火災(zāi)后鋼筋混凝土構(gòu)件損傷評(píng)估研究

于凱華

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400041)

0 前言

隨著城鎮(zhèn)人口的集中化與密集化、各種新型易燃材料的運(yùn)用以及人們過(guò)分追求家居和辦公地點(diǎn)的美觀和舒適性，產(chǎn)生火災(zāi)的潛在風(fēng)險(xiǎn)也在進(jìn)一步的擴(kuò)大。而同時(shí)，火災(zāi)一旦爆發(fā)后的劇烈程度和不可挽救的程度也讓人們?yōu)橹@嘆。

所以，我們需要一套經(jīng)濟(jì)適用、簡(jiǎn)單明了的理論去研究火災(zāi)后的鋼筋混凝土構(gòu)件還有沒(méi)有必要去進(jìn)行修復(fù)加固等工作。

1 火災(zāi)后混凝土的燒損評(píng)估

圖1.1 不同溫度下的混凝土強(qiáng)度

混凝土的抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)為K，K值被定義為混凝土在某一溫度下的抗壓強(qiáng)度與常溫下的抗壓強(qiáng)度之比，其計(jì)算方式為：

通過(guò)目前所做過(guò)的實(shí)驗(yàn)，可以得知：當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)溫度在 400攝氏度以?xún)?nèi)，混凝土的強(qiáng)度能抵抗住大火的傷損，強(qiáng)度不會(huì)變化。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)的溫度在 400攝氏度至600攝氏度的時(shí)候，混凝土中的氫氧化鈣就會(huì)脫水。在600攝氏度至900攝氏度的區(qū)間內(nèi)，碳酸鈣就會(huì)分解為二氧化碳和氧化鈣，使混凝土構(gòu)建內(nèi)部存在很大的壓強(qiáng)，從而很容易使混凝土發(fā)生爆裂，使混凝土的強(qiáng)度急劇下降。同時(shí)，消防人員用水槍滅火的時(shí)候也會(huì)造成混凝土強(qiáng)度的降低，因?yàn)榇罅康乃咳牒?，混凝土?gòu)件將會(huì)經(jīng)歷一個(gè)快速的熱脹冷縮的過(guò)程，其爆裂的可能性大大增加。

2 火災(zāi)后鋼筋的燒損評(píng)估

圖2.1 不同溫度下的鋼筋強(qiáng)度

隨著火災(zāi)時(shí)鋼筋混凝土構(gòu)件受熱溫度升高，鋼筋的彈性模量、極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都會(huì)減少很多。一旦溫度超過(guò) 200攝氏度，普通鋼筋的抗拉強(qiáng)度下降的就會(huì)很快；而溫度在600至700攝氏度的時(shí)候，由于鋼筋抵抗不了那么高的溫度，所以就導(dǎo)致了鋼筋強(qiáng)度急劇下降。此處，筆者提供一種鋼筋高溫極限抗拉強(qiáng)度的公式：

3 火災(zāi)后鋼筋混凝土粘結(jié)力、彈性模量損失評(píng)估

圖3.1 不同溫度下鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度

通過(guò)鋼筋和混凝土之間力的作用，建筑物的梁、柱、板才能更好的發(fā)揮作用，而這種力就是由摩擦力、鋼筋的咬合力和水泥的膠結(jié)力所共同合成。有螺紋的鋼筋通常因?yàn)橐Ш狭Φ淖饔?，更不易造成粘結(jié)力的損失；由于熱脹冷縮是構(gòu)件穩(wěn)定性和強(qiáng)度的克星，所以自然通風(fēng)條件下的冷卻較不易造成粘結(jié)力的損失。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)混凝土彈性模量的降低程度與混凝土的剛度值和火場(chǎng)溫度的升高都成反比關(guān)系。

4 結(jié)構(gòu)受損程度評(píng)估

依據(jù)以往在鋼筋混凝土構(gòu)件加固修復(fù)工程中的經(jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)的觀察和實(shí)驗(yàn)室所測(cè)得的結(jié)果，我們將結(jié)構(gòu)受損程度分為四個(gè)級(jí)別，列舉如下：

4.1 輕度損傷

通常把鋼筋受熱溫度在100攝氏度以下、混凝土受熱溫度大于400攝氏度、火災(zāi)燃燒持續(xù)時(shí)間在20分鐘左右的情況列為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)輕度損傷級(jí)別。此時(shí)的鋼筋并沒(méi)有受到火災(zāi)的影響，沒(méi)有露筋和鼓包的現(xiàn)象，其保護(hù)層也沒(méi)有剝落。

4.2 中度損傷

通常把鋼筋混凝土構(gòu)件受熱溫度在400攝氏度至500攝氏度的區(qū)間內(nèi)、鋼筋受熱溫度在300攝氏度的范圍內(nèi)、火災(zāi)燃燒持續(xù)時(shí)間在20分鐘至45分鐘左右的情況列為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中度損傷級(jí)別。在此情況下，混凝土表面的顏色會(huì)發(fā)生明顯的變化，伴隨著鼓包的狀況。鋼筋保護(hù)層通過(guò)輕微的敲打即可大面積剝落。且混凝土局部爆裂深度在2cm以?xún)?nèi)。伴隨輕微的主筋露筋現(xiàn)象，混凝土表面產(chǎn)生少量裂縫。

4.3 嚴(yán)重?fù)p傷

通常把鋼筋受熱溫度在350攝氏度至400攝氏度區(qū)間范圍內(nèi)、混凝土受熱溫度在600攝氏度至700攝氏度范圍內(nèi)、火災(zāi)燃燒持續(xù)時(shí)間在45分鐘至75分鐘的情況列為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p傷級(jí)別。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p傷的時(shí)候?qū)?huì)嚴(yán)重破壞鋼筋和混凝土之間粘結(jié)的效果，常常伴隨著保護(hù)層脫落、混凝土鼓包、充滿(mǎn)縱橫向裂縫等諸多明顯的現(xiàn)象?；炷帘焉疃茸畲竽苓_(dá)到3cm的嚴(yán)峻程度。構(gòu)件變形嚴(yán)重，常常達(dá)到規(guī)范允許值的2至3倍，混凝土燒損嚴(yán)重。

4.4 危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)

通常把鋼筋混凝土構(gòu)件受熱溫度大于700攝氏度、鋼筋受熱溫度在400攝氏度至500攝氏度區(qū)間范圍內(nèi)、火災(zāi)燃燒持續(xù)時(shí)間在75分鐘以上的情況列為鋼筋混凝土危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)級(jí)別。在鋼筋混凝土危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)級(jí)別的情況下，鋼筋和混凝土之間幾乎不存在粘結(jié)力，鋼筋大面積露筋，鋼筋混凝土構(gòu)件上的裂縫過(guò)多，鋼筋甚至都處在融化的邊緣。并且還伴隨著鋼筋混凝土構(gòu)件嚴(yán)重變形，出現(xiàn)水平或者橫向的位移。此時(shí)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常危險(xiǎn)，人員進(jìn)出一定要保持時(shí)刻警惕。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，火災(zāi)后鋼筋混凝土損傷的評(píng)定方法以及對(duì)其的加固修復(fù)工作需要協(xié)調(diào)各方人員并且考慮到各種因素。我們不僅要對(duì)燒傷后的混凝土進(jìn)行修補(bǔ)與更換，同時(shí)還要在加固修復(fù)的施工過(guò)程中主動(dòng)發(fā)現(xiàn)原結(jié)構(gòu)中本身因?yàn)榛炷列熳?、鋼筋腐蝕等等已經(jīng)存在的問(wèn)題，因?yàn)槲覀儾痪o單單要保證火災(zāi)后修復(fù)部分的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，原結(jié)構(gòu)的問(wèn)題也要得到妥善處理。

[1]張雄. 火災(zāi)混凝土鋼筋損傷的電化學(xué)檢測(cè)與評(píng)估[J]. 建筑材料學(xué)報(bào),2013,6(2):135-141.

[2]謝正良，陸洲導(dǎo). 逐層回彈法檢測(cè)火災(zāi)后混凝土強(qiáng)度[J].結(jié)構(gòu)工程師,2014,22(4):80-84.