn)行評(píng)估和分析，進(jìn)一步提出災(zāi)后的修復(fù)加固措施。為了確定火災(zāi)影響區(qū)域、分析火災(zāi)影響程度、確定火災(zāi)后結(jié)構(gòu)處理方案，對(duì)井塔塔身高度19.6～26.0 m段的火災(zāi)影響區(qū)域內(nèi)的井塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，為了對(duì)比鑒定需要，還對(duì)該井塔未過(guò)火區(qū)域接近±0.00 m進(jìn)行取樣分析。由于受火區(qū)域范圍較大，對(duì)火災(zāi)發(fā)生區(qū)域進(jìn)行了分區(qū)檢測(cè)，筒體外分為1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)，筒體內(nèi)分為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)，如圖2所示。

圖2 火災(zāi)分區(qū)平面布置圖Fig.2 Fire partition layout

目前，對(duì)結(jié)構(gòu)損傷程度的評(píng)估［3-5］常用的方法有兩種：宏觀法和計(jì)算法。宏觀法一般通過(guò)外觀變形和燒傷程度的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，并結(jié)合構(gòu)件性能試驗(yàn)，綜合分析判斷結(jié)構(gòu)構(gòu)件火災(zāi)受損程度和損傷等級(jí)；計(jì)算法則是沿用結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)中的方法來(lái)計(jì)算構(gòu)件溫度場(chǎng)及材料力學(xué)性能的喪失程度及其剩余承載力，作為火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)受損程度評(píng)估和修復(fù)加固設(shè)計(jì)的依據(jù)。火災(zāi)事故的工程評(píng)估及后續(xù)處理流程如圖3所示。后續(xù)章節(jié)結(jié)合該流程，對(duì)火災(zāi)事故進(jìn)行了調(diào)查研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋、混凝土進(jìn)行了檢測(cè)，并提出了相應(yīng)的處理方案。

3 火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查調(diào)查，由于采用爬模施工，火災(zāi)主要發(fā)生在操作平臺(tái)的外側(cè)圍護(hù)層，結(jié)構(gòu)混凝土和外圍火場(chǎng)之間被模具所阻隔。主要可燃物為鋪設(shè)腳手架踏板的木材，其他材料為外圍包裹的棉被等保溫材料。根據(jù)可燃物火災(zāi)殘留物調(diào)查，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，外圍保溫材料短時(shí)間內(nèi)燃燒完畢，現(xiàn)場(chǎng)殘留物較少；大部分木材的火災(zāi)殘留物為原可燃物的30%～70%，個(gè)別充分燃燒木材的殘留物為15%～30%。

根據(jù)主要可燃物種類及燃燒狀況，以及檢測(cè)結(jié)果可以推斷火場(chǎng)最高溫度在700℃以下。木材燃燒較為充分部位火場(chǎng)溫度在500℃～700℃。在可燃物附近、直接受火影響區(qū)域，受火溫度在300℃～500℃；離火場(chǎng)較遠(yuǎn)、僅表層熏黑區(qū)域或無(wú)火焰直接影響區(qū)域受火溫度在300℃以下，火場(chǎng)溫度分布范圍見(jiàn)圖2。

4 火災(zāi)后鋼結(jié)構(gòu)材料與構(gòu)件檢測(cè)及處理方案

在火災(zāi)中，熱應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)使構(gòu)件的受力超過(guò)其承載力而導(dǎo)致構(gòu)件撓曲或產(chǎn)生破壞性裂縫。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)后的鋼結(jié)構(gòu)梁、柱、節(jié)點(diǎn)區(qū)檢查，發(fā)現(xiàn)26.0～38.0 m火災(zāi)區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)梁柱表面沒(méi)有裂縫，進(jìn)一步檢查連接區(qū)域，大部分焊縫完好，螺栓沒(méi)有滑移現(xiàn)象。但在電梯井附近的鋼構(gòu)件出現(xiàn)了防腐涂層碳化，防火涂層局部脫落，其中有1-GL-46端部出現(xiàn)了有肉眼可見(jiàn)的裂縫。

此外，此次火災(zāi)受火區(qū)域?qū)儆谧匀焕鋮s。現(xiàn)有火災(zāi)理論認(rèn)為，受大火高溫600℃以內(nèi)，自然冷卻的鋼材與常溫下的鋼材彈性模量基本相當(dāng)；屈服強(qiáng)度在400℃以內(nèi)不變；溫度在600℃冷卻后，屈服強(qiáng)度降低約為7%。現(xiàn)進(jìn)一步對(duì)鋼材進(jìn)行里氏硬度檢測(cè)［6，7］和構(gòu)件取樣拉伸試驗(yàn)，如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)取樣試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Steel strength testing results

顯然，由取樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在火場(chǎng)高溫作用下，H型鋼所有取樣樣本點(diǎn)的屈服強(qiáng)度都能滿足設(shè)計(jì)需求，屈服強(qiáng)度基本在300 N／mm2附近，極限強(qiáng)度在430～500 N／mm2。只有電梯井區(qū)域1-GL-46的屈服強(qiáng)度偏低，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查報(bào)告，說(shuō)明該區(qū)域火場(chǎng)溫度可能偏高。其次，該區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)區(qū)有肉眼可見(jiàn)裂紋。綜合處理，需更換該電梯井梁，進(jìn)一步對(duì)該區(qū)域的連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

5 火災(zāi)后鋼筋及混凝土的檢測(cè)及處理方案

5.1 火災(zāi)區(qū)域鋼筋檢測(cè)

火災(zāi)區(qū)域外露鋼筋直徑分別為D16和D25，對(duì)該區(qū)域的鋼筋屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度，伸長(zhǎng)率分別進(jìn)行檢測(cè)，分區(qū)域取代表性樣本共計(jì)18個(gè)，在火場(chǎng)高溫作用下，鋼筋樣本點(diǎn)C-12、C-13局部有輕微損傷、樣本點(diǎn)A-1有破損。為了對(duì)比分析試樣結(jié)果，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)生火災(zāi)區(qū)的鋼筋進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)指標(biāo)實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果匯總表如表2所示。

表2 火災(zāi)區(qū)域外露鋼筋檢測(cè)結(jié)果匯總表Table 2 Property inspection results of rebar exposed to the fire

分析以上數(shù)據(jù)，鋼筋的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)比火災(zāi)發(fā)生區(qū)域和火災(zāi)未發(fā)生區(qū)域的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)值，二者并沒(méi)有顯著性差異?？梢?jiàn)，火災(zāi)區(qū)域的鋼筋的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

進(jìn)一步觀測(cè)有混凝土保護(hù)的鋼筋，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘查，發(fā)現(xiàn)鋼筋的保護(hù)層厚度在30～60 mm之間，大部分過(guò)火區(qū)域的混凝土保護(hù)層顏色沒(méi)有發(fā)生改變，除局部區(qū)域混凝土變酥，需進(jìn)行處理外。可以推斷出混凝土中的鋼筋的力學(xué)性能沒(méi)有顯著改變。

基于現(xiàn)場(chǎng)勘查和對(duì)鋼筋的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)可知，鋼筋的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)在火場(chǎng)下沒(méi)有降低，均能滿足設(shè)計(jì)的要求。

5.2 火災(zāi)區(qū)域混凝土檢測(cè)及處理方案

火災(zāi)后混凝土區(qū)域的檢測(cè)方法主要集中在現(xiàn)場(chǎng)觀察法、回彈法、超聲波法、鉆芯取樣法。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察，火災(zāi)后混凝土墻體的性態(tài)，發(fā)現(xiàn)在火災(zāi)發(fā)生區(qū)域，混凝土顏色沒(méi)有發(fā)生改變，但接近26.0 m區(qū)域混凝土被煙灰的黑色所覆蓋。錘擊后混凝土聲音響亮，表面沒(méi)有留下任何痕跡，墻體表面混凝土沒(méi)有脫落，受力鋼筋也沒(méi)有外露現(xiàn)象。從而可以初步判明火災(zāi)后混凝土墻體的損傷等級(jí)應(yīng)該為Ⅱa類。

進(jìn)一步用回彈法［8］對(duì)混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，

對(duì)混凝土筒體內(nèi)外側(cè)8個(gè)面分別進(jìn)行回彈試驗(yàn)，得出受火災(zāi)影響最嚴(yán)重的區(qū)域（22.60～26.00 m）的混凝土強(qiáng)度平均值均大于35 MPa，可見(jiàn)混凝土強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)要求。

同時(shí)通過(guò)超聲波探傷實(shí)驗(yàn)［9-11］，對(duì)發(fā)生火災(zāi)區(qū)域和未發(fā)生火災(zāi)區(qū)域混凝土進(jìn)行密實(shí)度對(duì)測(cè)檢測(cè)，在測(cè)位兩個(gè)互相平行的測(cè)試面上分別畫(huà)出等間距的網(wǎng)格線，網(wǎng)格間距100 mm。在布置好的測(cè)點(diǎn)分別測(cè)出聲時(shí)、波幅聲學(xué)參數(shù)。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表3所示。

表3 超聲波檢測(cè)混凝土墻體聲學(xué)統(tǒng)計(jì)參數(shù)Table 3 Acoustic parameters of the concrete wall from the ultrasonic inspection

對(duì)比筒體發(fā)生火災(zāi)區(qū)域和未發(fā)生火災(zāi)區(qū)域的對(duì)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)公式：

式中，mx為平均值；λ1為置信參數(shù)；sx為標(biāo)準(zhǔn)差。

分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)無(wú)異常點(diǎn)，對(duì)比各區(qū)域混凝土聲速達(dá)到4 000 m／s，得出混凝土表層損傷較小，混凝土密實(shí)度較好。即使受火災(zāi)影響較為嚴(yán)重的電梯井區(qū)域，聲速值也能達(dá)到4 223 m／s，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀察，除電梯井附近區(qū)域混凝土表層變酥外，大部分區(qū)域混凝土仍很密實(shí)。

通過(guò)以上檢測(cè)手段，可以初步判斷除個(gè)別區(qū)域（電梯井墻體外側(cè)）混凝土受火影響比較嚴(yán)重外，其余混凝土構(gòu)件受火影響損傷程度并不嚴(yán)重。

但以上幾種分析方法在實(shí)際檢測(cè)中誤差較大，只能從宏觀上判斷混凝土強(qiáng)度在火場(chǎng)作用下是否有顯著降低，國(guó)內(nèi)外均認(rèn)為取芯法是混凝土現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中公認(rèn)的較精確的方法。

對(duì)比中美鉆芯取樣規(guī)程［12-14］，芯樣抗壓試件的高度和直徑之比均應(yīng)在1～2范圍內(nèi)，其中中國(guó)鉆芯法取樣規(guī)程同時(shí)要求鉆取的芯樣直徑一般不宜小于骨料最大粒徑的3倍，在任何情況下不得小于骨料最大粒徑的2倍。而美國(guó)C42／42M規(guī)程［13］中同時(shí)要求受力構(gòu)件的試樣直徑不宜小于94 mm。

相應(yīng)中國(guó)規(guī)程的混凝土強(qiáng)度等級(jí)以邊長(zhǎng)為150 mm的立方體試件抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定，試樣與標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊的換算強(qiáng)度公式如下：

式中 fccu——芯樣試件混凝土強(qiáng)度換算值

（MPa），精確至0.1 MPa；

F——芯樣試件抗壓試驗(yàn)測(cè)得的最大壓

力（N）；

d——芯樣事件的平均直徑（mm）；

α——不同高徑比的芯樣事件混凝土強(qiáng)

度換算系數(shù)。

而美國(guó)規(guī)程選取φ150×300圓柱體試塊作為抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，圓柱體強(qiáng)度約取立方體強(qiáng)度乘以0.83～0.85。相應(yīng)美國(guó)C42／42M［13］的混凝土強(qiáng)度換算系數(shù)如表4所示。

表4 美國(guó)芯樣試件混凝土換算系數(shù)Table 4 Conversion coefficient of concrete core sample in American

中國(guó)相應(yīng)換算系數(shù)α乘以0.83～0.85約等于表4數(shù)據(jù)，但二者之間還有少許差異?？梢?jiàn)中美規(guī)程對(duì)于混凝土芯樣的取樣標(biāo)準(zhǔn)基本一致。本文采用中國(guó)規(guī)程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)井塔結(jié)構(gòu)不同標(biāo)高的混凝土進(jìn)行鉆芯取樣并分析混凝土試樣（圖4）。

圖4 混凝土試樣Fig.4 Concrete sample

火災(zāi)區(qū)域混凝土試樣測(cè)試結(jié)果匯總?cè)绫?所示。通過(guò)檢測(cè)，第一組試件D＝7；H＝14共計(jì)16個(gè)，強(qiáng)度均值只有15.5 MPa；而第二組試樣D＝10；H＝20強(qiáng)度均值為38.3 MPa，二者差異很大。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室分析，盡管試樣高徑比為2，但試樣直徑過(guò)小，在壓力機(jī)作用下，試件的破壞形態(tài)基本都是斜向剪切破壞形態(tài)，說(shuō)明該組試件檢測(cè)的抗壓強(qiáng)度存在失真現(xiàn)象，需剔除。

表5 混凝土試樣強(qiáng)度實(shí)測(cè)值匯總Table 5 Testing result of core sam p le on site

可見(jiàn)，通過(guò)實(shí)際工程檢驗(yàn)，C42／42M規(guī)程規(guī)定［13］受力最小混凝土試樣直徑為94 mm有其合理性，中國(guó)規(guī)程也應(yīng)加入相應(yīng)條款來(lái)保證試樣選取的正確性。

通過(guò)分析，第二組試件的抗壓強(qiáng)度波動(dòng)范圍為34.6～44.7MPa，均值為38.3MPa，可見(jiàn)該井塔在火災(zāi)區(qū)域的混凝土強(qiáng)度無(wú)顯著降低，能滿足設(shè)計(jì)要求。

進(jìn)一步對(duì)本次火災(zāi)發(fā)生區(qū)域所取試樣分區(qū)域檢測(cè)分析，內(nèi)外區(qū)各取4個(gè)試樣，最終得出各區(qū)域混凝土抗壓強(qiáng)度值匯總表如表6所示。

表6 分區(qū)混凝土強(qiáng)度試樣實(shí)測(cè)值（火災(zāi)區(qū)域）Table 6 Testing strength of concrete core samp le in the fire area

對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，火災(zāi)后各區(qū)域的換算立方體抗壓強(qiáng)度最小值出現(xiàn)在1區(qū)域，為42.40 MPa，其次為B區(qū)，為43.28 MPa，可見(jiàn)各面墻體在火災(zāi)后的設(shè)計(jì)強(qiáng)度值能滿足設(shè)計(jì)要求。

只有區(qū)域1，B分析數(shù)據(jù)偏低，逐個(gè)分析1，B區(qū)域的試樣強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)在電梯井區(qū)域的1（C）樣本抗壓強(qiáng)度33.7 MPa，B（3）樣本抗壓強(qiáng)度只有34.3 MPa，可見(jiàn)，該區(qū)域混凝土在火災(zāi)后的形態(tài)需要重點(diǎn)關(guān)注?；馂?zāi)區(qū)域混凝土試樣及其換算抗壓強(qiáng)度值如圖5所示。

圖5 火災(zāi)區(qū)域混凝土試樣及其換算抗壓強(qiáng)度值Fig.5 Concrete compression strength in the fire accident zone

為了對(duì)比火災(zāi)發(fā)生區(qū)域和火災(zāi)未傷及區(qū)域混凝土抗壓強(qiáng)度值之間的關(guān)系，本次試驗(yàn)也同時(shí)在0.5～1.55 m高度區(qū)域，對(duì)混凝土進(jìn)行鉆芯取樣，最終得出的混凝土抗壓強(qiáng)度值匯總表如表7所示。

對(duì)表7數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該表試樣取自未發(fā)生火災(zāi)區(qū)域，標(biāo)高在0.5～1.55 m之間，分析數(shù)據(jù)如圖6所示。

表7 分區(qū)混凝土強(qiáng)度試樣實(shí)測(cè)值（未發(fā)生火災(zāi)區(qū)域）Table 7 Testing strength ofconcrete core sam ples in non-fire area

l

圖6 未發(fā)生火災(zāi)區(qū)域混凝土試樣及其換算抗壓強(qiáng)度值Fig.6 Cconcrete compression strength in non-fire zone

通過(guò)換算，未發(fā)生火災(zāi)區(qū)域的混凝土強(qiáng)度高于設(shè)計(jì)要求的35 MPa，進(jìn)一步對(duì)比發(fā)生和未發(fā)生火災(zāi)區(qū)域混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，發(fā)現(xiàn)發(fā)生火災(zāi)區(qū)域的混凝土強(qiáng)度甚至高于未發(fā)生火災(zāi)區(qū)域的混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，顯然，火災(zāi)并沒(méi)有降低混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度值。

總之，通過(guò)鉆芯取樣法這種較為精確的混凝土強(qiáng)度測(cè)試方法，驗(yàn)證了火災(zāi)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)強(qiáng)度并沒(méi)有降低，也說(shuō)明了混凝土結(jié)構(gòu)整體是安全的。只有電梯井區(qū)域混凝土試樣抗壓強(qiáng)度檢測(cè)值偏低，但也能滿足設(shè)計(jì)要求。

6 混凝土的耐久性檢驗(yàn)及處理方案

火災(zāi)后混凝土的耐久性檢驗(yàn)［15，16］目前在國(guó)內(nèi)外規(guī)范中沒(méi)有過(guò)多涉及，本文基于以下兩個(gè)方面對(duì)混凝土的耐久性能進(jìn)行評(píng)估。

首先經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，火災(zāi)區(qū)域有部分混凝土表面被熏黑，電梯井區(qū)域有局部裂縫，甚至局部鋼筋保護(hù)層變酥，需進(jìn)行處理；其他區(qū)域混凝土表面顏色沒(méi)有變化，錘擊聲音清脆，可見(jiàn)，整體結(jié)構(gòu)的混凝土耐久性基本能滿足設(shè)計(jì)要求。

本文進(jìn)一步通過(guò)超聲波及鉆芯取樣兩種方法對(duì)觀察所得結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

由于墻體混凝土保護(hù)層厚度在60 mm左右，中美規(guī)程規(guī)定芯樣抗壓試件的高度和直徑之比均應(yīng)在1～2范圍內(nèi)。故取高度為80 mm，直徑在100 mm的試樣，一方面高度比較接近混凝土保護(hù)層厚度，同時(shí)滿足直徑大于94 mm，試樣高徑比盡可能接近一，故取高度為100 mm，從而來(lái)檢測(cè)混凝土的耐久性能。為了測(cè)試混凝土表皮至核心混凝土強(qiáng)度的變化情況，在現(xiàn)場(chǎng)勘察中對(duì)火災(zāi)影響最嚴(yán)重的電梯井區(qū)域設(shè)計(jì)了D＝100 mm；H＝80 mm的試樣，分別進(jìn)行抗壓試驗(yàn)和超聲波試驗(yàn)，來(lái)檢測(cè)混凝土強(qiáng)度從表層到核心的變化情況。兩種不同方法得出試樣抗壓強(qiáng)度對(duì)比值見(jiàn)表8。

表8 混凝土強(qiáng)度從表皮到核心的變化值Table 8 Variance of concrete strength from the surface to the core

由于影響超聲波測(cè)強(qiáng)的因素較多，主要受內(nèi)部條件原材料及配合比的影響，礦物細(xì)滲料對(duì)超聲波的影響，粗骨料的品種粒徑和含量的影響，以及外部條件溫度和含水率、養(yǎng)護(hù)方法、齡期等因素的影響。導(dǎo)致其測(cè)試誤差在14.0%～18.0%。

但它可以作為抗壓試驗(yàn)的有益補(bǔ)充，本文基于對(duì)測(cè)法對(duì)8 cm芯樣的聲速測(cè)量推算混凝土強(qiáng)度：

超聲波檢測(cè)如圖8所示。

圖8 超聲波檢測(cè)試樣Fig.8 Ultrasonic test on the concrete sample

評(píng)估火災(zāi)對(duì)剪力墻墻體強(qiáng)度的影響深度，采用上述兩種方法對(duì)2組試塊進(jìn)行檢測(cè)，利用超聲波與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本趨于一致。進(jìn)一步分析該2組試塊數(shù)據(jù)，如圖9所示，在0～8 cm區(qū)域內(nèi)混凝土強(qiáng)度降低低值較多，隨著深度增加，混凝土強(qiáng)度逐漸增加，通過(guò)試驗(yàn)可知，火災(zāi)對(duì)墻體8 cm深度范圍內(nèi)有較大影響，強(qiáng)度可能降低10%～20%，需對(duì)該部分混凝土的進(jìn)行修復(fù)處理，保證井塔塔身結(jié)構(gòu)的耐久性，通過(guò)計(jì)算分析也進(jìn)一步驗(yàn)證了觀察結(jié)果的正確性。

基于以上分析，需對(duì)該井塔混凝土進(jìn)行耐久性處理。一般區(qū)域（在火災(zāi)影響下混凝土表面變黑，有輕微損傷的區(qū)域）清理表面開(kāi)裂松散的混凝土后，若仍存在細(xì)微裂縫，應(yīng)采用環(huán)氧灌漿料灌縫；嚴(yán)重區(qū)域（主要集中在標(biāo)高22.80 m上下處及電梯井部位，大片出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象，深度影響范圍在60～80 mm）鏟除表面受損混凝土，若仍存在細(xì)微裂縫，應(yīng)采用環(huán)氧灌漿料修補(bǔ)。若鋼筋表面有氧化跡象，須清理氧化外皮，并在表面涂刷阻銹劑，并在清理干凈的混凝土表面涂刷界面劑，采用C40細(xì)石混凝土重新澆筑（或采用噴射混凝土方法），增強(qiáng)墻體混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能。按下述（1）或（2）進(jìn)行修補(bǔ)。該區(qū)域主要分布19.0～26.0 m范圍內(nèi)的電梯井區(qū)域，對(duì)混凝土裂縫的修補(bǔ)主要采取以下兩種方法：

（1）表面處理法：適用于修補(bǔ)穩(wěn)定裂縫，同時(shí)裂縫寬度較細(xì)、較淺（寬度小于0.3 mm）。可在裂縫附近用鋼絲刷刷凈再用壓力水清洗并濕潤(rùn)后，用1∶（1～2）水泥砂漿抹平或在表面刷洗干凈并干燥后涂抹2～3 mm厚的環(huán)氧樹(shù)脂水泥，如圖10（a）所示。

圖9 火災(zāi)對(duì)剪力墻深度影響Fig.9 Influence depth for the shear wall in the fire accident

圖10 裂縫修復(fù)方案Fig.10 Crack repairing scheme

（2）鑿槽填充法：適用于修補(bǔ)中等寬度的混凝土裂縫，裂縫寬度大于0.3 mm，修補(bǔ)時(shí)應(yīng)沿裂縫用機(jī)械開(kāi)槽或用手工剔槽，鑿成“V”形或“U”形，槽寬和槽深可根據(jù)裂縫深度和有利于封縫來(lái)確定。“V”形槽適合于樹(shù)脂類的填充料，其寬度和深度一般為30～50 mm；“U”形槽適合于水泥砂漿類的填充料，其上口寬度一般為60～80 mm。鑿槽是沿裂縫打開(kāi)，再向兩側(cè)加寬，然后用鋼絲刷和壓縮空氣將混凝土碎屑粉塵清除干凈。采用水泥砂漿填充材料時(shí)，結(jié)合面應(yīng)提前灑水濕潤(rùn)，填充后做好養(yǎng)護(hù)工作，確保砂漿與槽邊混凝土粘結(jié)質(zhì)量，如圖10（b）所示。

7 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合某一國(guó)際工程案例蒙古某型鋼混凝土井塔結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的火災(zāi)后處理事故方案，對(duì)比中美規(guī)范，對(duì)該建筑物火災(zāi)事故進(jìn)行了詳實(shí)的分析和評(píng)估，也給出了此類國(guó)際化工程事故發(fā)生后處理的一般流程和方法。進(jìn)一步對(duì)比兩國(guó)規(guī)范可知，在火災(zāi)事故處理流程、鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測(cè)、鋼筋強(qiáng)度檢測(cè)、混凝土強(qiáng)度檢測(cè)等方面兩國(guó)規(guī)范采用的方法，指標(biāo)基本一致。但對(duì)于混凝土試樣的最小直徑，美國(guó)規(guī)范有更加明確的要求，即需大于94 mm。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該規(guī)定比較合理，建議中國(guó)規(guī)范也加入該項(xiàng)規(guī)定。由于在耐久性方面中美規(guī)范并沒(méi)有成熟科學(xué)的方法，本文通過(guò)檢測(cè)混凝土強(qiáng)度從表層到核心逐漸變化的事實(shí)，較好的驗(yàn)證了表層混凝土強(qiáng)度有略微降低，并給出了相應(yīng)的修復(fù)方案。

［1］ 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).CECS 252—2009火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.China Association for Engineering Construction Standardization.CECS 252—2009 Standard for building structural assessment after fire［S］.Beijing：China Planning Press，2009.（in Chinese）

［2］ 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).CECS 252—2009混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1990 China Association for Engineering Construction Standardization.CECS 252—2009 Technical specification for strengthening concrete structures［S］.Beijing：China Planning Press，2009.（in Chinese）

［3］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB／T 50344—2004建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB／T 50344—2004 Technical standard for inspection of building structure［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2004.（in Chinese）

［4］ 李國(guó)強(qiáng)，蔣首超，林桂祥.鋼結(jié)構(gòu)抗火計(jì)算與設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999. Li Guoqiang，Jiang Shouchao，Lin Guixiang.Fire resistance calculation and design of steel structure［M］.Beijing：China Architecture and Building Press，1999.（in Chinese）

［5］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50107—2010混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB 50107—2010 Standard for test and evaluation of concrete compression strength［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2010.（in Chinese）

［6］ 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB／T 17394—1998金屬硬度里氏試驗(yàn)方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.General Administration of Quality Supervision，Inspection and quarantine of the People’s Republic of China.GB／T 17394—1998 Metallicmaterials-leeb hardness test［S］.Beijing：China Standard Press，1998.（in Chinese）

［7］ 蔣首超，李國(guó)強(qiáng)，韓兵康，等.某鋼結(jié)構(gòu)梯架火災(zāi)后的性能分析與鑒定［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2009，25（1）：124-127.Jiang Shouchao，Li Guoqiang，Han Bingkang，et al.Appraisal on structural safety of a steel Frame after fire［J］.Structural Engineers，2009，25（1）：124-127.（in Chinese）

［8］ 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).CECS 02—2005超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.China Association for Engineering Construction Standardization.CECS 02—2005 Technical specification for detecting strength of concrete by ultrasonic-rebound combined method［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2005.（in Chinese）

［9］ 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).CECS 21—2000超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.China Association for Engineering Construction Standardization.CECS 21—2000 Technical specification for inspection of concrete defects by ultrasonicmethod［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2000.（in Chinese）

［10］ 國(guó)家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心.混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)［M］.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，1994.National Center for Quality Supervision and Test of Building Engineering.Concrete nondestructive examination technique［M］.Beijing：Chinese Building Mate-rial Industry Press，1994.（in Chinese）

［11］ 陸洲導(dǎo)，蘇磊，余江滔，等.火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)的方法與發(fā)展探討［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2010，26（1）：131-138.Lu Zhoudao，Su Lei，Yu Jiangtao，etal.Advance and progress in inspection of fire damaged concrete structures［J］.Structural Engineers，2010，26（1）：131-138.（in Chinese）

［12］ ASTM C39／C39M Standard testmethod for compressive strength of cylindrical concrete specimens.Annual Book ASTM Standards，4（04.02），2002.

［13］ C42／C42MStandard testmethod for obtaining and testing drilled cores and sawed beams of concrete［S］.Annual Book ASTM Standards，4（04.02），1992.

［14］ 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).CECS 03—2007鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.China Association for Engineering Construction Standardization.CECS 03—2007 Technical specification for testing concrete strength with drilled core［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2007.（in Chinese）

［15］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ／T 193—2009混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.JGJ／T 193—2009，Standard for inspection and assessment of concrete durability［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2009.（in Chinese）

［16］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GBT 50082—2009普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能實(shí)驗(yàn)方法［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GBT 50082—2009 Standard for long-term performance and testof ordinary concrete durability［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2009.（in Chinese）

Appraisal and Retrofit of an Overseas Com posite Shaft Structure after an Fire Accident

GAO Shuai*ZHANG Hong
（The School of Civil Engineering of Tsinghua University，Beijing 100084，China）

According to general procedures of steel with concrete material appraisal，an overseas composite shaft structure after a fire accidentwas investigated.Steelmaterialswere studied through tensile tests and the Leeb Hardness.The tensile strength，the yield strength，and the elongation of rebar were obtained by lab tests.The concrete strength was estimated by the ultrasonic-rebound tests，the compressive testof drilling concrete cores.Concrete durability was studied with these drilling cores as well.With these data，mechanical properties of the structuralmaterials damaged in fire were compared with those from the non-fire area.The cracks at the steel bar welding joints caused by fire were repaired.Different repair schemeswere designed for different degrees of concrete.Through retrofitworks，strength，stability and durability of the structurewere ensured.Engineering practices of sampling concrete between and US were compared and some suggestions on Chinese codeswere proposed.

site surveying，composite structure，fire accident，tensile tests，appraisalmethods，test Report，maintenancemethod

2013－04－01

*聯(lián)系作者，Email：sparkle1979＠163.com