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(备考辅导)一级结构基础辅导:火灾后混凝土结构的评估与加固

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一级结构基础辅导:火灾后混凝土结构的评估与加 固
摘要: 详细介绍了火灾后混凝土结构的现场检查内容, 以及结构损伤程度的 评定方法,并提出了加固修复中应该注意的问题。关键词:火灾;混凝土结构; 损伤评定;加固修复随着社会经济的发展、城市人口的集中化,以及人民对居室 美观和舒适的不断追求, 导致发生火灾的因素也随之增加,火灾的规模和频率也 在日趋扩大。据不完全统计.我国每年发生约 20 万起火灾。城市建筑物火灾占 总火灾的 2/3 以上,我国每年由于建筑物火灾造成的人员伤亡和财产损失非常 巨大,~的 30 多年中,全国共发生火灾 217 万余起,死亡* 10 万人,直接经济 损失达 187 亿余元。火灾后的建筑物是否还有修复价值以及如何修复,是灾后人 们最关注的问题, 而我国目前建筑物多采用钢筋混凝土结构,因此合理评估火灾 后钢筋混凝土结构的损伤程度, 并提出经济、适用而又能满足使用要求的加固方 法,是十分必要的。1 火灾后的现场检查由于发生火灾时着火的可燃物种类、数 量各不相同,火灾的燃烧条件也各异,火场温度及其变化情况也就不相同;同样 各种结构因受火条件和受力条件不一样,火灾对结构的损伤也有轻有重,同一建 筑物各处的受损程度也会不一样。因此,火灾对建筑物的损伤是复杂的,需要对 火灾现场进行细致的检查,以便制定出安全且经济的修复计划。(1)事故原因的 调查主要内容包括:火灾发生的时间、地点、起火至熄灭总的燃烧时间;室内着 火可燃物的种类、蔓延的数量和分布情况;火灾蔓延途径,是通过门窗、吊顶、 耐火性差的内隔墙, 还是通过楼梯间等容易突破部位; 燃烧条件, 包括当时风力、 风向、气温等气候条件。(2)烧损部位的外观检查火灾现场构件的变形、倒塌情 况;混凝土表面的颜色变化、爆裂面积大小、深度和位置;混凝土构件的裂缝长 度、宽度和分布;钢筋的变形、露筋部位及长度;绘出建筑物受损、破坏的分布 图,并拍照或录像。(3)建筑物原始设计资料的收集建筑物的*、立、剖面图; 竣工时间、过去火灾史混凝土的种类,所使用的材料性能、配合比,设计强度, 钢筋种类、配筋图;建筑物竣工图、施工记录等。(4)构件材料试验对于建筑物 中比较重要部位的构件,其受损程度较难判断时,可现场取样进行钻芯取样,进 行以下一系列实验:①混凝土的强度及碳化试验。②钢筋金相试验:将严重受损 的钢筋混凝土构件中的外露钢筋, 和预先制作的不同温度下钢筋的金相标本进行 对比,可确定该处钢筋和混凝土的受热温度。⑧将截下的钢筋进行力学试验,测 定其强度、延伸率等性能。④混凝土的强度,也可利用回弹、超声及综合法等非 破损试验来确定。 ⑤用卡尺、 钢尺、 量规和放大镜等仪器测量构件的变形及裂缝。

对裂缝应测定其宽度、 深度和长度,尤其构件上的贯穿性裂缝或沿钢筋的纵向裂 缝。应该注意,当裂缝扩展宽度大于 5mm 时,它是钢筋混凝土构件破坏性标志之 一。2 钢筋和混凝土的受损分析 2.1 火灾后混凝土的烧损分析火灾后,混凝上 的组成材料和内部结构都会发生变化,其强度损失主要取决于受火温度的高低、 受火作用的时间和冷却方式。试验表明,当受火温度低于 400℃时,无论是喷水 冷却还是自然冷却,混凝土强度均没有明显的降低;当温度超过 400℃后,水泥 石的晶架结构破坏严重,混凝土的强度开始显著下降,在这个过程中,喷水冷却 的混凝土强度比自然冷却的混凝上强度下降更多。主要是因为 Ca(OH)2 在 400~ 600℃之间脱水,产生水蒸汽,集料中 CaCO3 在 900~1000℃分解,产生 CaO 和 CO2,由于 CO2 和水蒸气要从内部向外逸出,会使混凝土内部产生很大压力,因 此会导致混凝土爆裂; 另外, 火灾中的混凝土结构如果喷水, 其表面会突然冷却, 导致混凝土内部与表面温差过大,进一步加剧混凝土的爆裂程度。2.2 钢筋的 烧损分析火灾后钢筋的极限强度、屈服强度、弹性模量等都随着温度的升高而降 低。 普通钢筋在 200℃时开始膨胀, 抗拉强度也随之下降, 当温度到达 600~700℃ 时,钢筋内部结构发生变化,导致强度和弹性模量降低程度非常严重。火灾后预 应力钢筋比非预应力钢筋强度下降要快,可以根据火灾温度和钢筋保护层厚度、 构件内主筋、钢丝的折减系数来确定其强度;也可以截构件内的钢筋、钢丝进行 力学性能试验来判定其强度, 还可以根据暴露在火场中的日用品钢材的力学性能 变化来确定钢筋强度变化。2.3 火灾后钢筋与混凝土的粘结力损失和混凝土的 弹性模量损失建筑物的梁、 柱等承重部分, 是靠钢筋和混凝土共同作用来完成的, 通常情况下,钢筋、混凝土是一个完整的整体,它们之间主要靠钢筋与混凝土之 间的摩擦力、钢筋表面与水泥胶体的胶结力、混凝上和钢筋的机械咬合力组成。 中南大学防灾科学与安全技术研究所通过试验发现: 火灾后钢筋和混凝土的粘结 力变化取决于温度的高低、 钢筋的种类、混凝土骨料的种类以及冷却的方式等条 件。温度越高,粘结力降低越大;圆钢比螺纹钢筋粘结力损失大;火灾后,石灰 石骨料比花岗石骨料损失大; 喷水冷却比自然冷却粘结力损失大。通过试验还发 现:随着温度的升高,混凝上的弹性模量逐渐下降,刚度不断降低;当温度达到 700℃时,弹性模量几乎为零。3 结构受损程度评定对建筑结构物火灾后受损程 度给予正确评价是修复加固的前提。根据结构受灾温度、变形大小、裂缝分布及 扩展程度等, 将混凝土构件的受损程度大致分为轻度损伤、 中度损伤、 严重损伤、 危险结构。3.1 轻度损伤混凝土构件表面受热温度低于 400℃,受力主筋温度低 于 100℃, 构件表面颜色无明显变化, 钢筋保护层基本完好, 无露筋、 空鼓现象。 除装修层有轻微损坏,其他状态与未受火结构无明显差别。3.2 中度损伤混凝 土构件表面受热温度约 400~500℃,受力主筋温度低于 300℃,混凝土颜色由灰

色变为粉红色,有空鼓现象,当使用中等力量锤击时,可打落钢筋保护层。构件 表面有局部爆裂,其深度不超过 20mm。构件露筋面积小于 25%,混凝土表面有 裂缝,纵向裂缝少,钢筋和混凝土之间粘结力损伤轻微,构件残余挠度不超过规 范规定值。3.3 严重损伤混凝土构件表面温度约 600~700℃,受力主筋温度约 为 350~400℃,钢筋保护层剥落,混凝土爆裂严重,深度可达 30mm,露筋面积 低于 40%,构件空鼓现象较为严重,用锤敲击时声音发闷。混凝土裂缝多,纵 向、横向裂缝均有,钢筋和混凝土之间的粘结力局部严*苹怠;炷帘砻嫜丈 呈浅黄色。构件变形较大,受弯构件挠度超过规范规定值 1~3 倍,受压构件约 有 30%的受压钢筋鼓出,混凝土有局部烧坏。3.4 危险结构混凝土构件表面温 度达 700℃以上,受力主筋温度达 400~500℃,构件受到实质性破坏,有明显受 火烧融痕迹。钢筋保护层严重剥落,表面混凝土爆裂深度达 30 以上,钢筋有烧 融、断裂现象,露筋面积大于 40%。构件纵向、横向裂缝多且密,钢筋和混凝 土粘结力破坏严重,主筋有扭曲。受弯构件裂缝宽度可达 l~5mm,受压区也有 明显破坏特征;支座附*斜裂缝多,构件挠度达到破坏标准,且有*面外变形。 构件沿垂直或水*面被分割成若干层。受压构件失去稳定,局部破坏,50%以上 受压钢筋鼓出。柱牛腿烧损严重。4 火灾后损伤混凝土结构的加固钢筋混凝土结 构的修复方法很多, 应根据各种结构的特点及火灾损伤程度,因地制宜地提出合 适的修复方法。总的原则是:铲除严重损伤的混凝土,修补孔洞和缺损,按照等 强原则进行构件加固,以保证构件原有承载力;为使加固获得更好的效果,加固 前应尽量使构件卸除荷载。4.1 结构受损后的修复方案对仅有粉刷层轻度破坏 的构件,只须将表面粉刷层或表面污物清理干净,重新进行粉刷装修即可。而对 中度损伤的构件,按下列步骤进行修复:其一进行表面清理。将烧松散的混凝土 除掉,将存留的混凝土表面清理干净;填补同等级混凝土,做成完好表面,以保 证钢筋不受锈蚀;其二进行灌缝。对混凝土表面的细小裂缝,可采用水泥素浆, 或以环氧树脂为基本组分的胶结料来灌缝,水泥选用膨胀水泥或自应力水泥。灌 缝方法的选择取决于裂缝宽度和深度。对深度和宽度分别不大于 50mm 和 0.3mm 的裂缝,可用*面式注浆机灌缝;对较深裂缝,将开口两侧凿成 V 形再灌缝;其 三验算构件剩余承载力,最后进行外部装修。将裂缝、孔洞、缺损修补好后,外 部应抹灰,使构件满足外观要求。对于严重损伤的构件,因其承载力有所下降, 需要根据剩余承载力计算结果, 按等强原则进行加固设计,施工时须采取有效措 施保证质量。对于危险构件,应予拆除,并另行更换新构件。4.2 加固的设计 (1)计算结构剩余承载力根据受损后测定出的截面几何参数、材料剩余强度等确 定。 (2)加固量的计算结构加固后的承载能力穴应满足 R≥roS 占,其中 R 包括弯 矩、 轴力、 剪力, ro 是结构重要性系数, S 是被加固构件的荷载效应组合设计值。

(3)加固截面设计根据加固量、 初选的截面尺寸、 材料强度估算加固所需配筋量。 (4)将计算结果按加固后的实际承载力验算截面承载力。4.3 修复加固的施工修 复加固的施工必须在技术鉴定及修复加固设,计人员的指导下完成。因为火灾对 工程结构的损伤是不均匀的, 即使同一构件不同部位受火灾损伤的程度也是不同 的, 只有技术鉴定及修复加固设计人员现场指导,方能有效保证修复加固设计的 内容落实到每一构件及构件的每一部位。在对烧伤层进行清除时,要对裂缝逐一 进行检查确认, 确定其剔凿深度;对严重受损板的现场确认等工作应由技术鉴定 人员、加固设计人员会同监理、施工人员共同完成,这样做可随时监测检查原有 结构及构件的性能, 及时发现和处理各种隐患。建筑结构火灾后的修复加固设计 要比普通工程加固处理复杂得多, 尤其是加固的施工质量乃是修复加固设计成败 的关键, 而施工期间保证受损结构的安全性及稳定性更是设计关注的焦点。为了 使构件处于卸荷状态加固, 要求主梁及次梁底需设置支撑,支撑必须从底层直至 顶层。铲除原梁、柱、板粉刷面层时,必须从顶层开始逐层向下。构件的加固从 底层开始,然后逐层向上。每层构件的加固施工顺序为先加固柱,然后框架梁、 尔后次梁,最后浇捣楼层




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