（中冶建筑研究总院华东分院 上海 冷超群 金立赞  200910）
[摘  要]： 某化纤厂房遭受火灾后，结构损伤严重。通过现场残留物的形态推定火灾范围和火灾温度场，并根据混凝  土、钢筋等材料灾后性能测试结果，对构件和结构做出损伤等级评定，并依据评定结果提出结构加固方案。
[关键词]：结构检测； 火灾后厂房结构鉴定； 损伤评估
 
Structure Assessment of a Chemical Fiber Factory After Fire
 
Leng Chaoqun, Jin Lizan
(1. Civil Engineering Department of Tongji University, Shanghai, 200092;
2. East China Branch of Central Research Institute of Building and Construction Co., Ltd., MCC Group
  Shanghai  200433)
 
Abstract：The structure of a fiber factory building was damaged seriously after a fire accident. Temprature scope and distribution was deduced based on debris in scene of fire. The damage of structure was evaluated based on the detection result of concrete, steel bar, and the structure reinforcement proposal was put forword.
Keywords：structure detection；Structure assessment after fire；damage evaluation
 

1 工程概况

    某化纤厂房，建于2009年上半年，于2009年11月29日10时发生火灾，据现场反映，于当日约11时30分火势基本熄灭，12时完全扑灭。为了解火灾后结构构件的受损状况，为维修、加固提供技术依据，需对其进行火灾后结构安全检测鉴定。
    该建筑为2层现浇混凝土框架结构，钢结构屋面，东西方向长411.3m，南北方向宽143.5m，一层层高7m，二层层高6.5m，主体结构高13.7m，轴网尺寸为7mx7.5m、7mx7.7m、7mx7.75m。该建筑东西向共设有5道伸缩缝、南北向共设有1道伸缩缝，根据伸缩缝设置位置，共分12个区，本次着火区域及烟气弥漫区域为1~11轴/A~K轴、12~22轴/A~K轴、1~11轴/L~V轴、12~22轴/L~V轴区域，火灾区域平面布置见图1。
                                                         
                                                                                                      图1
   构件截面尺寸：混凝土柱500x500、600x600、650x650(未注明单位均为mm，下同)，南北向框架梁为300x750，东西向框架梁为200x600，二层楼面次梁200x600，屋面为钢结构。
梁、柱、板混凝土设计强度：C30，梁、柱主筋采用HRB335和HRB400钢筋。现浇楼板板厚100、120，钢筋采用HRB400钢筋，双层双向配筋。外墙为240厚KP1多孔砖，内墙为200厚轻质加气混凝土砌块。
地基基础：采用桩基基础。
   楼面活荷载设计值：4.0kN/m²、5.0kN/m²、6.0kN/m²，不上人屋面活荷载设计值：0.8kN/m²。

2 火灾现场调查及火场温度判断
   火灾后现场调查与勘察的内容包括：大火燃烧范围与位置，燃烧时间，可燃物质，灭火或熄火方式，大火后现场残留物变形形态以及结构构件的变形形态，收集判定火灾曾经产生的最高温度的依据。
大火燃烧范围与位置：起火区位于一层1~16/E~N轴区域；火灾影响至1~22/A~V轴区域。根据现场检查结果，火灾影响区划分为火焰燃烧区、高温烟气弥漫区、烟气弥漫区等不同程度火灾影响区域。
燃烧时间：从2009年11月29日10时左右起火到11时30分左右结束，历时约1.5小时。可燃物质：包装泡沫材料等；灭火方式：消防水；火灾后残留物状态：整个厂房火焰燃烧区堆放的包装泡沫材料燃烧殆尽，部分地面木支架未燃烧完全，部分悬挂钢水管弯曲、变形，N轴处防火墙南侧（火焰燃烧区侧）粉刷层大面积脱落、局部严重处砖表面面层脱落、防火卷帘门框变形、扭曲轴火；靠近火焰燃烧区，伸缩缝处柱侧木条，上部燃烧殆尽、下部熏黑；烟气弥漫区域部分吊灯外露电线外皮烧焦、里面铜丝完好，伸缩缝处柱侧木条均完好（外表熏黑），21~22轴间防火墙除熏黑外，基本完好。
    结构构件形态：火焰燃烧区大部分楼板板底粉刷层和混凝土脱落、钢筋外露；靠近火焰燃烧区，部分楼板底粉刷层脱落、个别部位楼板混凝土脱落、钢筋外露；烟气弥漫区域楼板板底熏黑，部分板底粉刷层裂缝。火焰燃烧区大部分混凝土柱、梁粉刷层脱落、部分梁底、角部混凝土脱落，部分柱侧面、角部混凝土脱落，个别部位梁、柱钢筋外露；靠近火焰燃烧区，部分梁、柱粉刷层脱落；烟气弥漫区域，梁、柱粉刷层熏黑。N轴防火墙和10~11/L~M轴处楼梯间墙体开裂、表面酥松严重。其中受火灾影响最显著区域的柱上端、梁、板敲击声音发闷。
基于现场调查得到的火场特征，综合判断认为，火灾主要影响区域为厂房西南侧防火墙内区域，火焰燃烧区大致为1~16/E~N轴区域，根据现场检测大致描述的火焰燃烧区示意见图1。由于可燃物主要为包装泡沫材料，材料堆放面积较大，且现场部分窗户未安装，室内通风较快，可燃材料燃烧速度较快、较充分，厂房内火焰燃烧区构件（柱上端、二层楼面梁、板底）表面温度一般在500~700℃左右，最高处大于800℃，接近1000℃左右，烟气弥漫区域构件表面温度一般在100~300℃左右。

3、现场检查结果及分级评定

3.1 厂房完损状况检测
3.1.1围护系统
（1）门窗系统：现场检查，一层部分门窗未安装，防火墙卷帘门损坏严重，窗框扭曲、变形。
（2）墙体：N轴处防火墙体，处于火焰燃烧区，受框架结构在温度作用下膨胀的推拉作用，破坏明显，斜裂缝较多，大部分粉刷层脱落、局部砌块表面酥松、脱落。西侧外墙（1轴）近火焰燃烧区，部分墙体斜裂缝，梁、柱和墙体连接处发现开裂。21~22轴间防火墙体除粉刷层熏黑外，无明显结构损伤，南侧外墙受框架结构变形影响，局部发现斜裂缝。10~11/L~M轴处楼梯间墙体受损严重，表面酥松、脱落，开裂严重。
（3）屋面：因火势未蔓延至二层，二层所有结构（除楼面外）未受火灾直接影响。
3.1.2主体框架
火焰燃烧区一层梁、柱粉刷层脱落、部分角部和侧面混凝土脱落、钢筋外露，大部分梁、柱外露混凝土颜色为浅灰白，柱上端和梁侧敲击声略显发闷；近火焰燃烧区一层梁、柱粉刷层大部分脱落、个别部位角部和侧面混凝土脱落，大部分梁、柱外露混凝土颜色为浅灰白、浅灰；烟气弥漫区域一层梁、柱粉刷层部分脱落，外露粉刷层颜色为黑色、灰青，敲击声较响亮。
3.1.3楼板
火焰燃烧区二层楼板面层（上部约60厚建筑做法）上拱、开裂（呈龟状裂纹），伸缩缝处面层上拱、变形较大（伸缩缝现场未封闭，火灾时为通风口）。经局部敲开楼板面层检查，混凝土楼板自身裂缝较少，面层裂缝主要为温度作用下自身变形所形成。火焰燃烧区二层楼板底部混凝土大面积脱落、钢筋外露，粉刷层全部脱落，均不同程度丧失承载能力，外露混凝土颜色浅灰白、灰白、浅黄；靠近火焰燃烧区二层楼板底部混凝土部分脱落，粉刷层大部分脱落，承载能力有所降低，外露混凝土颜色浅灰、浅灰白；烟气弥漫区域二层楼板底部混凝土粉刷层局部脱落、裂缝，承载能力略有影响，粉刷层外表颜色为黑色、浅灰。
 

 
3.2 厂房倾斜

根据现场条件，采用经纬仪垂直投点法对房屋凸角棱线进行了倾斜测量，由倾斜测量结果分析，厂房倾斜率较小，南北方向倾斜一致，整体朝南倾斜，由北朝南最大厂房倾斜率为1.8‰；由东向西最大倾斜率为2.3‰，最大倾斜率均小于规范允许值4‰。
经现场检测，该建筑倾斜率尚在规范允许范围内。

3.3 楼面高差、二层楼面梁挠度、柱变形测量

现场采用水准仪对二层楼面高差进行测量。测量结果和现场检查显示，由于火灾影响，导致部分板面面层上拱变形明显，楼板自身变形较小，面层上拱变形最严重处在近伸缩缝处。
现场在一层处采用水准仪塔尺反顶法测量二层楼面梁挠度。测量结果显示，楼面梁表现为轻微下挠，火灾严重区域下挠较为明显，梁挠度最大为1/226，为中等变形。
现场在一层采用经纬仪垂直投点法对部分检测区域内柱凸角棱线进行了倾斜测量，由检测结果分析，火焰燃烧区一层柱，东西方向总体朝西倾斜；南北方向总体以K轴处伸缩缝为界，缝北侧柱朝北、缝南侧柱朝南倾斜。初步判断为火灾时，温度作用下框架整体变形所致。

3.4 钢筋抽查

现场截取火焰燃烧区12~13/L~(1/L)轴、12~13/J~(1/J)轴、3~4/(1/L)~(2/L)轴间二层楼板底部钢筋、一层12/J轴处柱角部钢筋、4/L~M轴、6/H~J轴处二层楼面梁底部钢筋进行拉伸试验。钢筋试验结果显示，原设计为HRB335直径为18的钢筋（柱钢筋），其试验结果屈服强度、极限抗拉强度均满足规范要求；原设计HRB400直径为8和25的钢筋（梁、板钢筋），其试验结果屈服强度、极限抗拉强度均有不同程度降低，且均小于规范要求值，偏差在7.5%~36%之间。分析认为，受混凝土保护层保护下的钢筋，被火灾影响较小，验算分析时可按照原设计强度考虑；保护层混凝土脱落处钢筋被火灾影响较大，钢筋抗拉强度均有不同程度降低。钢筋拉伸试验结果见表1。

表1 钢筋拉伸试验结果

构件名称	构件位置	现场情况	屈服段拉力(kN)		极限抗拉强度(kN)		钢筋直径、型号
			实测值(MPa)	偏差(+/-)	实测值(MPa)	偏差(+/-)
板主筋	二层楼面 12~13/L~(1/L)轴	板底裸露钢筋	255	-36%	395	-34%	?8
板主筋	二层楼面 12~13/J~(1/J)轴	板底裸露钢筋	345	-14%	555	-7.5%	?8
板主筋	二层楼面 3~4/(1/L)~(2/L)轴	板底裸露钢筋	305	-24%	490	-18%	?8
梁主筋	二层楼面 4/L~M轴	被混凝土包覆，混凝土略显酥松	450	+13%	590	-1.7%	?25
梁主筋	二层楼面 6/H~J轴	被混凝土包覆，混凝土略显酥松	455	+14%	620	+3.3%	?25
柱主筋	二层楼面  12/J轴	被混凝土包覆，混凝土略显酥松	455	+36%	570	+12%	?18
注：钢筋屈服强度，?为235 MPa、?为335MPa、?为400MPa；极限强度，?为310 MPa、?为510MPa、?为600MPa。表中“-”表示强度减弱，反之表示强度有富余

3.5混凝土强度、碳化情况检测

现场采用回弹取芯综合法对未过火区域、过火区域的梁、柱、板混凝土均进行了测试，以了解混凝土在过火后的强度退化情况。现场测试时间为2009年12月7日~2009年12月9日，测试结果见表2~表3。根据加固改造设计资料，混凝土强度设计值为C30，根据现场实测，火焰燃烧区构件表面混凝土退化较明显，近火焰燃烧区次之，烟气弥漫区域无明显影响。从测试结果来看，混凝土强度受影响较明显构件为火焰燃烧区梁、楼板及柱上端。
受火灾影响的混凝土碳化深度，火焰燃烧区平均为4mm，烟气弥漫区域构件混凝土因未受明显影响，且该混凝土为近期施工，其碳化深度平均为0~4mm左右。
从测试结果分析，受火灾影响，一层梁、板及柱上端表面混凝土回弹值降低较明显，部分构件表面混凝土已经酥松、脱落；而构件内部混凝土受影响程度较小，其芯样测试值较高，受火灾影响最明显区域，原设计C30的混凝土芯样抗压试验结果均在C25以上。受火灾影响，在火焰燃烧区，部分楼板底部大部分混凝土脱落，大部分梁、柱（上端）表面影响较明显的混凝土厚度为25mm左右，加固时，需凿除该部分混凝土。

                                                             表2 钻芯检测混凝土抗压强度结果

                                                              表3  混凝土碳化深度测量结果
 

3.6 厂房火灾后承载能力验算与分析

3.6.1  验算结果与分析
根据验算结果，在混凝土强度略有降低情况下（C25以上），主要结构构件承载能力均能满足规范要求。根据现场检查情况，二层楼板受火灾影响产生明显开裂、上拱、混凝土脱落，部分构件基本丧失承载能力；部分梁、柱构件表面混凝土脱落、钢筋外露，承载能力有所降低，需局部加固处理。
火灾影响较严重区域，梁负弯矩区段，由于梁底混凝土强度降低，使梁负弯矩区段的承载能力降低较显著。该区域混凝土脱落现象不明显，仅混凝土强度退化对梁段承载能力产生影响。负弯矩区段梁底混凝土应适当涂抹钢丝网树脂砂浆等修补材料，并适当加大涂层厚度。钢丝网面层应与原结构可靠拉接。
从验算配筋与实际配筋分析，梁实际配筋比所需配筋量一般高10%以上，柱的配筋富余度更大一些。从试验结果分析，火灾后梁、柱的钢筋性能和混凝土性能，火焰燃烧区略有影响，近火焰燃烧区和烟气弥漫区无明显影响。

3.7 结构构件鉴定评级

根据现场检查的情况、火场温度判断情况，及结构安全分析结果，综合评判火灾后结构构件的安全与完损程度。其中一层火焰燃烧区柱、顶部的梁，评级为Ⅱ_b，对火焰燃烧区域二层楼板，评级为Ⅱ_b~Ⅳ；对一层靠近火焰燃烧区柱、顶部的梁、二层楼面板，均评级为Ⅱ_a、Ⅱ_b；对烟气弥漫区梁、柱、板均评级为Ⅱ_a。对一层围护墙体，N轴处防火墙和10~11/L~M轴楼梯间墙体评级为Ⅲ，对火焰燃烧区处西侧外墙评级为Ⅱ_b，对其余过烟处墙体评级为Ⅱ_a。

4 结论与建议

4.1 结论

(1)火灾造成的影响主要表现在：火焰燃烧区墙体、门窗等围护结构受损明显，楼板底部混凝土脱落、钢筋外露，部分梁、柱角部、侧面混凝土脱落；烟气弥漫区域部分楼板底粉刷层脱落、裂缝，梁、柱、墙体粉刷层熏黑。
(2)由于火灾影响，导致部分楼面面层上拱变形明显，楼板自身变形较小，面层上拱变形最严重处为伸缩缝处；楼面梁表现为轻微下挠，火灾严重区域下挠较为明显，为中等变形；火焰燃烧区一层柱，东西方向总体朝西方向倾斜；南北方向总体以K轴处伸缩缝为界，缝北侧柱朝北、缝南侧柱朝南倾斜。
(3)验算分析表明，二层楼板受火灾影响产生明显开裂、上拱、混凝土脱落，部分构件基本丧失承载能力；部分梁、柱构件表面混凝土脱落、钢筋外露，承载能力有所降低，需局部加固处理；火灾影响较严重区域，梁负弯矩区段，由于梁底混凝土强度降低，使梁负弯矩区段的承载能力降低较显著，需局部加固处理。除火焰燃烧区结构构件外，主体结构承载能力可满足规范要求。
(4) 一层火焰燃烧区柱、顶部的梁，评级为Ⅱ_b，对火焰燃烧区域二层楼板，评级为Ⅱ_b~Ⅳ；对一层靠近火焰燃烧区柱、顶部的梁、二层楼面板，均评级为Ⅱ_a、Ⅱ_b；对烟气弥漫区梁、柱、板均评级为Ⅱ_a。对一层围护墙体，N轴处防火墙和10~11/L~M轴楼梯间墙体评级为Ⅲ，对火焰燃烧区处西侧外墙评级为Ⅱ_b，对其余过烟处墙体评级为Ⅱ_a。

4.2 处理意见及建议

(1)恢复建筑的围护系统，包括墙体、门窗等。其中损坏的门窗需更换。
对受损可采用清除墙体粉刷层后用钢丝网水泥砂浆罩面的方法加固，对受损严重的墙体拆除后重新砌筑。
(2)对受损严重、评级为Ⅳ级的的楼板直接拆除后重新施工处理，重新施工时，板底钢筋应加强；对受损严重评级为Ⅲ级的楼板（钢筋暴露、板面开裂），可采取拆除后重新施工或去除表面酥松混凝土后加固处理等方案。对受损明显的楼板（评级为Ⅱ_b），可采取除污后修补砂浆修补，并在板底适当粘贴碳纤维布，以提高其承载能力，对其余楼板可去除表面污渍后粉刷修复使用。对发现变形和开裂处二层楼面面层进行铲除后重新施工处理，重新施工时，新做面层需和原有楼板板面结合牢靠。
(3)对受损严重的梁、柱（评级为Ⅱ_b），可采取清除表面酥松混凝土后采用修补砂浆修补表面，并可适当贴梁底碳纤维布及U型箍和柱侧碳纤维布箍，提高其耐久性及表面抗裂能力，对受损较严重梁、柱（角部混凝土脱落较多，局部露筋）可采取凿除表面强度退化较严重混凝土后扩大截面或涅式包钢法加固。受火灾影响显著的梁负弯矩区域，应适当涂抹钢丝网树脂砂浆等修补材料，并适当加大涂层厚度，钢丝网面层应与原结构可靠拉接。对受损较轻的梁、柱（评级为Ⅱ_a）进行粉刷层修复。
(4)对其余框架柱、梁、板，混凝土粉刷层脱落的予以重新粉刷；清除表面污物，按原设计要求恢复装饰面。

5 结语

1)火灾对结构的影响主要在火焰燃烧区，钢材影响最明显，混凝土影响较小。
2)火灾后结构鉴定主要通过灾后现场残留物的形态判断火灾温度场，并通过对结构材料性能的变化和理论计算等对结构安全性进行综合评定并制定合理、经济的加固方案。