高溫后裝配式框架梁柱節(jié)點(diǎn)的損傷檢測(cè)方法探討

趙廣輝，吳 磊，劉 佳，原義偉

（1.昆山市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，江蘇 昆山 215337；2.蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011；3.建研院檢測(cè)中心有限公司，北京 100013）

0 引言

火災(zāi)后對(duì)預(yù)制裝配式框架架構(gòu)進(jìn)行快速的損傷檢測(cè)是進(jìn)行損傷評(píng)估鑒定評(píng)級(jí)的重要基礎(chǔ)工作。楊斌等［1］引用鋼筋斷后伸長(zhǎng)率為修正量?jī)?yōu)化了火災(zāi)后鋼筋剩余強(qiáng)度計(jì)算公式，推導(dǎo)出檢測(cè)鋼筋剩余強(qiáng)度的簡(jiǎn)化計(jì)算式，并對(duì)高溫冷卻后的鋼筋強(qiáng)度檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行力學(xué)參數(shù)處理，得到試樣強(qiáng)度檢測(cè)計(jì)算式，提供了火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定可靠的鋼筋強(qiáng)度檢測(cè)方法。李哲［2］通過(guò)對(duì)混凝土柱損傷檢測(cè)得到，表觀檢查法、中性化深度法用于初步定性分析，燒失量法結(jié)合鉆芯法能準(zhǔn)確定量地確定構(gòu)件燒損深度。宋瑞明等［3］研究了火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)判定以及鋼筋和混凝土強(qiáng)度檢測(cè)方法。根據(jù)目前已有可知，火災(zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷檢測(cè)只采取單一方法檢測(cè)出的損傷結(jié)果具有較大的誤差，極大影響損傷評(píng)估鑒定評(píng)級(jí)的精確性。在實(shí)際工程應(yīng)用中往往采取綜合法進(jìn)行相關(guān)損傷檢測(cè)。本文將總結(jié)已有梁柱連接節(jié)點(diǎn)受火溫度推定、高溫后節(jié)點(diǎn)混凝土損傷檢測(cè)、節(jié)點(diǎn)鋼筋及鋼筋與混凝土間粘結(jié)力的損傷檢測(cè)方法，提出高溫后預(yù)制裝配式框架梁柱連接節(jié)點(diǎn)損傷的綜合檢測(cè)方法。

1 節(jié)點(diǎn)受火溫度推定方法

1.1 紅外熱像檢測(cè)技術(shù)［4］

紅外熱像檢測(cè)技術(shù)其原理主要是利用物體原子振動(dòng)產(chǎn)生輻射紅外線進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，把來(lái)自目標(biāo)的紅外熱輻射直觀地轉(zhuǎn)變?yōu)闊釄D像，不僅可以觀察出構(gòu)件表面受火溫度，還可以確定構(gòu)件表面的溫度分布梯度，以此來(lái)推定構(gòu)件表面狀態(tài)和缺陷。根據(jù)紅外熱輻射所形成的不同特征的熱圖像可以直觀地通過(guò)分析，進(jìn)而確定受火構(gòu)件的損傷情況。

紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)溫度場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)較為精確，可以很直觀且很詳細(xì)地檢測(cè)出構(gòu)件受火溫度，從而也為之后關(guān)于構(gòu)建損傷的其他檢測(cè)和損傷計(jì)算提供精確的溫度場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，提高損傷檢測(cè)和損傷評(píng)估的準(zhǔn)確性。同時(shí)，紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)不僅能夠?qū)?jié)點(diǎn)的受火溫度進(jìn)行檢測(cè)，而且能夠很全面地反映整個(gè)構(gòu)件和整個(gè)結(jié)構(gòu)的受火溫度和溫度場(chǎng)分布情況。

紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)的劣勢(shì)在于利用此項(xiàng)技術(shù)檢測(cè)需要在火災(zāi)發(fā)生時(shí)身處現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行相關(guān)儀器的操作，這個(gè)過(guò)程伴有一定的危險(xiǎn)性。同時(shí)，由于建筑物火災(zāi)在火災(zāi)發(fā)生的同時(shí)也會(huì)伴隨著滅火過(guò)程，一些滅火材料及消防措施例如水和泡沫的存在會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果，以及紅外熱成像技術(shù)無(wú)法僅為了對(duì)火災(zāi)后構(gòu)建損傷檢測(cè)而大面積推廣應(yīng)用，在檢測(cè)時(shí)效性上存在著一定的不足。在實(shí)驗(yàn)室條件下可考慮采用這項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)，在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)用的相關(guān)條件并不具備。

1.2 根據(jù) ISO-834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線推定［5］

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線推定受火溫度是常規(guī)溫度場(chǎng)推定方法，通過(guò)對(duì)火災(zāi)后的現(xiàn)場(chǎng)勘查，了解火災(zāi)發(fā)生過(guò)程、持續(xù)時(shí)間、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)條件、滅火消防措施等方面的信息。

標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線法推定受火溫度的優(yōu)勢(shì)在于可以直接通過(guò)簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查進(jìn)而通過(guò)公式計(jì)算在災(zāi)后評(píng)估時(shí)快速確定構(gòu)件受火溫度。

標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線法推定受火溫度的劣勢(shì)在于一般情況下，等效爆火時(shí)間無(wú)法準(zhǔn)確確定，通常在計(jì)算過(guò)程中采用實(shí)際受火時(shí)間代替等效爆火時(shí)間。同時(shí)，利用公式計(jì)算出的構(gòu)件受火溫度存在著較大的誤差，從而會(huì)影響損傷評(píng)估結(jié)果。

1.3 根據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)殘留物推定［6］

高溫會(huì)使得構(gòu)建材料發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，火災(zāi)后，殘留的構(gòu)件會(huì)表現(xiàn)出不同的狀態(tài)，通過(guò)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查殘余構(gòu)件以及殘留物品，對(duì)照殘留物品的變態(tài)溫度、軟化點(diǎn)溫度或燃點(diǎn)溫度大致推算出此區(qū)域內(nèi)的受火溫度。此方法通過(guò)已燒毀物品的變態(tài)溫度推定此區(qū)域內(nèi)受火的最低溫度，通過(guò)未燒毀物品的變態(tài)溫度推定此區(qū)域內(nèi)受火的最高溫度［3］。

火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)殘留物推定溫度法的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)火災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)勘查不同殘留物品的狀態(tài)，通過(guò)殘留物狀態(tài)對(duì)應(yīng)物品的變態(tài)溫度或燃點(diǎn)溫度，從而能夠較為準(zhǔn)確地推定某一區(qū)域的受火溫度，通過(guò)對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分，從而對(duì)不同區(qū)域的受火溫度進(jìn)行推定，再進(jìn)行匯總，能夠準(zhǔn)確地對(duì)發(fā)生火災(zāi)的大型建筑物進(jìn)行溫度場(chǎng)分布及受火溫度確定。

火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)殘留物推定溫度法的劣勢(shì)在于在火災(zāi)過(guò)程中伴隨著消防工作的展開，部分物品在高溫狀態(tài)和急劇降溫的共同作用下，產(chǎn)生了與高溫狀態(tài)不同的狀態(tài)變化，從而會(huì)導(dǎo)致溫度判定產(chǎn)生誤差，影響受火溫度判定的精確性。

2 節(jié)點(diǎn)混凝土損傷檢測(cè)方法

2.1 超聲波法［7］

超聲法是利用超聲波脈沖在受火構(gòu)件中傳播，在火災(zāi)后可利用超聲脈沖法對(duì)受損構(gòu)建進(jìn)行檢測(cè)，可以詳細(xì)地了解構(gòu)件開裂、受損情況，同時(shí)，超聲波法的優(yōu)勢(shì)在于可以準(zhǔn)確地測(cè)定燒損層厚度。常用的超聲波法有平測(cè)法與對(duì)測(cè)法兩種。

2.1.1 平測(cè)法

平測(cè)法是將發(fā)射和接受換能器都置于構(gòu)建的同一側(cè)面，在檢測(cè)時(shí)將接受換能器耦合好后保持不動(dòng)，發(fā)射換能器依次移動(dòng)，增大距離。根據(jù)相應(yīng)的聲時(shí)值來(lái)測(cè)試出未損傷層聲速、受損層聲速、聲速突變時(shí)的距離，以這 3 個(gè)參數(shù)來(lái)計(jì)算出燒損深度。

2.1.2 對(duì)測(cè)法

對(duì)測(cè)法的測(cè)試操作如圖 1 所示。分別通過(guò)檢測(cè)測(cè)出超聲波脈沖在受損層和未受損層中的波速，并測(cè)量出發(fā)射和接受換能器之間的距離和超聲波脈沖在混凝土中的傳播時(shí)間。

圖1 對(duì)測(cè)法示意圖

在實(shí)際火災(zāi)中，由于構(gòu)件同一側(cè)面及構(gòu)件兩面燒損厚度也不一定相等，因此實(shí)際上不太可能存在嚴(yán)格的燒損與未燒損臨界面，因此適用超聲波法檢測(cè)及利用公式推導(dǎo)計(jì)算出的燒損深度可能會(huì)與實(shí)際情況存在較大誤差。同時(shí)，超聲波脈沖法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也會(huì)受材料的較大影響，例如構(gòu)件的配筋、混凝土含水率、高溫?zé)嵝?yīng)等。同時(shí)，超聲波脈沖法檢測(cè)混凝土損傷對(duì)構(gòu)件表面平整度有一定的要求。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，超聲法對(duì)損傷的識(shí)別鑒定存在著一定的主觀性，操作者往往會(huì)根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)通過(guò)時(shí)域中的超聲信號(hào)判斷給出帶有較強(qiáng)主觀性的損傷判斷。

2.2 回彈法［7］

回彈法是利用測(cè)定火災(zāi)后混凝土的表面硬度來(lái)推定剩余強(qiáng)度?；貜椫凳菑椥宰冃阅芘c彈性能量的比值，目前使用回彈法對(duì)火災(zāi)后受損構(gòu)件混凝土損傷的檢測(cè)主要應(yīng)用于測(cè)定混凝土受火的平均深度。采用回彈修正系數(shù)檢測(cè)火災(zāi)后混凝土的抗壓強(qiáng)度前首先要將構(gòu)件表面清洗干凈并將燒損層表面打磨平，再進(jìn)行回彈。

回彈法局限性在于其反應(yīng)深度不超過(guò) 30 mm 的表面硬度。同時(shí)在火災(zāi)后，構(gòu)件表面混凝土?xí)霈F(xiàn)剝落現(xiàn)象，因此火災(zāi)后利用回彈法測(cè)量混凝土損傷也會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。

2.3 取芯法［8］

取芯法是在構(gòu)件上直接鉆取混凝土圓柱形樣芯進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的抗壓強(qiáng)度推定混凝土抗壓強(qiáng)度來(lái)評(píng)估損傷程度，鑒定損傷等級(jí)。在取芯時(shí)需考慮到取芯對(duì)火災(zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響，可適當(dāng)考慮先做簡(jiǎn)易加固措施再進(jìn)行取樣，同時(shí)也要確保取得的樣芯具有質(zhì)量代表性。取芯前應(yīng)通過(guò)鋼筋位置探測(cè)器探測(cè)出構(gòu)件中鋼筋位置，以確保在取芯過(guò)程中避開鋼筋。

取芯法的優(yōu)點(diǎn)在于直觀、準(zhǔn)確、代表性強(qiáng)，也是火災(zāi)后對(duì)構(gòu)件進(jìn)行損傷檢測(cè)必須要有的破損檢測(cè)方式。火災(zāi)后受損構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)都或多或少地存在著各種誤差和不精確性，因此取芯法檢測(cè)火災(zāi)后構(gòu)件損傷既是損傷檢測(cè)的基礎(chǔ)，也是對(duì)無(wú)損檢測(cè)結(jié)果的一種好的驗(yàn)證和補(bǔ)充。

取芯法的缺點(diǎn)在于火災(zāi)后的結(jié)構(gòu)安全性已經(jīng)存在很大問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行取芯作業(yè)可能會(huì)造成二次傷害，因此對(duì)火災(zāi)后的構(gòu)件采用取芯法檢測(cè)混凝土損傷程度，位置選取尤為重要。既要保證所取樣芯具有代表性，同時(shí)還要保證取芯后結(jié)構(gòu)的安全。

3 節(jié)點(diǎn)鋼筋及鋼筋與混凝土間粘結(jié)力的損傷檢測(cè)方法

目前在實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)火災(zāi)后構(gòu)件中鋼筋的損傷情況檢測(cè)常用的有兩種方法［9］。一種是在火災(zāi)后截取節(jié)點(diǎn)區(qū)域部分鋼筋在實(shí)驗(yàn)室條件下通過(guò)相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)確定鋼筋的殘余強(qiáng)度，另一種是通過(guò)利用所推定的節(jié)點(diǎn)受火溫度值對(duì)應(yīng)相關(guān)曲線查詢。第一種方法可以較為準(zhǔn)確地測(cè)出節(jié)點(diǎn)區(qū)域鋼筋的剩余強(qiáng)度值，第二種方法，由于節(jié)點(diǎn)受火溫度值的推定存在較大誤差，因此以此計(jì)算出的鋼筋剩余強(qiáng)度值并不精確?；馂?zāi)后，計(jì)算節(jié)點(diǎn)鋼筋的剩余強(qiáng)度意義重大，是作為火災(zāi)后期加固的重要參考數(shù)據(jù)之一，因此，采用第二種方法應(yīng)選擇合理的節(jié)點(diǎn)鋼筋。一般情況下會(huì)選擇節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重受損部位，例如通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)情況下都是由于預(yù)制柱破壞導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)破壞，以及選擇由于混凝土爆裂或保護(hù)層剝落導(dǎo)致暴露在外直接受火的鋼筋，這樣所測(cè)得的鋼筋剩余強(qiáng)度結(jié)果更具代表性。在火災(zāi)后從節(jié)點(diǎn)區(qū)域截取鋼筋進(jìn)行相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)必然也會(huì)對(duì)構(gòu)件承載力造成影響，因此，在截取前還應(yīng)做好必要的臨時(shí)支撐或加固措施。

根據(jù)文獻(xiàn)［10］可知，火災(zāi)后鋼筋與混凝土之間粘結(jié)力的變化與受火溫度、鋼筋保護(hù)層厚度、鋼筋等級(jí)、混凝土損傷程度等因素有關(guān)。關(guān)于鋼筋與混凝土粘結(jié)力的損傷檢測(cè)一般采用的方法為聲發(fā)射技術(shù)，檢測(cè)步驟如圖 2 所示。

圖2 聲發(fā)射檢測(cè)步驟

該技術(shù)主要是利用火災(zāi)后包裹鋼筋的混凝土發(fā)生了一系列的物理化學(xué)變化從而能夠使得聲波發(fā)射機(jī)發(fā)射出的聲發(fā)射信號(hào)在穿過(guò)不同界面時(shí)反射回不同的聲反饋，通過(guò)信號(hào)處理對(duì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的損傷位置和嚴(yán)重性程度做出評(píng)估。在火災(zāi)后，節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的主要聲反射源是由于混凝土水分蒸發(fā)導(dǎo)致混凝土變得疏松，以及裂縫的形成和擴(kuò)展導(dǎo)致鋼筋和混凝土之間粘結(jié)力下降，同時(shí)，鋼筋與混凝土間的粘結(jié)滑移也會(huì)形成聲反射源。因此，以節(jié)點(diǎn)內(nèi)部在火災(zāi)后形成的缺陷作為聲反射源，通過(guò)相關(guān)信號(hào)處理來(lái)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的損傷情況。在本文中，對(duì)這種檢測(cè)方法的分析側(cè)重點(diǎn)在于檢測(cè)火災(zāi)后鋼筋與混凝土間粘結(jié)力的損傷。

4 節(jié)點(diǎn)損傷綜合檢測(cè)方法

通過(guò)前文所述各類火災(zāi)后節(jié)點(diǎn)損傷檢測(cè)的各類方法以及火災(zāi)后節(jié)點(diǎn)損傷評(píng)估鑒定評(píng)級(jí)，本文提出了火災(zāi)后節(jié)點(diǎn)損傷檢測(cè)及評(píng)估綜合檢測(cè)方法，如圖 3 所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)損傷綜合檢測(cè)方法

5 結(jié)語(yǔ)

本文探討了目前實(shí)際工程應(yīng)用中針對(duì)火災(zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件各方面損傷的一系列損傷檢測(cè)方法，火災(zāi)后節(jié)點(diǎn)損傷的檢測(cè)方法應(yīng)包括節(jié)點(diǎn)受火溫度的推定、混凝土損傷檢測(cè)、鋼筋損傷檢測(cè)等方面，每個(gè)方面不同的檢測(cè)方法都有一定的適用性和局限性，因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，宜采用多種方法結(jié)合的綜合手段來(lái)進(jìn)行相關(guān)方面的檢測(cè)，從而保證檢測(cè)結(jié)果的精確性，也為節(jié)點(diǎn)損傷評(píng)估奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。Q