繆卓君,王玉華
(1.南京威新房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司 第一分公司,江蘇 南京 210000;2.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210000)
混凝土材料因其取材方便、成本低廉、可塑性強(qiáng)、力學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn),在交通運(yùn)輸、土木工程、水利工程等眾多領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。隨著社會(huì)需求地不斷增加,建筑物的尺寸、跨度及高度等也越來(lái)越大,結(jié)構(gòu)形式也呈現(xiàn)出異形、多樣化趨勢(shì)[1-2],并逐漸朝著大型化、高層化發(fā)展。隨著建設(shè)需求及科技水平的發(fā)展,混凝土結(jié)構(gòu)在極端特種環(huán)境下地應(yīng)用越發(fā)廣泛,所以其所處環(huán)境溫度早已超出常溫所屬范疇[3],因此其所面臨的溫度要求也越來(lái)越苛刻,例如火災(zāi)發(fā)生時(shí)混凝土性能退化便是其中最為典型的例子。對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),火災(zāi)發(fā)生后30 min 內(nèi),建筑室內(nèi)溫度可達(dá)到800 ℃~1 200 ℃,高溫下結(jié)構(gòu)往往因承載力降低和自身剛度退化而使損傷發(fā)展,造成結(jié)構(gòu)性能劣化,嚴(yán)重影響建筑物內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)完整性,甚至發(fā)生整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)倒塌。
因此,混凝土結(jié)構(gòu)在正常使用期間,受服役環(huán)境溫度地影響非常大[4-6],尤其是火災(zāi)發(fā)生時(shí)極端的高溫環(huán)境更為危險(xiǎn),為保證工程結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境中的安全性,有必要全面研究掌握火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中對(duì)房屋結(jié)構(gòu)混凝土材料及構(gòu)件性能地影響。
已有研究指出[7-8]:火災(zāi)發(fā)生時(shí),升溫-時(shí)間曲線(xiàn)是混凝土所受到高溫作用的主要體現(xiàn),對(duì)應(yīng)狀態(tài)下混凝土受力性能的決定性因素是其自身熱力性能和截面不同位置溫度分布情況。因此,確定火災(zāi)發(fā)生后房屋結(jié)構(gòu)混凝土的升溫曲線(xiàn)及其內(nèi)部溫度場(chǎng),是研究房屋結(jié)構(gòu)混凝土抗火性能的前提和基礎(chǔ)。當(dāng)房屋結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)后,對(duì)應(yīng)空間內(nèi)各點(diǎn)的溫度差別較大,可燃物火焰附近混凝土的溫度最高,隨著與可燃物火焰距離地增加,溫度逐漸降低。
實(shí)際房屋結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)時(shí),火災(zāi)發(fā)展一般要經(jīng)歷成長(zhǎng)期、旺盛期、衰減熄滅期三個(gè)不同階段,而不同階段對(duì)應(yīng)的火災(zāi)升溫曲線(xiàn)影響因素較多,諸如房間結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、結(jié)構(gòu)尺寸、通風(fēng)情況、材料表面熱物理性能等。根據(jù)已有研究結(jié)果,火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中典型的溫度-時(shí)間曲線(xiàn)如圖1所示。
圖1 火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中典型的溫度-時(shí)間曲線(xiàn)
發(fā)生火災(zāi)及火情發(fā)展過(guò)程中,房屋結(jié)構(gòu)混凝土與燃燒源、煙氣之間進(jìn)行熱對(duì)流與熱輻射,而結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱量交換方式以熱傳導(dǎo)為主[9]。采取某一單一指標(biāo)完全準(zhǔn)確地描述火災(zāi)溫度與延續(xù)時(shí)間的關(guān)系較為困難,因此,為了統(tǒng)一描述和表征混凝土結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的抗火性能,許多國(guó)家或組織根據(jù)大量實(shí)地調(diào)查與試驗(yàn)研究,總結(jié)出了升溫曲線(xiàn)的相應(yīng)計(jì)算公式。根據(jù)不同組織結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果,常見(jiàn)場(chǎng)景中火災(zāi)燃燒的室內(nèi)模型對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)溫度-時(shí)間曲線(xiàn)主要有以下3種:
(1)ISO 834標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn):T=T0+345×lg(8t+1);
(2)HC標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)曲線(xiàn):
T=T0+1080×(1-0.325e-0.167t-0.675e-2.5t);
(3)ASTM-E119標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)曲線(xiàn):
T=1166-5325e-0.01t+186e-0.05t-820e-0.2t;
式中:T0為環(huán)境初始溫度;t 為火災(zāi)持續(xù)時(shí)間;T為燃燒開(kāi)始后的環(huán)境溫度。
其中,ISO 834 標(biāo)準(zhǔn)溫度-時(shí)間曲線(xiàn)所反映的火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中的溫度變化規(guī)律,是一個(gè)統(tǒng)一且單調(diào)升溫的溫度變化過(guò)程,即火災(zāi)發(fā)生后無(wú)論可燃物的燃燒時(shí)間多長(zhǎng),結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的溫度一直處于上升狀態(tài),始終沒(méi)有衰減或熄滅階段。因此,該曲線(xiàn)在反映實(shí)際房屋結(jié)構(gòu)和建筑物的真實(shí)火災(zāi)溫度時(shí)存在較大偏差,結(jié)合國(guó)內(nèi)外大量的室內(nèi)燃燒試驗(yàn)結(jié)果,二者也存在較大差別。但是該標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)為國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范中為數(shù)不多推薦使用的模型,在房屋結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土的抗火試驗(yàn)、高溫性能分析以及混凝土結(jié)構(gòu)的耐火極限驗(yàn)算中,具有較高的可行性,且在結(jié)構(gòu)抗火安全性設(shè)計(jì)中具有較好的實(shí)用性。
房屋結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱量傳輸過(guò)程中,燃燒導(dǎo)致房屋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較多熱氣流。熱氣流不斷上浮,導(dǎo)致房間上方梁、板等水平構(gòu)件的底面附近溫度不斷升高,進(jìn)而在該位置形成一個(gè)溫度較高的熱氣流層。相應(yīng)地,房屋結(jié)構(gòu)的墻和柱等豎向構(gòu)件側(cè)面附近,也將隨著溫度升高和熱氣流擴(kuò)散而形成一個(gè)熱氣流層。這些房屋結(jié)構(gòu)構(gòu)件周?chē)纬傻臒釟饬鲗?,其自身溫度值及其在空間上的分布特性,取決于房屋結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)時(shí)可燃物的位置與分布情況、可燃物的燃燒時(shí)間、熱氣流的流通方向等。
基于上述分析,一般意義上描述的火災(zāi)溫度,是指這些房屋結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)應(yīng)的熱氣流層的溫度。在進(jìn)行分析和計(jì)算時(shí),一般假定房屋結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土周?chē)鷼饬鲗觾?nèi)溫度呈均勻分布,且其數(shù)值及發(fā)展規(guī)律一般認(rèn)為是燃燒時(shí)間的函數(shù)。因此,以房屋結(jié)構(gòu)的樓板為例,介紹發(fā)生火災(zāi)時(shí)房屋結(jié)構(gòu)及不同構(gòu)件的溫度場(chǎng)計(jì)算方式,以反映其溫度變化規(guī)律及分布情況。
在分析發(fā)生火災(zāi)時(shí)樓板的溫度場(chǎng)過(guò)程中,將樓板作為半無(wú)限大的平板考慮,假定受火面的長(zhǎng)度與寬度為無(wú)限大,發(fā)生火災(zāi)前樓板內(nèi)部的溫度均勻分布,且在火情發(fā)展過(guò)程中,樓板的物理力學(xué)性能僅在沿板厚度方向發(fā)生變化,火災(zāi)發(fā)生初始時(shí)刻,受火表面的溫度不變?;谏鲜黾俣?,樓板內(nèi)部的溫度場(chǎng)可以認(rèn)為是燃燒時(shí)間與距離的函數(shù)[12],如式(1)所示:
根據(jù)導(dǎo)熱方程可以得到:
依據(jù)上述發(fā)生火災(zāi)時(shí)關(guān)于樓板周?chē)臏囟茸兓c基本性能的假定,可以得到式(2)所述導(dǎo)熱方程的邊界條件與初始條件,如式(3)、(4)所示:
采用拉普拉斯變換解式(2)所示的導(dǎo)熱微分方程,可以得到發(fā)生火災(zāi)時(shí)房屋樓板結(jié)構(gòu)的溫度沿著橫截面高度方向的分布函數(shù),如式(5)所示:
式中,T0為樓板初始溫度;
t 為燃燒時(shí)間;
α 為樓板熱工系數(shù);
h 為樓板厚度;
根據(jù)式(6)所示方程,即可計(jì)算發(fā)生火災(zāi)時(shí)房屋樓板結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng),進(jìn)而反映其溫度變化規(guī)律及分布情況。
由混凝土升溫曲線(xiàn)及其內(nèi)部溫度場(chǎng)可以看出,結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)尺寸、通風(fēng)情況、材料表面的熱物理性能等都對(duì)房屋結(jié)構(gòu)抗火有影響。因此,改善房屋結(jié)構(gòu)混凝土的抗火性能可以從改善材料性能和改變結(jié)構(gòu)構(gòu)造兩個(gè)方面入手。
普通混凝土受熱爆裂的過(guò)程,就是混凝土中的水分從混凝土內(nèi)部逸出的過(guò)程。隨著溫度地不斷升高,混凝土強(qiáng)度損失的速率隨之增加。有試驗(yàn)研究指出:當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到600 ℃時(shí),混凝土試件的強(qiáng)度會(huì)損失50%,當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到800 ℃時(shí),混凝土試件的強(qiáng)度損失80%左右,溫度與混凝土強(qiáng)度損失對(duì)比如圖2所示。
圖2 溫度與混凝土強(qiáng)度損失
高強(qiáng)度混凝土由于密實(shí)度高、孔隙率低,蒸發(fā)通道不暢,水分能盡快逸出,從而會(huì)產(chǎn)生幾乎達(dá)到飽和蒸汽壓的過(guò)高蒸汽分壓,由于蒸汽分壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了混凝土抗拉強(qiáng)度,最終必然導(dǎo)致混凝土不能抵御內(nèi)部壓力而爆裂。但高性能混凝土加入聚丙烯纖維后,情況會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)溫度為180 ℃,混凝土還處于自蒸發(fā)階段時(shí),結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力還不是很大,同時(shí)由于聚丙烯纖維熔點(diǎn)極低(杜拉纖維的熔點(diǎn)為165 ℃),它在較低溫度下就會(huì)熔化,而且熔化后的液態(tài)體積遠(yuǎn)小于其為固態(tài)時(shí)所占的空間,于是聚丙烯纖維熔化后會(huì)形成眾多小孔隙,而且由于聚丙烯纖維分散均勻性,纖維細(xì)小、量多,從而使混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,孔隙的連通性加強(qiáng),為混凝土內(nèi)部水分的分解蒸發(fā)提供了方便通道,也就降低了由于水分蒸發(fā)所形成的氣壓,使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力降低,從而防止了爆裂現(xiàn)象地產(chǎn)生。
在混凝土結(jié)構(gòu)中摻入不同種類(lèi)的纖維,可有效改善混凝土抗火性能。其中,摻入聚丙烯纖維形成的聚丙烯纖維混凝土可以提高結(jié)構(gòu)自身高溫作用下的抗爆裂性能。摻入適量鋼纖維形成的鋼纖維混凝土可以提高結(jié)構(gòu)經(jīng)受高溫作用后剩余承載能力。而按照一定比例摻入聚丙烯纖維與鋼纖維不僅可以防止結(jié)構(gòu)高溫爆裂,而且還能在一定程度上提高其高溫后的殘余強(qiáng)度[10]。
混凝土中摻入聚丙烯長(zhǎng)纖維會(huì)不同程度地降低結(jié)構(gòu)經(jīng)受高溫后的殘余抗壓與抗彎強(qiáng)度,按照一定比例混合摻入鋼纖維在宏觀上提高了結(jié)構(gòu)構(gòu)件高溫后殘余抗壓強(qiáng)度,但鋼纖維地?fù)饺霑?huì)增加結(jié)構(gòu)的爆裂概率與程度。此外,摻入纖維的混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)歷高溫后浸水養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間,自身抗壓和抗彎強(qiáng)度恢復(fù)效果明顯比素混凝土好。將耐高溫的無(wú)機(jī)膠凝材料作為混凝土結(jié)構(gòu)的防護(hù)層,可以在很大程度上提高結(jié)構(gòu)自身的承載力和抗火性能。
現(xiàn)階段提高結(jié)構(gòu)抗火性能的措施主要包括增加保護(hù)層厚度、增加截面尺寸、涂抹厚型防火涂層等[10-12]。其中,對(duì)于房屋結(jié)構(gòu)而言,提高結(jié)構(gòu)耐火極限最有效的方法是在構(gòu)件表面涂覆防火涂層。房屋結(jié)構(gòu)中使用的防火涂層,按照材料配比、作用機(jī)理以及工作原理大致可以分為膨脹型涂層和非膨脹型涂層兩種。涂覆于房屋結(jié)構(gòu)的膨脹型防火涂料的涂層,當(dāng)房屋結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)時(shí)涂層受熱后膨脹形成蜂窩狀炭化層,火災(zāi)時(shí)對(duì)火焰熱量起到一定地隔離作用,從而降低防護(hù)對(duì)象在火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中的熱傳導(dǎo)。相對(duì)于膨脹型防火涂層,非膨脹型防火涂料則是通過(guò)自身的高難燃性,在發(fā)生火災(zāi)時(shí)達(dá)到從根源上隔離火源與可燃物,進(jìn)而達(dá)到阻燃防火的目的。結(jié)合大多數(shù)實(shí)際工程中防火涂層的應(yīng)用情況,目前國(guó)內(nèi)外在房屋結(jié)構(gòu)的防火性能改善中應(yīng)用較多的防火涂層主要是高性能膨脹型防火涂層。
對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)而言,雖可以通過(guò)增加構(gòu)件截面尺寸和保護(hù)層厚度在一定程度上提高結(jié)構(gòu)的耐火極限,但過(guò)大的截面尺寸與保護(hù)層厚度反而會(huì)造成結(jié)構(gòu)自身的承載力降低,且容易導(dǎo)致高溫下結(jié)構(gòu)開(kāi)裂,進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)的耐火極限,因此應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整房屋結(jié)構(gòu)構(gòu)件的構(gòu)造形式,不可一味追求房屋結(jié)構(gòu)截面面積地增加與混凝土保護(hù)層厚度地增大。
2.3.1 工程概況
該結(jié)構(gòu)為位于我國(guó)西北地區(qū)某縣城的11層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的住宅樓,結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)在高層建筑中常用的框架剪力墻結(jié)構(gòu)。該房屋建筑面積8 095.29 m2,建筑高度36.8 m,房屋主體結(jié)構(gòu)耐火等級(jí)按二級(jí)設(shè)計(jì),按照抗震等級(jí)地震烈度為7度。該房屋于2015年4月8日凌晨?jī)牲c(diǎn)左右,由于四樓住戶(hù)的液化氣罐爆炸引發(fā)了火災(zāi),消防戰(zhàn)士于第一時(shí)間趕赴現(xiàn)場(chǎng)并進(jìn)行撲救,2 h后火災(zāi)被撲滅。雖然火災(zāi)已經(jīng)被撲滅,但是該四樓住戶(hù)內(nèi)部的可燃物基本上被燃燒殆盡,房屋結(jié)構(gòu)整體及構(gòu)件均出現(xiàn)了一定程度燒傷,部分位置出現(xiàn)了較為嚴(yán)重地開(kāi)裂和變形,需經(jīng)過(guò)檢測(cè)評(píng)估后采取相應(yīng)地加固措施。
2.3.2 火損檢測(cè)
依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果,受火區(qū)房屋內(nèi)部可燃物基本上燃燒殆盡,受火區(qū)域灼燒程度較為嚴(yán)重。鋼筋混凝土構(gòu)件表面抹灰層整體上全部脫落,大部分受火表面呈土黃色,只有少部分結(jié)構(gòu)表面呈現(xiàn)粉紅色,有一部分位置發(fā)生了爆裂,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的石子外露,且出現(xiàn)面積較大網(wǎng)狀裂縫。如圖3所示,為火災(zāi)發(fā)生后房屋結(jié)構(gòu)的損傷情況。
如圖3 所示,房屋結(jié)構(gòu)受火后損傷較為嚴(yán)重,受火房間梁跨中底部出現(xiàn)了明顯的三條裂縫,測(cè)量后顯示其平均寬度為0.4 mm。其他房間的梁也在底部出現(xiàn)了均勻的裂縫,寬度從0.1~0.3 mm,梁體表面整體泛白。受火房間樓板下側(cè)抹灰層被灼燒后掉落,石子發(fā)生爆裂后外露,網(wǎng)狀裂縫整體寬度為0.3 mm。其他房間的樓板、窗戶(hù)等位置也出現(xiàn)了泛白和開(kāi)裂現(xiàn)象,裂縫寬度從0.1~0.3 mm。由于該建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)屬于局部火災(zāi),且消防人員撲救較為及時(shí),因此火災(zāi)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響范圍較小。
圖3 建筑火損情況
2.3.3 結(jié)構(gòu)安全系評(píng)估及處理措施
為保證房屋整體安全及使用壽命,依據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50292-2015)對(duì)整體建筑結(jié)構(gòu)的地基基礎(chǔ)與上部承重結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估。發(fā)生火災(zāi)的位置距離地基基礎(chǔ)較遠(yuǎn),因此地基基礎(chǔ)的性能未受影響,依據(jù)規(guī)范評(píng)定其等級(jí)為Au 級(jí)。由于受火房間及相鄰房間的結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷較為嚴(yán)重,外觀完整性較差,且部分位置有鋼筋外露,結(jié)構(gòu)整體性與完整性均受損嚴(yán)重。經(jīng)驗(yàn)算后,其承載能力不能滿(mǎn)足房屋結(jié)構(gòu)正常使用時(shí)的承載要求,需進(jìn)行加固處理,因此依據(jù)規(guī)范評(píng)定其等級(jí)為Cu 級(jí),部分為Bu 級(jí)。結(jié)合燒損構(gòu)件的構(gòu)造缺陷、構(gòu)件變形、結(jié)構(gòu)整體性、門(mén)窗損壞情況、非承重墻體損傷、電梯損壞情況等,綜合鑒定該房屋結(jié)構(gòu)火損后的等級(jí)為Csu 級(jí),該住宅樓的安全性等級(jí)為Bu級(jí)。
結(jié)合鑒定等級(jí),專(zhuān)業(yè)鑒定單位給的處理建議為:評(píng)定為Ⅲ級(jí)的樓板需進(jìn)行更換;評(píng)級(jí)為Ⅱb級(jí)的樓板在清除燒損層之后,先對(duì)裂縫采用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行處理,再對(duì)樓板整體采用高標(biāo)號(hào)聚合物砂漿加固;Ⅱa級(jí)構(gòu)件在清除燒損層后直接進(jìn)行修補(bǔ)即可。受火房間及相鄰房間的梁,出現(xiàn)評(píng)級(jí)為b、c的梁必須采用加大截面法進(jìn)行加固,從而保證結(jié)構(gòu)整體的受力性能;出現(xiàn)評(píng)級(jí)為b、c 的梁柱和剪力墻須采用外部粘貼型鋼的方法加固。此外,由于整棟建筑物在發(fā)生火災(zāi)時(shí)外部墻皮與灰層均受到了不同程度損傷,因此建議外部采用涂覆防火涂層的方式進(jìn)行預(yù)加固處理。
本論述通過(guò)分析火災(zāi)對(duì)房屋建筑混凝土結(jié)構(gòu)的影響與危害,結(jié)合國(guó)內(nèi)外關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)發(fā)生時(shí)的溫度場(chǎng)研究現(xiàn)狀,介紹了房屋結(jié)構(gòu)混凝土火災(zāi)時(shí)的升溫曲線(xiàn)。由于房間結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、結(jié)構(gòu)尺寸、通風(fēng)情況、材料表面的熱物理性能等對(duì)火災(zāi)的演變影響較大,因此實(shí)際房屋結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)時(shí),火災(zāi)的發(fā)展歷程可以大致分為成長(zhǎng)期、旺盛期、衰減熄滅期三個(gè)階段。以房屋結(jié)構(gòu)的樓板為例,介紹發(fā)生火災(zāi)時(shí)房屋結(jié)構(gòu)及不同構(gòu)件的溫度場(chǎng)計(jì)算方式,進(jìn)而反映了房屋結(jié)構(gòu)在火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中的溫度變化規(guī)律與對(duì)應(yīng)的分布情況。最后結(jié)合常見(jiàn)的混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能提高措施,從改善原材料與優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面總結(jié)了房屋結(jié)構(gòu)混凝土抗火性能的提高措施,現(xiàn)階段提高結(jié)構(gòu)耐火極限最有效的方法是在混凝土結(jié)構(gòu)表面涂覆防火涂層。結(jié)合實(shí)際的房屋火損例子,介紹了實(shí)際房屋結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)后可能出現(xiàn)的損傷,并結(jié)合規(guī)范進(jìn)行安全等級(jí)評(píng)定方法,簡(jiǎn)述了常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)混凝土抗火性能提高措施在實(shí)際工程中的應(yīng)用。本研究對(duì)于房屋結(jié)構(gòu)混凝土抗火性能提升與火損機(jī)理的研究,具有一定地參考與借鑒意義。