鋼結(jié)構(gòu)廠房火災(zāi)后的安全性鑒定及分析

田原，鄭開彬，蔣志軍，何世兵

（重慶市建筑科學(xué)研究院有限公司，重慶 400016）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)由于具有自重輕、延性好、抗震性能優(yōu)越、工業(yè)化程度高、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，近年來發(fā)展十分迅速。然而鋼結(jié)構(gòu)也具有其劣勢，其中最為關(guān)鍵的一點(diǎn)就是耐火性能差，隨溫度不斷升高，鋼材的屈服強(qiáng)度、彈性模量將迅速降低[1-2]。根據(jù)國內(nèi)外研究表明，鋼材在升溫至400℃左右時(shí)，其屈服強(qiáng)度開始急劇下降直到800℃左右，800℃以后屈服強(qiáng)度平緩下降直到鋼材的熔點(diǎn)[3-4]。由于火災(zāi)溫度場分布情況不同，通常會(huì)出現(xiàn)部分構(gòu)件受火損傷但并未發(fā)生破壞的情況，因此對受火損傷的構(gòu)件進(jìn)行科學(xué)識別和安全性研究具有重大的理論及現(xiàn)實(shí)意義[5]。

1 火災(zāi)現(xiàn)場情況調(diào)查及溫度場判定

對火災(zāi)范圍的大致判定，往往可以通過觀察構(gòu)件發(fā)生形變的位置、高度、面積等來進(jìn)行?；炷翗?gòu)件經(jīng)歷火災(zāi)后，其表面顏色以及密實(shí)度將發(fā)生明顯變化；對于鋼材構(gòu)件，應(yīng)重點(diǎn)觀察其表面涂層部分的顏色變化、防火涂層發(fā)生起泡、起屑、脫落等?；馂?zāi)的溫度區(qū)間則可以通過火災(zāi)現(xiàn)場的殘留物來進(jìn)行判定：經(jīng)過一段時(shí)間的灼燒，如混凝土?xí)殡S溫度的提升發(fā)生顏色、密度上的改變；鋼材、鋁材等會(huì)發(fā)生明顯變形。當(dāng)火場的溫度大約在200℃～250℃時(shí)，鋼材構(gòu)件表面的涂層會(huì)被燒毀；300℃～350℃時(shí)，鋼材配件會(huì)發(fā)生翹邊和彎曲；700℃以上時(shí)，鋼材構(gòu)件可能發(fā)生明顯的彎曲、扭曲變形[6-8]。

2 火災(zāi)后對鋼結(jié)構(gòu)的檢測及鑒定工作

2.1 現(xiàn)場檢測工作

首先，應(yīng)調(diào)查建筑物的基本情況、房屋結(jié)構(gòu)構(gòu)造，明確鑒定的目標(biāo)、內(nèi)容、火災(zāi)范圍；了解可燃物的特性，明確火災(zāi)發(fā)生、撲滅以及持續(xù)燃燒的時(shí)間，燃燒的面積和涉及的高度、范圍等。現(xiàn)場對受火構(gòu)件仔細(xì)觀察、記錄現(xiàn)場殘留物的外觀和狀態(tài)以及鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形情況，通過上述信息大致判定火災(zāi)現(xiàn)場溫度分布，初步推斷結(jié)構(gòu)部件經(jīng)受的最高溫度；檢測鋼結(jié)構(gòu)變形情況、焊縫情況、鉚釘、螺栓等是否出現(xiàn)變形、松動(dòng)、剪切和滑動(dòng)的現(xiàn)象；在條件允許的情況下，對于受高溫影響嚴(yán)重構(gòu)件、體現(xiàn)溫度場分布的典型構(gòu)件進(jìn)行局部取樣、力學(xué)性能試驗(yàn)。

2.2 分析鑒定工作

根據(jù)文獻(xiàn)[9]中的相關(guān)規(guī)定，應(yīng)對現(xiàn)場檢測結(jié)果進(jìn)行初步鑒定以及詳細(xì)鑒定評級。在初步鑒定評級階段，根據(jù)鋼構(gòu)件的涂裝與防火保護(hù)層損傷、殘余變形與撕裂狀態(tài)、局部屈曲和扭曲形態(tài)等參數(shù)對各個(gè)鋼構(gòu)件進(jìn)行評級。然后根據(jù)初步鑒定評級的結(jié)果以及規(guī)范中的要求，對其中初步鑒定評級為Ⅱa級以上的構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)鑒定。

詳細(xì)鑒定的內(nèi)容主要分為兩大部分：受火鋼構(gòu)件的材料特性和承載力。受火鋼構(gòu)件的材料特性是指在實(shí)驗(yàn)室對火災(zāi)現(xiàn)場取樣試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，得到受火后鋼材的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、延伸率等；受火鋼構(gòu)件的承載力是指借助受災(zāi)后鋼結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能、作用荷載和支承方式，計(jì)算當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的殘余承載能力。通過驗(yàn)算承載力與作用效應(yīng)、結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)的比值，對比文獻(xiàn)[9]中的規(guī)定值來評定構(gòu)件的詳細(xì)鑒定等級，最后根據(jù)詳細(xì)鑒定評級對相應(yīng)構(gòu)件采取處理措施。

3 工程案例

3.1 工程概況

某鋼結(jié)構(gòu)廠房主體結(jié)構(gòu)為單層門式剛架鋼結(jié)構(gòu)，剛架為焊接Q345 “H” 型鋼，梁柱節(jié)點(diǎn)以及梁拼接采用高強(qiáng)螺栓連接，基礎(chǔ)為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，屋面、墻面采用 “C” 型鋼檁條以及彩鋼瓦。該廠房于2019年3月13日凌晨發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)持續(xù)約3h，外觀及受災(zāi)區(qū)域見圖1—圖3。通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，受災(zāi)區(qū)域四周均有彩鋼瓦圍護(hù)，H軸線有燒結(jié)磚實(shí)心墻隔斷，通風(fēng)條件較差。大多數(shù)受災(zāi)鋼材表面呈褐色，局部分呈淺灰黑色或黑色。受災(zāi)嚴(yán)重區(qū)域鋼柱底部變形、扭曲，柱間支撐桿件燒毀，墻體、屋面檁條彎曲變形，屋面板下?lián)稀⑵茡p，鋼梁未發(fā)生明顯彎曲變形，但表面涂層燒光，估計(jì)火災(zāi)最高溫度在1000℃左右。

圖1 火災(zāi)后廠房外觀情況

圖2 火災(zāi)后廠房內(nèi)部情況

圖3 受災(zāi)區(qū)域結(jié)構(gòu)平面布置圖及火場分布圖

根據(jù)現(xiàn)場燃燒殘留物燒損特征以及構(gòu)件表面受損程度，將火災(zāi)損傷區(qū)域主要分為以下四個(gè)區(qū)域，各區(qū)域含義及特征如下：

（1）A類區(qū)域：估計(jì)火災(zāi)溫度在600℃～1000℃，混凝土呈灰白色-淺黃色，粉碎、脫落，部分鋼柱根處腹板、翼緣發(fā)生扭曲、屈曲；

（2）B類區(qū)域：估計(jì)火災(zāi)溫度在300℃～600℃，構(gòu)件表面防火涂層大部分脫落、燒光，油漆變黑脫落、燒光，未出現(xiàn)明顯彎曲變形；

（3）C類區(qū)域：估計(jì)火災(zāi)溫度在100℃～300℃，構(gòu)件表面油漆有裂紋或脫皮，鋼構(gòu)件未出現(xiàn)彎曲變形；

（4）D類區(qū)域：估計(jì)火災(zāi)溫度在100℃以下，構(gòu)件表面涂層完好，未出現(xiàn)彎曲變形。

3.2 火災(zāi)后現(xiàn)場情況

3.2.1 現(xiàn)場受損情況

現(xiàn)場檢查時(shí)，該廠房主體結(jié)構(gòu)未發(fā)生倒塌，1-7軸/A-H軸受

（1）豎向鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件

對于鋼結(jié)構(gòu)門式框架結(jié)構(gòu)而言，鋼柱作為豎向軸心受壓構(gòu)件，主要承受來自于上部結(jié)構(gòu)及荷載作用下產(chǎn)生的軸向壓力。在此次火災(zāi)過程中，大火起火、燃燒位置主要位于廠房地面，鋼柱地面端受到的溫度影響最大，鋼材所經(jīng)歷的升溫最高，屈服強(qiáng)度和彈性模量下降的幅度最大。根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式鋼柱腹板及翼緣隨著彈性模量E下降，產(chǎn)生的應(yīng)變ε不斷增大。當(dāng)鋼材屈服強(qiáng)度降低到一定程度時(shí)，鋼柱腹板及翼緣發(fā)生屈曲現(xiàn)象，如圖4、圖 5所示?；馂?zāi)影響區(qū)域的結(jié)構(gòu)構(gòu)件均存在不同程度損傷，損傷程度最嚴(yán)重區(qū)域?yàn)?-4軸/C-E軸，較嚴(yán)重區(qū)域?yàn)?-2軸/C-E軸、5-6軸/C-E軸、1-3軸/A-B軸以及4-6軸/F-H軸；部分鋼架鋼梁鋼柱變形、扭曲，部分柱端混凝土墩臺脫落、粉碎，部分支撐桿件嚴(yán)重彎曲變形，部分墻體檁條彎曲變形，屋面板下?lián)?、破損，檁條嚴(yán)重彎曲變形。

3.2.2 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件災(zāi)后狀況

圖4 3/D軸剛架柱腹板、翼緣屈曲

圖5 4/D軸剛架柱腹板、翼緣屈曲

（2）橫向鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件

工字梁作為鋼結(jié)構(gòu)門式框架結(jié)構(gòu)的主要橫向構(gòu)件，承受屋面板結(jié)構(gòu)自重以及屋面荷載作為均布荷載產(chǎn)生的彎矩。此次火災(zāi)的起火、燃燒位置主要位于廠房地面，而該廠房凈空較高約14m，火災(zāi)所產(chǎn)生的熱量和溫度效應(yīng)傳遞到柱頂鋼梁高度時(shí)明顯減小。即便在溫度最高的區(qū)域，柱頂鋼梁也未發(fā)生明顯的下?lián)虾妥冃?，其主要原因：第一，廠房凈空較高，火場溫度效應(yīng)在熱傳遞過程中減弱，鋼梁受到的溫度影響較小，鋼材材料屬性損失較?。坏诙?，屋面板結(jié)構(gòu)自重及屋面荷載較小，對鋼梁所產(chǎn)生的彎矩也較小，鋼梁不易發(fā)生變形。

然而，通過對比工字梁發(fā)現(xiàn)，屋面檁條發(fā)生了明顯的扭曲、下?lián)献冃?。主要原因是檁條采用的是薄壁冷彎C型鋼材，C型鋼檁條的屈服強(qiáng)度、截面面積都較小，承載能力比較低。在受到升溫作用后，C型鋼檁條更容易失去自身剛度，在屋面板自重和屋面荷載作用下發(fā)生扭曲、下?lián)献冃?，如圖6所示。

（3）連接處節(jié)點(diǎn)構(gòu)件

圖6 屋面檁條發(fā)生扭曲、撓曲變形

通過現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，A類、B類區(qū)域節(jié)點(diǎn)板涂層基本脫落，受災(zāi)嚴(yán)重區(qū)域中部分高強(qiáng)螺栓已基本松脫，扭矩扳手無法正常讀數(shù)，部分節(jié)點(diǎn)板間間隙較大。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于相鄰兩根鋼梁受溫度影響后，構(gòu)件發(fā)生下?lián)献冃味鴮?dǎo)致鋼梁端部在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生兩個(gè)相反方向的拉力。同時(shí)，摩擦型高強(qiáng)螺栓在受溫度影響后，其強(qiáng)度亦發(fā)生降低，螺栓桿內(nèi)的擰緊預(yù)拉力下降，因此高強(qiáng)螺栓可能發(fā)生松動(dòng)，從而使得節(jié)點(diǎn)板的板間間隙變大。

3.2.3 現(xiàn)場取樣及構(gòu)件力學(xué)性能試驗(yàn)

該廠房的主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件在火災(zāi)后降至常溫，其殘余力學(xué)性能是確定構(gòu)件承載力的重要因素，也是評估結(jié)構(gòu)損傷程度和過火后鋼材材料屬性研究的主要依據(jù)，對于鑒定結(jié)構(gòu)的安全性以及制定加固方案有重要影響?，F(xiàn)場選取部分具有火場溫度代表性的鋼柱腹板或翼緣進(jìn)行切割，并送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，檢測結(jié)果如表1所示。

表1 火災(zāi)后鋼結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

從表1得知，受火災(zāi)影響較嚴(yán)重區(qū)域，鋼柱的材料力學(xué)性能發(fā)生了較大的變化；而受火災(zāi)影響較小的區(qū)域，鋼柱的材料力學(xué)性能幾乎與一般鋼材性能無異。過火溫度最高的鋼柱3/D和4/D，自然冷卻后的屈服強(qiáng)度只有250.47MPa和280.14MPa，為Q345鋼材屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的72.60%和81.23%；過火溫度較高的鋼柱1/D和6/D，自然冷卻后的屈服強(qiáng)度為351.89MPa和350.14MPa，相比Q345鋼材屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值略有升高；過火溫度較低的7/D、5/H及4/A鋼柱，自然冷卻后的屈服強(qiáng)度與1/D和6/D相接近。

鋼柱3/D和4/D自然冷卻后的極限強(qiáng)度為418.77MPa和447.31MPa，為Q345鋼材極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的89.12%和95.26%；1/D和6/D自然冷卻后的極限強(qiáng)度為460.94MPa和431.71MPa，為Q345鋼材極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的98.07%和91.85%；過火溫度較低的7/D、5/H及4/A鋼柱，自然冷卻后的極限強(qiáng)度高于Q345鋼材極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

根據(jù)力學(xué)性能試驗(yàn)的結(jié)果，可依據(jù)文獻(xiàn)[9]中詳細(xì)鑒定的方法，對各個(gè)構(gòu)件的殘余承載力進(jìn)行分析，并與相關(guān)規(guī)范進(jìn)行對比，對各個(gè)受損構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)鑒定評級。

3.3 鑒定結(jié)果及分析

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，該廠房火災(zāi)后鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的初步鑒定評級：Ⅱa級構(gòu)件89件，Ⅱb級構(gòu)件25件，Ⅲ級構(gòu)件22件，Ⅳ級構(gòu)件9件?；馂?zāi)后鋼結(jié)構(gòu)連接的初步鑒定評級：A、B區(qū)域連接損傷等級為Ⅲ級，C區(qū)域連接損傷等級為IIb級，D區(qū)域連接損傷等級為IIa級。結(jié)合受火鋼構(gòu)件的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)構(gòu)分析承載力驗(yàn)算結(jié)果，火災(zāi)后鋼構(gòu)件詳細(xì)鑒定評級：c級構(gòu)件2件，d級構(gòu)件6件。

通過對部分過火構(gòu)件力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知，雖然火災(zāi)現(xiàn)場的最高過火溫度無法確定，但結(jié)合火場溫度分布情況可以發(fā)現(xiàn)：鋼材在過火溫度較低的情況下，其屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度相比常溫下會(huì)略有升高；然而當(dāng)過火溫度不斷上升到一定程度后，鋼材的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度開始發(fā)生降低，且隨著溫度越高降低幅度越大。

4 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能差，一旦發(fā)生火災(zāi)容易造成生命和財(cái)產(chǎn)的損失，火災(zāi)后鋼結(jié)構(gòu)損傷識別、安全性鑒定以及過火后鋼材性能變化研究是目前建筑工程鑒定領(lǐng)域的新課題。而《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 252—2009）中關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)部分的鑒定內(nèi)容還需細(xì)化和完善，火災(zāi)后鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的殘余承載力計(jì)算還要深入研究。火災(zāi)后鋼結(jié)構(gòu)的修復(fù)、加固措施都依賴于對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的檢測和鑒定。如何將檢測、鑒定結(jié)果與合理、有效的加固措施進(jìn)行聯(lián)系，如何加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料的耐火性，都是建筑科研人員和工程施工人員需要深入探討的課題。