某單層門式剛架結(jié)構(gòu)廠房火災(zāi)后檢測(cè)鑒定研究

孟再生

(安徽省建院工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引 言

工業(yè)建筑不時(shí)可見(jiàn)因電路老化、動(dòng)火安全管理不到位等導(dǎo)致火災(zāi)的事故報(bào)道。僅2020年就有9 264起生產(chǎn)企業(yè)發(fā)生火災(zāi)，是除住宅火災(zāi)外占比較大的一類火災(zāi)[1]。單層門式剛架結(jié)構(gòu)因其自重輕、抗震性能好等方面的優(yōu)勢(shì)，是工業(yè)建筑中的常用結(jié)構(gòu)形式[2]。有研究案例表明鋼材在過(guò)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(guò)火溫度達(dá)到一定高度后，鋼材的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度開(kāi)始發(fā)生降低，且隨著溫度越高降低幅度越大[3]。

鋼材耐火性能較差，受火后屈服強(qiáng)度、彈性模量均迅速降低[4]，對(duì)結(jié)構(gòu)損傷一般較大。目前市場(chǎng)上常用的防火涂料有厚涂型、薄涂型、超薄型防火涂料。厚涂型防火涂料的耐火極限為1～3 h，外觀裝飾性較差；薄涂型防火涂料在受火時(shí)能膨脹發(fā)泡，耐火極限一般不超過(guò)2 h，裝飾性良好但發(fā)泡率不高；超薄型防火涂料在受火時(shí)膨脹發(fā)泡形成致密的防火隔熱層，延緩鋼材升溫，耐火極限一般不超過(guò)2 h，裝飾性好。

鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)后安全性不明，對(duì)其進(jìn)行火災(zāi)后結(jié)構(gòu)鑒定、明確火災(zāi)對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響和為后續(xù)處理決策提供依據(jù)十分必要。

1 工程概況

1.1 工程結(jié)構(gòu)概況

某單層門式剛架結(jié)構(gòu)于2020年建設(shè)，獨(dú)立基礎(chǔ)+筏板基礎(chǔ)，屋面、墻面為巖棉夾芯板輕鋼結(jié)構(gòu)，建筑高度為19.2 m，建筑面積約為260 m2。結(jié)構(gòu)安全性等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，建筑抗震設(shè)防類別為乙類，鋼結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為三級(jí)，內(nèi)有鋼框架平臺(tái)和鋼筋混凝土框架平臺(tái)，其中鋼筋混凝土框架抗震等級(jí)二級(jí)。建筑物火災(zāi)危險(xiǎn)性分類為戊類，耐火等級(jí)為二級(jí)。設(shè)計(jì)柱耐火極限為2.5 h，梁耐火極限為1.5 h，樓板耐火極限為1.0 h，屋頂承重構(gòu)件耐火極限為1.0 h。建筑平面布置如圖1所示。

圖1 建筑平面布置

1.2 火災(zāi)概況

該建筑于2021年某一天發(fā)生火災(zāi)，大火燃燒約40 min后撲滅。起火部位為車間振動(dòng)篩，起火點(diǎn)位于振動(dòng)篩內(nèi)部中間位置。起火原因?yàn)殡姾腹ぴ诓僮鲿r(shí)，電焊渣落到振動(dòng)篩內(nèi)部中間位置引燃橡膠板引發(fā)火災(zāi)?；馂?zāi)影響范圍主要有12.0 m標(biāo)高鋼平臺(tái)、屋面及周邊墻面。

2 鑒定過(guò)程

火災(zāi)后工程結(jié)構(gòu)鑒定過(guò)程如下[5]：

(1) 初步調(diào)查：查閱圖紙資料，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和竣工資料，調(diào)查結(jié)構(gòu)使用及改造歷史、實(shí)際使用狀況；了解火災(zāi)過(guò)程及火災(zāi)影響區(qū)域，查閱火災(zāi)報(bào)告等；現(xiàn)場(chǎng)勘察了解火場(chǎng)殘留物狀況、荷載變化情況；觀察結(jié)構(gòu)損傷情況，判斷主體結(jié)構(gòu)及附屬物的整體牢固性、出現(xiàn)垮塌的風(fēng)險(xiǎn)性。

(2) 初步鑒定：初步判斷結(jié)構(gòu)所受的溫度范圍和作用時(shí)間，調(diào)查火災(zāi)過(guò)程、火場(chǎng)殘留物狀況及火災(zāi)影響區(qū)域等；調(diào)查結(jié)構(gòu)構(gòu)件受火災(zāi)的損傷程度，包括燒灼及溫度損傷狀態(tài)和特征等；根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷特征進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的初步鑒定評(píng)級(jí)。

(3) 詳細(xì)鑒定：根據(jù)火作用調(diào)查與檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件過(guò)火溫度分析；根據(jù)鑒定需要，對(duì)受火與未受火結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材質(zhì)性能、結(jié)構(gòu)變形、節(jié)點(diǎn)連接、結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力進(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè)分析；根據(jù)受火結(jié)構(gòu)材質(zhì)特性、幾何參數(shù)、受力特征和調(diào)查與檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算和構(gòu)件校核；按現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行整體的安全性鑒定評(píng)級(jí)。

(4) 結(jié)論：綜合上述各種檢測(cè)鑒定成果，得出火災(zāi)后工程結(jié)構(gòu)鑒定結(jié)論。

3 調(diào)查與檢測(cè)

3.1 初步調(diào)查

搜集到該建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙、竣工資料和地質(zhì)勘察報(bào)告。該建筑經(jīng)正規(guī)設(shè)計(jì)、施工，于2020年9月完工后投入使用，未經(jīng)過(guò)加固或改造，火災(zāi)前使用狀況良好。

鋼構(gòu)件表面兩道紅丹打底，中間漆兩道云鐵醇酸防銹漆，面漆兩道醇酸磁漆。

振動(dòng)篩和吊車已受損，不具備相應(yīng)功能。振動(dòng)篩橡膠已燃燒完全，5.5 m鋼平臺(tái)2-3/C鋼柱撐存在嚴(yán)重殘余變形，如圖2所示。5.5 m鋼平臺(tái)2/B柱、2/C柱、3/C柱、(1/3)/B柱上端受火，油漆燒光。12.0 m鋼平臺(tái)鋼梁可見(jiàn)嚴(yán)重殘余變形，油漆已燒光，如圖3所示。

圖2 5.5 m鋼平臺(tái)23/C鋼柱撐

圖3 12.0 m鋼平臺(tái)鋼梁

12.0 m鋼平臺(tái)2/C柱下端油漆脫皮。2-4/C吊車梁和2-3/C鋼柱撐油漆燒光，屋面檁條和墻面檁條受火嚴(yán)重殘余變形，4軸鋼梁、4/B鋼柱和C軸系桿表面油漆燒光。2/B-C鋼梁油漆變黑脫落，3/B-C鋼梁油漆燒光，2-3/B-C屋面支撐油漆燒光，吊車北段油漆燒光。

該建筑2-3軸柱間支撐明顯變形，主體結(jié)構(gòu)的整體牢固性較差，12.0 m鋼平臺(tái)有垮塌的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 火作用調(diào)查與分析

火勢(shì)通過(guò)設(shè)備管道及孔洞導(dǎo)向5.5～12.0 m鋼平臺(tái)區(qū)域和12.0 m鋼平臺(tái)-屋蓋區(qū)域，火勢(shì)大、煙霧濃，可燃物較少。可燃物種類為橡膠，燃燒時(shí)產(chǎn)生濃煙。現(xiàn)場(chǎng)可燃物數(shù)量較少，主要分布于振動(dòng)篩內(nèi)。振動(dòng)篩運(yùn)行時(shí)通風(fēng)條件良好，受火墻體及屋蓋的熱傳導(dǎo)特性良好?，F(xiàn)場(chǎng)基本無(wú)可燃物殘留，燒損狀況如上文所述。根據(jù)火災(zāi)過(guò)程、現(xiàn)場(chǎng)殘留物狀況及結(jié)構(gòu)外觀燒損狀況判定，鋼構(gòu)件表面曾經(jīng)達(dá)到的最高溫度大于700 ℃。該建筑火災(zāi)影響區(qū)域主要為12.0 m鋼平臺(tái)及周邊墻面、屋頂。

3.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件現(xiàn)狀檢測(cè)

該建筑經(jīng)正規(guī)設(shè)計(jì)、施工，竣工資料齊全，驗(yàn)收程序完整，使用功能與設(shè)計(jì)相符，認(rèn)為該建筑火災(zāi)前結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙要求，故不對(duì)結(jié)構(gòu)截面尺寸、鋼材牌號(hào)等進(jìn)行檢測(cè)。

檢查鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)的變形、裂損狀況，未見(jiàn)明顯異常。采用全站儀對(duì)受火范圍內(nèi)部分鋼梁跨中撓度進(jìn)行檢測(cè)[6，7]，檢測(cè)結(jié)果表明12.0 m標(biāo)高鋼構(gòu)件實(shí)測(cè)撓度介于32～93 mm。對(duì)受火范圍內(nèi)部分鋼柱側(cè)向垂直度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明2/C鋼柱和2/B鋼柱側(cè)向未出現(xiàn)明顯垂直度偏差。

4 鑒定評(píng)級(jí)

4.1 初步鑒定

地基基礎(chǔ)、混凝土構(gòu)件、1軸鋼梁鋼柱、A軸鋼柱和2-4/A-C 5.5 m平臺(tái)以下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件未遭受燒灼作用，未發(fā)現(xiàn)火災(zāi)及高溫造成的損傷，構(gòu)件材料、性能及安全狀況未受到火災(zāi)影響，構(gòu)件初步鑒定等級(jí)為Ⅰ級(jí)。

12.0 m鋼平臺(tái)鋼梁構(gòu)件和4軸墻面檁條、C軸墻面檁條、3-4/B-C屋面檁條出現(xiàn)嚴(yán)重殘余變形，初步鑒定等級(jí)為Ⅳ級(jí)。其余構(gòu)件初步鑒定評(píng)級(jí)見(jiàn)表1所示。

表1 構(gòu)件初步鑒定評(píng)級(jí)

4.2 詳細(xì)鑒定

按承載能力、構(gòu)造連接兩個(gè)項(xiàng)目分別評(píng)定等級(jí)，并計(jì)入火災(zāi)后材料的實(shí)際性能和結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及火災(zāi)造成的變形和損傷的不利影響，取其中較低等級(jí)作為火災(zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的詳細(xì)鑒定等級(jí)。

根據(jù)建筑物的使用歷史和當(dāng)前技術(shù)狀況，鑒定目標(biāo)使用年限取為50年。

4.2.1 計(jì)算分析

根據(jù)上文確定的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面溫度，高溫過(guò)火冷卻后結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度折減系數(shù)取0.82。

(1) 驗(yàn)算參數(shù)：主剛架屋面均布活荷載取0.3 kN/m2，檁條屋面均布活荷載取0.5 kN/m2，5.5 m和12.0 m鋼平臺(tái)樓面均布活荷載取4.0 kN/m2，基本風(fēng)壓取0.35 kN/m2(R=50)，雪壓取0.70 kN/m2(R=100)；主剛架材料強(qiáng)度Q235，檁條材料強(qiáng)度Q345；建筑抗震設(shè)防類別為乙類，鋼結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為三級(jí)，鋼筋混凝土框架抗震等級(jí)為二級(jí)。

(2) 承載能力：依據(jù)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范[8]，建立模型進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果表明該建筑非受火范圍鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足承載要求，2～4軸鋼梁構(gòu)件滿足承載要求。

4.2.2 安全性鑒定評(píng)級(jí)[9]

(1) 構(gòu)件安全性評(píng)級(jí)：混凝土梁、柱構(gòu)件安全性等級(jí)評(píng)為a級(jí)，混凝土板構(gòu)件安全性等級(jí)評(píng)為b級(jí)，12.0 m鋼平臺(tái)、4/B-C墻面檁條、2-4/C墻面檁條、3-4/B-C屋面檁條鋼構(gòu)件安全性等級(jí)評(píng)為d級(jí)，2-4/C吊車梁安全性等級(jí)評(píng)為c級(jí)，2/B-C鋼梁、3/B-C鋼梁、4軸鋼梁、其余屋面檁條鋼構(gòu)件安全性等級(jí)評(píng)為b級(jí)，其余鋼構(gòu)件安全性等級(jí)評(píng)為a級(jí)。

(2) 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全性評(píng)級(jí)：建設(shè)場(chǎng)地較為平整，非邊坡地帶，未發(fā)現(xiàn)顯著變形和滑移跡象及地坪沉降，綜合評(píng)定地基基礎(chǔ)的安全性等級(jí)評(píng)為A級(jí)；根據(jù)結(jié)構(gòu)承載功能等級(jí)、結(jié)構(gòu)整體性等級(jí)進(jìn)行上部承重結(jié)構(gòu)安全性等級(jí)的評(píng)定，上部承重結(jié)構(gòu)承載功能等級(jí)評(píng)為C級(jí)，結(jié)構(gòu)整體性等級(jí)評(píng)為B級(jí)，上部承重結(jié)構(gòu)安全性等級(jí)評(píng)為C級(jí)；根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的承載功能等級(jí)和構(gòu)造連接等級(jí)進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全性等級(jí)的評(píng)定，圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的承載功能等級(jí)評(píng)為C級(jí)，構(gòu)造連接等級(jí)評(píng)為B級(jí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全性等級(jí)評(píng)為C級(jí)。

(3) 鑒定單元安全性評(píng)級(jí)：該鑒定單元的安全性等級(jí)評(píng)為三級(jí)。

5 處理建議

該建筑結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，受損部位集中，適修性良好，可在進(jìn)行加固處理后繼續(xù)使用，處理建議如下所述。在保障施工安全的前提下對(duì)c級(jí)構(gòu)件進(jìn)行加固或更換，如2-4/C吊車梁。d級(jí)構(gòu)件多已存在嚴(yán)重殘余變形，不滿足正常使用要求，應(yīng)立即采取措施，此類構(gòu)件再利用價(jià)值或加固經(jīng)濟(jì)性低，可對(duì)d級(jí)構(gòu)件進(jìn)行更換，如12.0 m鋼平臺(tái)、4/B-C墻面檁條、2-4/C墻面檁條、3-4/B-C屋面檁條。b級(jí)構(gòu)件，如2/B-C鋼梁、3/B-C鋼梁、4軸鋼梁、其余屋面檁條，承載能力滿足要求、構(gòu)造連接良好，可不采取措施。

6 結(jié) 語(yǔ)

綜合地基基礎(chǔ)、上部承重結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全性等級(jí)，該建筑物結(jié)構(gòu)安全性等級(jí)為三級(jí)，不符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的安全性要求，影響整體安全，應(yīng)采取措施。

鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)后工程結(jié)構(gòu)鑒定過(guò)程中，過(guò)火溫度相較于其他材質(zhì)結(jié)構(gòu)更容易判斷。判斷依據(jù)主要有現(xiàn)場(chǎng)殘余物狀況、防腐涂裝狀況、結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形情況等，這對(duì)內(nèi)業(yè)工作時(shí)計(jì)算分析具有重要意義。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形是其受力顯著變化的易見(jiàn)特征，在鑒定過(guò)程中應(yīng)著重關(guān)注受彎構(gòu)件的撓度和受壓構(gòu)件垂直度，可采用全站儀無(wú)棱鏡法、拉線法或吊錘法等進(jìn)行檢測(cè)。撓度和垂直度檢測(cè)時(shí)，對(duì)不滿足規(guī)范允許偏差時(shí)，應(yīng)對(duì)受檢構(gòu)件相連的鋼梁或鋼柱進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否存在因火災(zāi)導(dǎo)致的構(gòu)件附加變形和附加內(nèi)力等，對(duì)建筑物整體性評(píng)定具有重要意義。

該廠房火災(zāi)燃燒時(shí)間約40 min，雖未達(dá)到設(shè)計(jì)最低耐火極限1.0 h卻已發(fā)生燒損變形，可見(jiàn)鋼材防火存在不足，主要原因可能有設(shè)計(jì)存在不足、未按圖施工防火涂層、防火涂層厚度不足、防火涂料性能不滿足設(shè)計(jì)要求等。

工業(yè)廠房因其肩負(fù)生產(chǎn)工作，火、電作為生產(chǎn)動(dòng)力使用較頻繁，多堆放易燃的生產(chǎn)原料或產(chǎn)品，應(yīng)適當(dāng)考慮提高其防火設(shè)計(jì)要求。且工業(yè)廠房應(yīng)以安全生產(chǎn)為首要考慮因素，外觀裝飾性可適當(dāng)讓步，建議優(yōu)先考慮采用耐火極限較長(zhǎng)、施工完成后外觀檢驗(yàn)直觀的厚涂型防火涂料。對(duì)外觀要求高的鋼結(jié)構(gòu)廠房，可采用性能更優(yōu)的薄涂型、超薄型防火涂料，加強(qiáng)施工過(guò)程中的管理與施工完成后的檢驗(yàn)。對(duì)防火要求高的工業(yè)廠房可在防火涂料施工完成后、廠房投產(chǎn)前準(zhǔn)備好消防設(shè)施，在確保安全的情況下采用溫度傳感器等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鋼構(gòu)件局部燃燒試驗(yàn)，檢驗(yàn)其耐火性能是否滿足設(shè)計(jì)文件或生產(chǎn)單位的要求。

鋼材耐火性能較差，而火災(zāi)情況仍會(huì)繼續(xù)發(fā)生，如何加強(qiáng)鋼材耐火性能，保障鋼材受火后的結(jié)構(gòu)性能，需要從業(yè)人員繼續(xù)探索?；馂?zāi)后鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定后明確處理范圍并給出相關(guān)處理建議，要求檢測(cè)鑒定人員不僅要掌握檢測(cè)鑒定知識(shí)，還要拓寬加固設(shè)計(jì)和施工等知識(shí)面。