某高層建筑火災(zāi)后結(jié)構(gòu)安全檢測與評估

陳 佳

(上海同濟(jì)檢測技術(shù)有限公司，上海 200092)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，2019年全國消防救援局共接報火災(zāi)23.3萬起，其中高層建筑發(fā)生火災(zāi)6 974起，同比上升10.6%?；馂?zāi)發(fā)生后，房屋結(jié)構(gòu)受到不同程度的損壞，目前火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)檢測鑒定主要依據(jù)為T/CECS 252—2019《火災(zāi)后工程結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》。以上海市某高層建筑為例，通過火災(zāi)后現(xiàn)場檢測，對火場情況、結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度退化、構(gòu)件變形、損傷情況等進(jìn)行分析評定，根據(jù)檢測結(jié)果分別給出構(gòu)件燒傷深度，在此基礎(chǔ)上對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，并對結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評估。

1 工程概況

上海市某高層建筑建造于1993—1997年，由裙房和塔樓組成，二者之間設(shè)有150mm寬沉降縫，總建筑面積約100 000m2。裙房地下2層(局部3層)，地上13層，局部地下3層用作水泵房等，地下1，2層主要用作地下車庫，地上部分原為商場，檢測時空置。塔樓地下2層，地上34層，地下1，2層主要用作地下車庫，地上1～8層原為商場，檢測時空置，9層及以上部分主要用作辦公室。

本工程建筑平面整體近似呈橢圓形，總長132.00m，總寬57.75m。地下2層至地上9層裙房和塔樓層高均相同，為3 500～4 500mm。原裙房地上10層高度為24.45m，后進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)插層改造，改造后新增地上11～13層。塔樓10層層高4 700mm，其余各層層高3 500mm。

裙房采用板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，縱向為9跨，柱間距均為8 250mm。橫向為7跨，柱間距均為8 250mm。柱截面形式包括矩形和圓形，其中矩形柱主要分布于地下室及地面以上各層周邊部位，截面尺寸主要為900mm×700mm，1 000mm×850mm；圓形柱直徑為600～1 000mm。剪力墻主要分布于樓梯間等部位，厚度主要為300，350mm。柱帽尺寸主要為3 500mm×3 500mm，厚400mm。樓板厚度主要為200mm，采用分離式配筋。地上1層、地下1層局部及其他各層周邊和局部設(shè)有樓面梁。

表1 混凝土表面顏色、裂損剝落、錘擊反應(yīng)與溫度的關(guān)系

塔樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，核心筒位于塔樓中部電梯間，核心筒外側(cè)為均勻布置的16根框架柱，最外側(cè)為板柱結(jié)構(gòu)及樓梯間。核心筒及周邊樓梯間剪力墻厚度主要為250，300，350，400，450mm?？蚣苤鶆蚍植荚诤诵耐菜闹?，每側(cè)4根，中間2根柱間距6 250mm，外側(cè)柱距10 000mm。框架柱及板柱中柱截面形式包括矩形和圓形，柱帽尺寸主要為3 500mm×3500mm，厚400mm。樓板厚度主要為200mm，采用分離式配筋。

樁身混凝土強(qiáng)度等級C80，筏板混凝土強(qiáng)度等級C40，地下室外墻及梁、板混凝土強(qiáng)度等級C30，塔樓墻、柱混凝土強(qiáng)度等級包括C40，C50，C60，裙房墻、柱混凝土強(qiáng)度等級包括C30，C50，C60?？v向受力鋼筋主要采用進(jìn)口鋼筋，設(shè)計強(qiáng)度為340MPa，箍筋主要采用HPB300筋。裙房后加鋼結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度等級包括Q235，Q345。

2017年年底，塔樓8層發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)受損。此前，裙房及塔樓9層以下區(qū)域正在進(jìn)行裝修，已對裝修部分樓層(裙房及塔樓地上1～8層)進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明，主要軸網(wǎng)尺寸、樓層層高、結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置、構(gòu)件截面尺寸及配筋等與原設(shè)計圖紙基本相符?；馂?zāi)發(fā)生后，為了解裝修區(qū)域房屋受損及結(jié)構(gòu)安全情況，再次進(jìn)行了檢測。

2 火災(zāi)調(diào)查

2.1 基本情況

經(jīng)調(diào)查，2017年12月18日22時13分，塔樓8層發(fā)生火災(zāi)，23時15分火勢被控制，23時59分火被撲滅。經(jīng)檢測，火災(zāi)主要發(fā)生在塔樓8層核心筒周邊區(qū)域，塔樓7層未發(fā)現(xiàn)過火跡象及明顯的煙熏痕跡，塔樓9層未發(fā)現(xiàn)煙熏痕跡，但避難層處樓板(8層頂板)出現(xiàn)較寬的通長裂縫。過火面積約875m2，過火區(qū)域空調(diào)機(jī)房、樓梯間等局部空間及8層裙房北側(cè)走道有煙熏痕跡，中庭鋼網(wǎng)架玻璃屋頂靠近過火區(qū)域局部有煙熏痕跡。

2.2 火場溫度

現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，鋁合金窗框被燒斷，鋼管扭曲變形但未出現(xiàn)滴狀物，綜合經(jīng)驗公式及金屬材料變態(tài)溫度，推定火場最高溫度為700～1 030℃。根據(jù)混凝土表面顏色、裂損剝落、錘擊反應(yīng)(見表1)，綜合判斷構(gòu)件表面最高溫度。核心筒表面有3層總厚約50mm的水泥砂漿粉刷層，局部裸露處顏色正常、錘擊聲響亮且基本不留痕跡，根據(jù)表1可判斷核心筒結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面溫度在200℃以下。部分樓板板底大面積露筋，部分柱表面呈淺黃色，且存在大面積剝落、開裂、錘擊混凝土脫落等現(xiàn)象。結(jié)合表1可知，過火區(qū)域局部梁、板、柱表面最高溫度達(dá)800℃以上。

3 主要結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度檢測

3.1 火災(zāi)發(fā)生前混凝土、鋼筋強(qiáng)度

火災(zāi)發(fā)生前，對裝修部分樓層(裙房及塔樓地上1～8層)進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明，墻、柱、梁、板混凝土強(qiáng)度均可達(dá)到原設(shè)計要求，柱主筋及箍筋強(qiáng)度均可達(dá)到原設(shè)計要求。

3.2 火災(zāi)發(fā)生后混凝土、鋼筋強(qiáng)度

受火災(zāi)影響的構(gòu)件主要為塔樓8層墻、柱及9層樓面梁、板?；馂?zāi)發(fā)生后，在塔樓8層混凝土墻、柱上隨機(jī)選取10處鉆芯取樣，其中3個芯樣用于劈裂試驗，其余均用于抗壓強(qiáng)度試驗。各芯樣表層碳化深度為8～17mm，加工完成后芯樣最外側(cè)距構(gòu)件表面的距離為0～104mm?？箟簭?qiáng)度試驗結(jié)果表明，1處芯樣抗壓強(qiáng)度為46.8MPa，低于原設(shè)計要求，其余芯樣抗壓強(qiáng)度為59.3～76.7MPa，基本達(dá)到原設(shè)計要求。不滿足原設(shè)計要求的芯樣最外側(cè)距構(gòu)件表面的距離為77mm，表層碳化深度為17mm。

火災(zāi)發(fā)生后，在塔樓9層樓板板底截取6根鋼筋，在萬能材料試驗機(jī)上直接測量抗拉強(qiáng)度，結(jié)果表明，鋼筋屈服強(qiáng)度為370～515MPa，抗拉強(qiáng)度為495～605MPa，伸長率為17.0%～18.5%，均滿足原設(shè)計要求。

4 材料性能退化規(guī)律

4.1 混凝土強(qiáng)度退化

采用BY2012HT/S型混凝土回彈儀對塔樓8層過火區(qū)域墻、柱、梁進(jìn)行回彈檢測，以作為混凝土強(qiáng)度退化依據(jù)。檢測結(jié)果表明，梁身下部回彈值較上部低1%～56%，下部強(qiáng)度推定值較上部低1%～66%；墻身回彈值及強(qiáng)度推定值均相差約2%；柱身回彈值相差2%～36%，強(qiáng)度推定值相差2%～55%。

劈裂試驗結(jié)果如表2所示，由表2可知，對于框架柱芯樣ZX2，ZX3，當(dāng)斷面距表面的距離為5.5cm以內(nèi)時，劈裂抗拉強(qiáng)度較低；當(dāng)斷面距表面的距離為12.0cm左右，劈裂抗拉強(qiáng)度增大；隨著斷面距表面的距離繼續(xù)增加，劈裂抗拉強(qiáng)度變化不明顯，可認(rèn)為框架柱受火災(zāi)影響的主要范圍集中在距表面10cm區(qū)域內(nèi)。芯樣ZX8取自核心筒剪力墻，由于剪力墻有較厚的保護(hù)層，過火較輕，當(dāng)斷面距表面的距離為1.0～3.0cm時，劈裂抗拉強(qiáng)度已達(dá)較高值2.05MPa，因此可認(rèn)為核心筒剪力墻受火災(zāi)的影響較小。

4.2 鋼筋強(qiáng)度退化

過火嚴(yán)重區(qū)域火災(zāi)發(fā)生前曾對1根柱采用里氏硬度法進(jìn)行鋼筋抗拉強(qiáng)度檢測，火災(zāi)發(fā)生后再次對其進(jìn)行檢測，以分析火災(zāi)對鋼筋強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示，火災(zāi)發(fā)生后柱縱筋抗拉強(qiáng)度由668MPa升至681MPa，柱箍筋抗拉強(qiáng)度由489MPa降至465MPa，可認(rèn)為過火區(qū)域構(gòu)件鋼筋強(qiáng)度變化不明顯。

表2 劈裂試驗結(jié)果

5 檢測與鑒定

5.1 房屋傾斜檢測

火災(zāi)發(fā)生前曾在塔樓受火側(cè)布置測點S1，S2，進(jìn)行整體傾斜測量，結(jié)果表明，火災(zāi)發(fā)生前測點S1向外傾斜0.05‰，火災(zāi)發(fā)生后向外傾斜0.20‰；火災(zāi)發(fā)生前測點S2向外傾斜0.06‰，火災(zāi)發(fā)生后向外傾斜0.12‰。房屋整體傾斜率增加，但數(shù)值較小，考慮到存在測量誤差，可認(rèn)為火災(zāi)發(fā)生前后塔樓整體基本未傾斜。

5.2 構(gòu)件變形檢測

墻、柱表面存在粉刷層或表層脫落等情況，現(xiàn)場無準(zhǔn)確測量條件。塔樓8層頂板混凝土梁變形檢測結(jié)果表明，與核心筒相連的梁表現(xiàn)為核心筒一側(cè)底部標(biāo)高較小，外側(cè)較大；其余梁主要表現(xiàn)為底部一端標(biāo)高較大，另一端標(biāo)高較??；另有少數(shù)梁表現(xiàn)為底部兩端標(biāo)高均較小。梁底高差為2～35mm，分析認(rèn)為梁底高差主要與施工誤差、火災(zāi)受損等因素有關(guān)。

5.3 過火區(qū)域損傷檢測

房屋過火區(qū)域損傷情況主要包括：玻璃幕墻破損且鋁合金幕墻龍骨被燒斷；吊頂燒光；鐵質(zhì)水管脫落或彎曲；部分樓面木龍骨被燒殘缺；空調(diào)機(jī)房、樓梯間及未過火的其他區(qū)域被熏黑；核心筒混凝土墻粉刷層不同程度脫落；部分柱表層混凝土脫落、露筋、表面發(fā)黃；多處頂板板底混凝土脫落、露筋；頂板混凝土梁出現(xiàn)貫穿斜裂縫(見圖1)、鋼筋熱脹殘余變形、底角錘擊聲發(fā)悶等情況。

圖1 混凝土梁貫穿斜裂縫示意

5.4 構(gòu)件鑒定評級

根據(jù)《火災(zāi)后工程結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，混凝土墻除一面評定為IIb級外，其余均評定為IIa級，不影響構(gòu)件安全；混凝土柱大部分評定為IIa，IIb級，但也有3根評定為III級，對構(gòu)件安全產(chǎn)生影響；混凝土梁大部分評定為III級，對構(gòu)件安全產(chǎn)生影響；混凝土板大部分評定為III，IV級，對構(gòu)件安全產(chǎn)生影響，部分板已喪失承載能力。

6 構(gòu)件承載力驗算

對初步鑒定結(jié)果為IIb，III級構(gòu)件進(jìn)行承載力驗算，計算時構(gòu)件截面尺寸按原設(shè)計尺寸減去燒傷深度考慮。不考慮燒傷深度范圍內(nèi)混凝土的貢獻(xiàn)后，剩余部分混凝土強(qiáng)度按原設(shè)計取值。鋼筋強(qiáng)度雖達(dá)到原設(shè)計要求，但仍按原設(shè)計強(qiáng)度的0.85倍取值。

不考慮地震作用時，過火區(qū)域部分框架梁、大部分樓板計算配筋大于實際配筋，不滿足承載力計算要求。4塊樓板評定為a級，1塊評定為b級，其余均評定為d級。

考慮地震作用時，2根柱箍筋與部分框架梁縱筋計算配筋大于實際配筋，不滿足承載力計算要求。2根混凝土柱評定為b級，其余均評定為a級。1根混凝土梁評定為b級，7根評定為d級，其余均評定為a級。

7 結(jié)語

對火災(zāi)發(fā)生前后結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行現(xiàn)場檢測與理論計算，得出以下結(jié)論。

1)火場最高溫度為700～1 030℃，過火區(qū)域局部梁、板、柱表面最高溫度達(dá)800℃以上。

2)火災(zāi)發(fā)生后，塔樓8層過火區(qū)域芯樣混凝土抗壓強(qiáng)度為46.8～76.7MPa，低于或基本達(dá)到原設(shè)計要求。

3)火災(zāi)發(fā)生后，塔樓9層樓板板底鋼筋屈服強(qiáng)度為370～515MPa，抗拉強(qiáng)度為495～605MPa，伸長率為17.0%～18.5%，均滿足原設(shè)計要求。

4)塔樓8層過火區(qū)域梁身下部回彈值較上部低1%～56%，下部強(qiáng)度推定值較上部低1%～66%；墻身回彈值及強(qiáng)度推定值均相差約2%；柱身回彈值相差2%～36%，強(qiáng)度推定值相差2%～55%。

5)考慮測量誤差，可認(rèn)為火災(zāi)發(fā)生前后塔樓整體基本未傾斜。

6)塔樓8層與核心筒相連的梁表現(xiàn)為核心筒一側(cè)底部標(biāo)高較小，外側(cè)較大；其余梁主要表現(xiàn)為底部一端標(biāo)高較大，另一端標(biāo)高較?。涣碛猩贁?shù)梁表現(xiàn)為底部兩端標(biāo)高均較小。梁底高差主要與施工誤差、火災(zāi)受損等因素有關(guān)，不影響結(jié)構(gòu)安全。

7)根據(jù)火災(zāi)發(fā)生后構(gòu)件受損情況對其進(jìn)行鑒定評級，混凝土墻除一面評定為IIb級外，其余均評定為IIa級，不影響構(gòu)件安全；混凝土柱大部分評定為IIa，IIb級，但也有3根評定為III級，對構(gòu)件安全產(chǎn)生影響；混凝土梁大部分評定為III級，對構(gòu)件安全產(chǎn)生影響；混凝土板大部分評定為III，IV級，對構(gòu)件安全產(chǎn)生影響，部分板已喪失承載能力。

8)對初步鑒定結(jié)果為IIb，III級構(gòu)件進(jìn)行承載力驗算，不考慮地震作用時，4塊樓板評定為a級，1塊評定為b級，其余均評定為d級?？紤]地震作用時，2根混凝土柱評定為b級，其余均評定為a級；1根混凝土梁評定為b級，7根評定為d級，其余均評定為a級。

根據(jù)檢測、鑒定、計算結(jié)果，對受損構(gòu)件提出以下加固措施。

1)對于現(xiàn)有非結(jié)構(gòu)性損傷部位，建議在后期使用過程中對外觀采取必要措施進(jìn)行修復(fù)處理。

2)對于評定為IIb級的構(gòu)件，采取局部保護(hù)層修復(fù)措施。

3)對于評定為III級的板，采取局部置換加固措施。

4)對于評定為III級的梁、柱，采取修復(fù)后加固的處理措施。

5)對于評定為IV級的板，需拆除后重新澆筑。

6)對于承載力不足的構(gòu)件，建議結(jié)合鑒定評級結(jié)果采取合適的加固措施。修復(fù)、加固工作應(yīng)委托有資質(zhì)的設(shè)計單位和施工單位完成。