火災后混凝士結構構件檢測分析

摘 要：評估火災中鋼筋混凝土受損情況至關重要。無損檢測（NDT）是一種經(jīng)濟有效的檢測方法，其中回彈測量和超聲波脈沖速度（UPV）是混凝土強度評估中使用最廣泛的無損檢測方法之一，從受損構件中取樣的芯樣抗壓強度試驗是研究火災對鋼筋混凝土性能影響的最可靠工具之一。本文采用回彈法和UPV法對某受火災工業(yè)倉庫進行測試，并對測試數(shù)據(jù)進行修正，得到受火柱回彈和超聲波聯(lián)合測試強度平均值為30.25N/mm2，強度損失達27.98%。取芯的試驗顯示過火混凝土柱的平均抗壓強度為30.6N/mm2，平均強度損失為28.10%。由于存在混凝土保護層，因此鋼筋力學性能并沒有顯著變化。

關鍵詞：過火構件；無損檢測；破壞性測試；力學性能

中圖分類號：TU 37" " " 文獻標志碼：A

火災造成的建筑物損壞可能會嚴重損害建筑物的結構安全和適用性，評估鋼筋混凝土建筑物火災損壞的程度和嚴重性是規(guī)劃其結構修復或拆除的一項關鍵任務?；炷帘旧硎且环N復合材料，其成分具有不同的熱性能，而且水分和孔隙率對力學性能有很大的影響，當混凝土暴露在火中時，其整體性能可能會發(fā)生根本變化，同時鋼筋對火災引起的高溫的影響非常敏感，導致很難評估鋼筋混凝土的耐火能力[1-2]。鋼筋混凝土火災損傷測試有無損測試[3]和破壞性測試[4]，本文通過聯(lián)合使用回彈法和超聲波脈沖速度測量判斷構件的質量，再使用取樣的破壞性試驗測試混凝土和鋼筋的力學性能，綜合判斷該建筑火災后的受損程度。

1 工程概況

本文研究對象為某工業(yè)倉庫，該廠房尺寸約為60m×40m，首層高度為6.0m，最大高度為11.1m。承重結構為預制鋼筋混凝土框架（如圖1所示）。底層立柱形成約10m×13m的網(wǎng)狀結構，前者為縱梁的跨度，后者為橫梁的跨度，所有的柱、梁都是預應力鋼筋混凝土構件，板為現(xiàn)澆混凝土樓板。內部隔墻將底層分為3個不同的區(qū)域，其設計為一級耐火，由覆蓋石膏的磚塊組成，能確?；馂膬H局限于底層的中央部分，而不會蔓延到整個建筑物，只有底層中央部分的柱子和一樓的縱橫梁受到火災影響。

2 構件幾何測量

為檢測火災后柱子的幾何形狀變化，采用掃描距離在10m～25m時絕對誤差小于2mm的激光掃描儀，從4個不同高度對圖1中受火區(qū)域的4號到9號6根高度為6m、界面為矩形的中心柱進行截面（截面1為1m；截面2為3.2m；截面3為3.6m；截面4為5.2m）掃描，檢測暴露在火中的一側并估計重心位置，如圖2所示，每根柱的兩端都被視為是受到約束的。

針對完全暴露在火災中的5號和8號中心柱，記錄整個截面周長并確定重心位置，而只有一側暴露在火災中的4根側柱（4號柱、6號柱、7號柱、9號柱），通過受火一側長度和其他3個側面的設計特點確定重心位置，以此來研究重心位置隨柱高的變化。經(jīng)檢測，火災引起的變形的影響清晰可見，并傾向于將重心位置的變化集中在柱子的中央部分，6號柱（截面為90cm×50cm）在火災中受火側被嚴重掏空，變化最明顯，重心往x方向偏移40mm，往y方向偏移12mm，而完全暴露在火災中的5號柱（截面為68cm×50cm）重心偏移小于10mm，8號中心柱截面與5號主相同，但重心偏移小于5mm，兩者重心位置變化都很小。

在表1中，考慮重心的位置，對公式（1）中定義的標準偏差（SD）進行評估。

（1）

式中：（xi，yi）為第i個橫截面的重心坐標；為考慮所選柱的所有n個截面的平均坐標。

只有4號柱和6號柱x方向標準偏差大于10mm，其他柱變化重心位置的變化只占柱子高度的一小部分，它們可能是由橫截面的局部損壞造成的，而不是由柱子的實際位移造成的，使用新混凝土進行完整截面修復后，變化將減小到完全可以忽略不計的值。

火災還損壞了底層的整個中心區(qū)域，由柱子簡單支撐的縱梁和橫梁也發(fā)生了變形，因此還用激光掃描儀檢測了縱梁和橫梁的剛性旋轉和撓度變化。由于預應力筋有助于減少梁在使用荷載下的撓度，因此每根梁都設計有負撓度，檢測結果顯示火災的影響消除了所有梁中存在的初始負撓度，只有少數(shù)損壞的構件存在初始負撓度，但是梁結構外部并沒有出現(xiàn)明顯的裂縫。

3 無損檢測

由于穿過混凝土的聲波脈沖與其強度之間存在很明顯的相關性，在相同原材料制成的混凝土構件中，超聲波傳播速度隨著強度的增加而增加，由于傳播速度隨混凝土混合物的變化很大，但是同一區(qū)域記錄的波速變化可以有效地區(qū)分受損區(qū)域和未受損區(qū)域[5]。在未破損的柱子厚度范圍內，超聲波的波速幾乎是恒定的，超聲波傳輸脈沖在未損壞的混凝土中的速度可以達到并超過5000m/s，如果存在因暴露于火中而引起的缺陷，超聲波速度會顯著下降，因此對鋼筋混凝土結構進行超聲波測試非常有用。本文對該工業(yè)倉庫一樓樓板進行測試，受火區(qū)域定義了一個1m×1m的網(wǎng)格并確定了8個重要點，利用表面透射聲脈沖速度測試進行聲波斷層掃描。

將壓電接收器放置在每個重要點上，并將裝有壓電傳感器（以便記錄脈沖力）的1.5kg沖擊力錘施加到相鄰8個點，這樣就記錄了每個重要點的8個波的速度，圖3記錄了它們的平均值以及相應的標準差。

由圖3可知，受損最嚴重的區(qū)域對應于左側的A點和E點，它們的速度最低（2000m/s～2400m/s），事實上受火損壞會顯著降低聲脈沖的速度。另一方面，H點和D點呈現(xiàn)最高速度值（3800m/s），位于樓板的角落，靠近樓梯間，后面的點可能較少暴露在火中，因此比位于板中心的點（A點和E點）受火損壞程度要低。

通過取芯器從板材中采集了4個直徑為6cm的圓柱形混凝土芯樣。對這些混凝土芯樣進行超聲波直接測試，獲得的結果見表1，這些結果證實了受火梁周圍區(qū)域相對應的板中央部分的退化。

為了評估遭受火災的柱子中混凝土的力學特性，從不同的柱上取出多個不同長度、直徑均為6cm的混凝土芯樣。表2列出了混凝土芯樣的具體參數(shù)，其中“位置”表示從標高0mm（對應于地平面）到6000mm（對應于第一層的內弧面）沿構件縱軸的核心位置。受火柱的平均速度值為5430m/s，3根柱之間沒有檢測到太大的變化。結果表明，這些混凝土構件的力學特性非常相似，并且火災損失在它們之間分布得相當均勻。

通過與來自板芯的超聲脈沖速度（脈沖速度平均值為1500m/s～1800m/s）進行對比，突出了現(xiàn)澆混凝土板與混凝土柱的不同力學特性，回彈法和超聲波脈沖速度測量可以快速、輕松地進行混凝土強度測試，如果2種方法受到統(tǒng)一因素以不同方式地影響，那么將他們結合使用可以抵消該因素的影響，提高強度估計的準確性，但實際運用過程中許多因素可能會影響聲波或回彈，所以必須進行修正，本文聯(lián)合法采用的修正公式如公式（2）所示。

fc=（a/k）V2.6R1.3 （2）

式中：fc為混凝土強度；V為超聲速度；R為反彈指數(shù)；a=1.5×10-10；k為校準系數(shù)。

校準系數(shù)如公式（3）所示。

k=fcm/fem （3）

式中：fcm為混凝土估計平均強度；fem為混凝土試驗平均強度，fcm通過測試從所研究的對象中提取的至少一個混凝土芯樣來評估，測試次數(shù)越多，精度越高。

當芯樣抗壓試驗提供的試驗破壞性數(shù)據(jù)數(shù)量較少時（低于或等于5個試件），該校準方法適用。

為了估計火災損壞和未損壞柱的混凝土強度，對經(jīng)火災受損的4號柱、7號柱、8號柱、9號柱和為未經(jīng)受火災區(qū)域的14*號柱、15*號柱混凝土表面的“完好”部分進行回彈指數(shù)測量。通過混凝土回彈儀進行回彈測試并進行統(tǒng)計分析（測試了每個研究對象上22個點的15mm×15mm網(wǎng)格）；回彈測試平均值見表3。同時，對被分析對象進行直接測試，以獲得的超聲波速度。

從受火的4號柱、7號柱、8號柱、9號柱和位于火區(qū)外部的14*號柱、15*號柱中取出直徑為6cm的混凝土芯樣并進行混凝土抗壓強度測試，并對這些構件進行校準，為了將火災損害考慮在內，確定了校準系數(shù)，其中受火柱4號、7號、9號的k=1.62；非受火柱14*號和15*號的k=2.13?；炷列緲庸浪阒岛驮囼炛狄约靶手狄姳?。

經(jīng)過校準的混凝土強度估計值與試驗值非常相近，表4中顯示的百分比誤差在4.65%～20.94%，與未經(jīng)校準的估計產(chǎn)生的誤差相比非常低。未過火混凝土的特征抗壓強度為42N/mm2，受火柱回彈和超聲波聯(lián)合測試強度平均值為30.25N/mm2，強度損失達27.98%。

4 破壞性試驗

從受損構件中取樣的芯樣抗壓強度試驗是研究火災對鋼筋混凝土性能影響的最可靠工具之一[6]。如果可能的話，徹底的火災后調查應該依靠鉆取的芯樣。因此，在這種情況下，從柱子和板中提取的幾個直徑為6cm的芯樣，通過單軸抗壓強度試驗機進行抗壓強度測試。

表5記錄了暴露在火災中的4號柱、7號柱、8號柱、9號柱和未損壞的13*號柱、14*號柱、15*號柱的結果，暴露火災中混凝土柱的平均抗壓強度為30.6N/mm2，未暴露火災中混凝土柱的平均抗壓強度為42.56N/mm2，平均強度損失為28.10%?；炷帘Ｗo層出現(xiàn)了主要的可見損傷，但在消除了損壞的保護層后，混凝土芯樣是從柱子的內部提取的，保護層提供的隔熱可能足以保持混凝土內部的力學特性。

板芯（O、N、L、M點）抗壓強度測試結果證實了現(xiàn)場澆筑板與預制柱之間混凝土力學特性的差異，現(xiàn)澆樓板的平均值為20.0N/mm2，低于預制混凝土柱對應的30.6N/mm2。

為了評估火災后柱內和首層樓板鋼筋的力學性能，還對第4柱、第9柱以及樓板內弧面的鋼筋進行強度測試，該強度測試由試驗力為2000kN的鋼筋抗拉強度測試儀完成。在原始設計中，針對直徑小于12mm的鋼筋，鋼筋特性應為430N/mm2屈服強度和480N/mm2極限強度；針對直徑大于12mm的鋼筋，鋼筋特性應為540N/mm2。

測試結果見表6，在直徑為18mm的情況下，所分析的所有鋼筋都達到了設計極限抗拉強力值，從第9號柱中提取的?12mm和?14mm鋼筋的也同樣得到了較好效果，而?6mm箍筋的極限抗拉強度下降了15%。從第4號柱中提取的?14mm鋼筋的極限抗拉強度下降了5%，除了9號柱的?18mm鋼筋和?14mm鋼筋之外，所有筋材的屈服強度都只有略微下降。這些結果證明，火災沒有導致鋼筋的力學性能顯著下降；混凝土保護層可能通過有效的隔熱來保護它們。

5 結語

本文對該受火建筑結構進行安全性檢測分析，超聲波測試結果證實了受火梁周圍區(qū)域相對應的板中央部分的退化；利用回彈法和超聲波脈沖速度測量并對測試數(shù)據(jù)進行修正，受火柱回彈和超聲波聯(lián)合測試強度平均值為30.25N/mm2，強度損失達27.98%。在鋼筋混凝土柱中取樣試驗結果發(fā)現(xiàn)，暴露火災中混凝土柱的平均強度損失為28.10%。而鋼筋的測試結果顯示火災沒有導致鋼筋的力學性能顯著下降；混凝土保護層通過有效的隔熱來保護它們?；貜椃ê蚒PV法聯(lián)合測試和取樣試驗的破壞性測試有效分析了該建筑混凝土結構構件的受損程度。

參考文獻

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