淺析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的損傷鑒定和加固修復(fù)

裴宇 胡森寅 張瑞祺

摘要：針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特征，從火災(zāi)檢測、鑒定的實(shí)踐出發(fā)，闡述了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)后的特征和破壞機(jī)理，并介紹了該結(jié)構(gòu)火災(zāi)后檢測、鑒定的一般程序，并提出了火災(zāi)后混凝土構(gòu)件的基本加固方法，以指導(dǎo)火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)工作。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)；混凝土結(jié)構(gòu)；損傷評定；加固修復(fù)

前言：據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界發(fā)達(dá)的國家每年的火災(zāi)損失額多達(dá)幾億甚至十幾億元，占國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的0.2%-0.3%。隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，世界各國的工業(yè)化、城市化進(jìn)程不斷加快，各類誘發(fā)火災(zāi)的因素不斷增加，火災(zāi)發(fā)生率、死亡率呈明顯上升趨勢。據(jù)公安部消防局統(tǒng)計(jì)，我國每年發(fā)生約20萬起火災(zāi)。城市建筑物火災(zāi)占總火災(zāi)的2/3以上，我國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，全國共發(fā)生火災(zāi)217萬余起，死亡近10萬人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)187億余元。火災(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)注的問題，而我國目前建筑物多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因此合理評估火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的損傷程度，并提出經(jīng)濟(jì)、適用而又能滿足使用要求的加固方法，是十分必要的。

一、火災(zāi)后現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集

由于發(fā)生火災(zāi)時(shí)著火的可燃物種類、數(shù)量各不相同，火災(zāi)的燃燒條件也各異，火場溫度及其變化情況也就不相同；同樣各種結(jié)構(gòu)因受火條件和受力條件不一樣，火災(zāi)對結(jié)構(gòu)的損傷也有輕有重，同一建筑物各處的受損程度也會(huì)不一樣。因此，火災(zāi)對建筑物的損傷是復(fù)雜的，需要對火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行細(xì)致的檢查，以便制定出安全且經(jīng)濟(jì)的修復(fù)計(jì)劃。并且對事故原因進(jìn)行調(diào)查，主要內(nèi)容包括：火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、起火至熄滅總的燃燒時(shí)間；室內(nèi)著火可燃物的種類、蔓延的數(shù)量和分布情況；火災(zāi)蔓延途徑，是通過門窗、吊頂、耐火性差的內(nèi)隔墻，還是通過樓梯間等容易突破部位；燃燒條件，包括當(dāng)時(shí)風(fēng)力、風(fēng)向、氣溫等氣候條件?；馂?zāi)現(xiàn)場構(gòu)件的變形、倒塌情況；混凝土表面的顏色變化、爆裂面積大小、深度和位置；混凝土構(gòu)件的裂縫長度、寬度和分布；鋼筋的變形、露筋部位及長度；繪出建筑物受損、破壞的分布圖，并拍照或錄像。建筑物的平、立、剖面圖；竣工時(shí)間、過去火災(zāi)史混凝土的種類，所使用的材料性能、配合比，設(shè)計(jì)強(qiáng)度，鋼筋種類、配筋圖；建筑物竣工圖、施工記錄等都作詳細(xì)記錄。

二、筋和混凝土的受損分析

災(zāi)后，混凝上的組成材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)生變化，其強(qiáng)度損失主要取決于受火溫度的高低、受火作用的時(shí)間和冷卻方式。試驗(yàn)表明，當(dāng)受火溫度低于400℃時(shí)，無論是噴水冷卻還是自然冷卻，混凝土強(qiáng)度均沒有明顯的降低；當(dāng)溫度超過400℃后，水泥石的晶架結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，混凝土的強(qiáng)度開始顯著下降，在這個(gè)過程中，噴水冷卻的混凝土強(qiáng)度比自然冷卻的混凝上強(qiáng)度下降更多。主要是因?yàn)镃a（OH）2在400～600℃之間脫水，產(chǎn)生水蒸汽，集料中CaCO3在900～1000℃分解，產(chǎn)生CaO和CO2，由于CO2和水蒸氣要從內(nèi)部向外逸出，會(huì)使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生很大壓力，因此會(huì)導(dǎo)致混凝土爆裂；另外，火災(zāi)中的混凝土結(jié)構(gòu)如果噴水，其表面會(huì)突然冷卻，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部與表面溫差過大，進(jìn)一步加劇混凝土的爆裂程度。

火災(zāi)后鋼筋的極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性模量等都隨著溫度的升高而降低。普通鋼筋在200℃時(shí)開始膨脹，抗拉強(qiáng)度也隨之下降，當(dāng)溫度到達(dá)600～700℃時(shí)，鋼筋內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致強(qiáng)度和彈性模量降低程度非常嚴(yán)重?；馂?zāi)后預(yù)應(yīng)力鋼筋比非預(yù)應(yīng)力鋼筋強(qiáng)度下降要快，可以根據(jù)火災(zāi)溫度和鋼筋保護(hù)層厚度、構(gòu)件內(nèi)主筋、鋼絲的折減系數(shù)來確定其強(qiáng)度；也可以截構(gòu)件內(nèi)的鋼筋、鋼絲進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)來判定其強(qiáng)度，還可以根據(jù)暴露在火場中的日用品鋼材的力學(xué)性能變化來確定鋼筋強(qiáng)度變化。

建筑物的梁、柱等承重部分，是靠鋼筋和混凝土共同作用來完成的，通常情況下，鋼筋、混凝土是一個(gè)完整的整體，它們之間主要靠鋼筋與混凝土之間的摩擦力、鋼筋表面與水泥膠體的膠結(jié)力、混凝上和鋼筋的機(jī)械咬合力組成。中南大學(xué)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：火災(zāi)后鋼筋和混凝土的粘結(jié)力變化取決于溫度的高低、鋼筋的種類、混凝土骨料的種類以及冷卻的方式等條件。溫度越高，粘結(jié)力降低越大；圓鋼比螺紋鋼筋粘結(jié)力損失大；火災(zāi)后，石灰石骨料比花崗石骨料損失大；噴水冷卻比自然冷卻粘結(jié)力損失大。通過試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)：隨著溫度的升高，混凝上的彈性模量逐漸下降，剛度不斷降低；當(dāng)溫度達(dá)到700℃時(shí)，彈性模量幾乎為零。

對建筑結(jié)構(gòu)物火災(zāi)后受損程度給予正確評價(jià)是修復(fù)加固的前提。根據(jù)結(jié)構(gòu)受災(zāi)溫度、變形大小、裂縫分布及擴(kuò)展程度等，將混凝土構(gòu)件的受損程度大致分為輕度損傷、中度損傷、嚴(yán)重?fù)p傷、危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)。

三、火災(zāi)后損傷混凝土結(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。總的原則是：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。

（一）加固的設(shè)計(jì)

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

2.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。

3.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。

（二）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。在對燒傷層進(jìn)行清除時(shí)，要對裂縫逐一進(jìn)行檢查確認(rèn)，確定其剔鑿深度；對嚴(yán)重受損板的現(xiàn)場確認(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。

結(jié)語

雖然，火災(zāi)通常會(huì)對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)造成較大的損害，但一般通過修復(fù)加固，還是可以繼續(xù)使用的，只有在很少情況下，拆除重建才比較經(jīng)濟(jì)。因此，對于火災(zāi)后的鋼筋混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)，通過現(xiàn)場檢測、少量試驗(yàn)以及必要的計(jì)算分析，綜合評估其剩余力學(xué)性能（承載能力、剛度、抗震性能等），對構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的損傷程度做出合理的評價(jià)，進(jìn)而制定出相應(yīng)修復(fù)策略并采取具體的加固措施。

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