某高層建筑火災后結構安全檢測與評估

陳 佳

(上海同濟檢測技術有限公司，上海 200092)

0 引言

據統計，2019年全國消防救援局共接報火災23.3萬起，其中高層建筑發生火災6 974起，同比上升10.6%?；馂陌l生后，房屋結構受到不同程度的損壞，目前火災后建筑結構檢測鑒定主要依據為T/CECS 252—2019《火災后工程結構鑒定標準》。以上海市某高層建筑為例，通過火災后現場檢測，對火場情況、結構材料強度退化、構件變形、損傷情況等進行分析評定，根據檢測結果分別給出構件燒傷深度，在此基礎上對主體結構進行計算分析，并對結構安全性進行評估。

1 工程概況

上海市某高層建筑建造于1993—1997年，由裙房和塔樓組成，二者之間設有150mm寬沉降縫，總建筑面積約100 000m2。裙房地下2層(局部3層)，地上13層，局部地下3層用作水泵房等，地下1，2層主要用作地下車庫，地上部分原為商場，檢測時空置。塔樓地下2層，地上34層，地下1，2層主要用作地下車庫，地上1～8層原為商場，檢測時空置，9層及以上部分主要用作辦公室。

本工程建筑平面整體近似呈橢圓形，總長132.00m，總寬57.75m。地下2層至地上9層裙房和塔樓層高均相同，為3 500～4 500mm。原裙房地上10層高度為24.45m，后進行鋼結構插層改造，改造后新增地上11～13層。塔樓10層層高4 700mm，其余各層層高3 500mm。

裙房采用板柱-剪力墻結構體系，縱向為9跨，柱間距均為8 250mm。橫向為7跨，柱間距均為8 250mm。柱截面形式包括矩形和圓形，其中矩形柱主要分布于地下室及地面以上各層周邊部位，截面尺寸主要為900mm×700mm，1 000mm×850mm；圓形柱直徑為600～1 000mm。剪力墻主要分布于樓梯間等部位，厚度主要為300，350mm。柱帽尺寸主要為3 500mm×3 500mm，厚400mm。樓板厚度主要為200mm，采用分離式配筋。地上1層、地下1層局部及其他各層周邊和局部設有樓面梁。

表1 混凝土表面顏色、裂損剝落、錘擊反應與溫度的關系

塔樓采用框架-核心筒結構，核心筒位于塔樓中部電梯間，核心筒外側為均勻布置的16根框架柱，最外側為板柱結構及樓梯間。核心筒及周邊樓梯間剪力墻厚度主要為250，300，350，400，450mm。框架柱均勻分布在核心筒四周，每側4根，中間2根柱間距6 250mm，外側柱距10 000mm。框架柱及板柱中柱截面形式包括矩形和圓形，柱帽尺寸主要為3 500mm×3500mm，厚400mm。樓板厚度主要為200mm，采用分離式配筋。

樁身混凝土強度等級C80，筏板混凝土強度等級C40，地下室外墻及梁、板混凝土強度等級C30，塔樓墻、柱混凝土強度等級包括C40，C50，C60，裙房墻、柱混凝土強度等級包括C30，C50，C60。縱向受力鋼筋主要采用進口鋼筋，設計強度為340MPa，箍筋主要采用HPB300筋。裙房后加鋼結構材料強度等級包括Q235，Q345。

2017年年底，塔樓8層發生火災，導致部分結構受損。此前，裙房及塔樓9層以下區域正在進行裝修，已對裝修部分樓層(裙房及塔樓地上1～8層)進行了檢測，結果表明，主要軸網尺寸、樓層層高、結構構件布置、構件截面尺寸及配筋等與原設計圖紙基本相符?；馂陌l生后，為了解裝修區域房屋受損及結構安全情況，再次進行了檢測。

2 火災調查

2.1 基本情況

經調查，2017年12月18日22時13分，塔樓8層發生火災，23時15分火勢被控制，23時59分火被撲滅。經檢測，火災主要發生在塔樓8層核心筒周邊區域，塔樓7層未發現過火跡象及明顯的煙熏痕跡，塔樓9層未發現煙熏痕跡，但避難層處樓板(8層頂板)出現較寬的通長裂縫。過火面積約875m2，過火區域空調機房、樓梯間等局部空間及8層裙房北側走道有煙熏痕跡，中庭鋼網架玻璃屋頂靠近過火區域局部有煙熏痕跡。

2.2 火場溫度

現場檢測發現，鋁合金窗框被燒斷，鋼管扭曲變形但未出現滴狀物，綜合經驗公式及金屬材料變態溫度，推定火場最高溫度為700～1 030℃。根據混凝土表面顏色、裂損剝落、錘擊反應(見表1)，綜合判斷構件表面最高溫度。核心筒表面有3層總厚約50mm的水泥砂漿粉刷層，局部裸露處顏色正常、錘擊聲響亮且基本不留痕跡，根據表1可判斷核心筒結構構件表面溫度在200℃以下。部分樓板板底大面積露筋，部分柱表面呈淺黃色，且存在大面積剝落、開裂、錘擊混凝土脫落等現象。結合表1可知，過火區域局部梁、板、柱表面最高溫度達800℃以上。

3 主要結構材料強度檢測

3.1 火災發生前混凝土、鋼筋強度

火災發生前，對裝修部分樓層(裙房及塔樓地上1～8層)進行了檢測，結果表明，墻、柱、梁、板混凝土強度均可達到原設計要求，柱主筋及箍筋強度均可達到原設計要求。

3.2 火災發生后混凝土、鋼筋強度

受火災影響的構件主要為塔樓8層墻、柱及9層樓面梁、板。火災發生后，在塔樓8層混凝土墻、柱上隨機選取10處鉆芯取樣，其中3個芯樣用于劈裂試驗，其余均用于抗壓強度試驗。各芯樣表層碳化深度為8～17mm，加工完成后芯樣最外側距構件表面的距離為0～104mm?？箟簭姸仍囼灲Y果表明，1處芯樣抗壓強度為46.8MPa，低于原設計要求，其余芯樣抗壓強度為59.3～76.7MPa，基本達到原設計要求。不滿足原設計要求的芯樣最外側距構件表面的距離為77mm，表層碳化深度為17mm。

火災發生后，在塔樓9層樓板板底截取6根鋼筋，在萬能材料試驗機上直接測量抗拉強度，結果表明，鋼筋屈服強度為370～515MPa，抗拉強度為495～605MPa，伸長率為17.0%～18.5%，均滿足原設計要求。

4 材料性能退化規律

4.1 混凝土強度退化

采用BY2012HT/S型混凝土回彈儀對塔樓8層過火區域墻、柱、梁進行回彈檢測，以作為混凝土強度退化依據。檢測結果表明，梁身下部回彈值較上部低1%～56%，下部強度推定值較上部低1%～66%；墻身回彈值及強度推定值均相差約2%；柱身回彈值相差2%～36%，強度推定值相差2%～55%。

劈裂試驗結果如表2所示，由表2可知，對于框架柱芯樣ZX2，ZX3，當斷面距表面的距離為5.5cm以內時，劈裂抗拉強度較低；當斷面距表面的距離為12.0cm左右，劈裂抗拉強度增大；隨著斷面距表面的距離繼續增加，劈裂抗拉強度變化不明顯，可認為框架柱受火災影響的主要范圍集中在距表面10cm區域內。芯樣ZX8取自核心筒剪力墻，由于剪力墻有較厚的保護層，過火較輕，當斷面距表面的距離為1.0～3.0cm時，劈裂抗拉強度已達較高值2.05MPa，因此可認為核心筒剪力墻受火災的影響較小。

4.2 鋼筋強度退化

過火嚴重區域火災發生前曾對1根柱采用里氏硬度法進行鋼筋抗拉強度檢測，火災發生后再次對其進行檢測，以分析火災對鋼筋強度的影響。結果顯示，火災發生后柱縱筋抗拉強度由668MPa升至681MPa，柱箍筋抗拉強度由489MPa降至465MPa，可認為過火區域構件鋼筋強度變化不明顯。

表2 劈裂試驗結果

5 檢測與鑒定

5.1 房屋傾斜檢測

火災發生前曾在塔樓受火側布置測點S1，S2，進行整體傾斜測量，結果表明，火災發生前測點S1向外傾斜0.05‰，火災發生后向外傾斜0.20‰；火災發生前測點S2向外傾斜0.06‰，火災發生后向外傾斜0.12‰。房屋整體傾斜率增加，但數值較小，考慮到存在測量誤差，可認為火災發生前后塔樓整體基本未傾斜。

5.2 構件變形檢測

墻、柱表面存在粉刷層或表層脫落等情況，現場無準確測量條件。塔樓8層頂板混凝土梁變形檢測結果表明，與核心筒相連的梁表現為核心筒一側底部標高較小，外側較大；其余梁主要表現為底部一端標高較大，另一端標高較?。涣碛猩贁盗罕憩F為底部兩端標高均較小。梁底高差為2～35mm，分析認為梁底高差主要與施工誤差、火災受損等因素有關。

5.3 過火區域損傷檢測

房屋過火區域損傷情況主要包括：玻璃幕墻破損且鋁合金幕墻龍骨被燒斷；吊頂燒光；鐵質水管脫落或彎曲；部分樓面木龍骨被燒殘缺；空調機房、樓梯間及未過火的其他區域被熏黑；核心筒混凝土墻粉刷層不同程度脫落；部分柱表層混凝土脫落、露筋、表面發黃；多處頂板板底混凝土脫落、露筋；頂板混凝土梁出現貫穿斜裂縫(見圖1)、鋼筋熱脹殘余變形、底角錘擊聲發悶等情況。

圖1 混凝土梁貫穿斜裂縫示意

5.4 構件鑒定評級

根據《火災后工程結構鑒定標準》的規定，混凝土墻除一面評定為IIb級外，其余均評定為IIa級，不影響構件安全；混凝土柱大部分評定為IIa，IIb級，但也有3根評定為III級，對構件安全產生影響；混凝土梁大部分評定為III級，對構件安全產生影響；混凝土板大部分評定為III，IV級，對構件安全產生影響，部分板已喪失承載能力。

6 構件承載力驗算

對初步鑒定結果為IIb，III級構件進行承載力驗算，計算時構件截面尺寸按原設計尺寸減去燒傷深度考慮。不考慮燒傷深度范圍內混凝土的貢獻后，剩余部分混凝土強度按原設計取值。鋼筋強度雖達到原設計要求，但仍按原設計強度的0.85倍取值。

不考慮地震作用時，過火區域部分框架梁、大部分樓板計算配筋大于實際配筋，不滿足承載力計算要求。4塊樓板評定為a級，1塊評定為b級，其余均評定為d級。

考慮地震作用時，2根柱箍筋與部分框架梁縱筋計算配筋大于實際配筋，不滿足承載力計算要求。2根混凝土柱評定為b級，其余均評定為a級。1根混凝土梁評定為b級，7根評定為d級，其余均評定為a級。

7 結語

對火災發生前后結構構件進行現場檢測與理論計算，得出以下結論。

1)火場最高溫度為700～1 030℃，過火區域局部梁、板、柱表面最高溫度達800℃以上。

2)火災發生后，塔樓8層過火區域芯樣混凝土抗壓強度為46.8～76.7MPa，低于或基本達到原設計要求。

3)火災發生后，塔樓9層樓板板底鋼筋屈服強度為370～515MPa，抗拉強度為495～605MPa，伸長率為17.0%～18.5%，均滿足原設計要求。

4)塔樓8層過火區域梁身下部回彈值較上部低1%～56%，下部強度推定值較上部低1%～66%；墻身回彈值及強度推定值均相差約2%；柱身回彈值相差2%～36%，強度推定值相差2%～55%。

5)考慮測量誤差，可認為火災發生前后塔樓整體基本未傾斜。

6)塔樓8層與核心筒相連的梁表現為核心筒一側底部標高較小，外側較大；其余梁主要表現為底部一端標高較大，另一端標高較?。涣碛猩贁盗罕憩F為底部兩端標高均較小。梁底高差主要與施工誤差、火災受損等因素有關，不影響結構安全。

7)根據火災發生后構件受損情況對其進行鑒定評級，混凝土墻除一面評定為IIb級外，其余均評定為IIa級，不影響構件安全；混凝土柱大部分評定為IIa，IIb級，但也有3根評定為III級，對構件安全產生影響；混凝土梁大部分評定為III級，對構件安全產生影響；混凝土板大部分評定為III，IV級，對構件安全產生影響，部分板已喪失承載能力。

8)對初步鑒定結果為IIb，III級構件進行承載力驗算，不考慮地震作用時，4塊樓板評定為a級，1塊評定為b級，其余均評定為d級。考慮地震作用時，2根混凝土柱評定為b級，其余均評定為a級；1根混凝土梁評定為b級，7根評定為d級，其余均評定為a級。

根據檢測、鑒定、計算結果，對受損構件提出以下加固措施。

1)對于現有非結構性損傷部位，建議在后期使用過程中對外觀采取必要措施進行修復處理。

2)對于評定為IIb級的構件，采取局部保護層修復措施。

3)對于評定為III級的板，采取局部置換加固措施。

4)對于評定為III級的梁、柱，采取修復后加固的處理措施。

5)對于評定為IV級的板，需拆除后重新澆筑。

6)對于承載力不足的構件，建議結合鑒定評級結果采取合適的加固措施。修復、加固工作應委托有資質的設計單位和施工單位完成。