（中冶建筑研究總院華東分院 上海 冷超群 金立贊  200910）
[摘  要]： 某化纖廠房遭受火災后，結構損傷嚴重。通過現場殘留物的形態推定火災范圍和火災溫度場，并根據混凝  土、鋼筋等材料災后性能測試結果，對構件和結構做出損傷等級評定，并依據評定結果提出結構加固方案。
[關鍵詞]：結構檢測； 火災后廠房結構鑒定； 損傷評估
 
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 工程概況

    某化纖廠房，建于2009年上半年，于2009年11月29日10時發生火災，據現場反映，于當日約11時30分火勢基本熄滅，12時完全撲滅。為了解火災后結構構件的受損狀況，為維修、加固提供技術依據，需對其進行火災后結構安全檢測鑒定。
    該建筑為2層現澆混凝土框架結構，鋼結構屋面，東西方向長411.3m，南北方向寬143.5m，一層層高7m，二層層高6.5m，主體結構高13.7m，軸網尺寸為7mx7.5m、7mx7.7m、7mx7.75m。該建筑東西向共設有5道伸縮縫、南北向共設有1道伸縮縫，根據伸縮縫設置位置，共分12個區，本次著火區域及煙氣彌漫區域為1~11軸/A~K軸、12~22軸/A~K軸、1~11軸/L~V軸、12~22軸/L~V軸區域，火災區域平面布置見圖1。
                                                         
                                                                                                      圖1
   構件截面尺寸：混凝土柱500x500、600x600、650x650(未注明單位均為mm，下同)，南北向框架梁為300x750，東西向框架梁為200x600，二層樓面次梁200x600，屋面為鋼結構。
梁、柱、板混凝土設計強度：C30，梁、柱主筋采用HRB335和HRB400鋼筋。現澆樓板板厚100、120，鋼筋采用HRB400鋼筋，雙層雙向配筋。外墻為240厚KP1多孔磚，內墻為200厚輕質加氣混凝土砌塊。
地基基礎：采用樁基基礎。
   樓面活荷載設計值：4.0kN/m²、5.0kN/m²、6.0kN/m²，不上人屋面活荷載設計值：0.8kN/m²。

2 火災現場調查及火場溫度判斷
   火災后現場調查與勘察的內容包括：大火燃燒范圍與位置，燃燒時間，可燃物質，滅火或熄火方式，大火后現場殘留物變形形態以及結構構件的變形形態，收集判定火災曾經產生的最高溫度的依據。
大火燃燒范圍與位置：起火區位于一層1~16/E~N軸區域；火災影響至1~22/A~V軸區域。根據現場檢查結果，火災影響區劃分為火焰燃燒區、高溫煙氣彌漫區、煙氣彌漫區等不同程度火災影響區域。
燃燒時間：從2009年11月29日10時左右起火到11時30分左右結束，歷時約1.5小時。可燃物質：包裝泡沫材料等；滅火方式：消防水；火災后殘留物狀態：整個廠房火焰燃燒區堆放的包裝泡沫材料燃燒殆盡，部分地面木支架未燃燒完全，部分懸掛鋼水管彎曲、變形，N軸處防火墻南側（火焰燃燒區側）粉刷層大面積脫落、局部嚴重處磚表面面層脫落、防火卷簾門框變形、扭曲軸火；靠近火焰燃燒區，伸縮縫處柱側木條，上部燃燒殆盡、下部熏黑；煙氣彌漫區域部分吊燈外露電線外皮燒焦、里面銅絲完好，伸縮縫處柱側木條均完好（外表熏黑），21~22軸間防火墻除熏黑外，基本完好。
    結構構件形態：火焰燃燒區大部分樓板板底粉刷層和混凝土脫落、鋼筋外露；靠近火焰燃燒區，部分樓板底粉刷層脫落、個別部位樓板混凝土脫落、鋼筋外露；煙氣彌漫區域樓板板底熏黑，部分板底粉刷層裂縫。火焰燃燒區大部分混凝土柱、梁粉刷層脫落、部分梁底、角部混凝土脫落，部分柱側面、角部混凝土脫落，個別部位梁、柱鋼筋外露；靠近火焰燃燒區，部分梁、柱粉刷層脫落；煙氣彌漫區域，梁、柱粉刷層熏黑。N軸防火墻和10~11/L~M軸處樓梯間墻體開裂、表面酥松嚴重。其中受火災影響最顯著區域的柱上端、梁、板敲擊聲音發悶。
基于現場調查得到的火場特征，綜合判斷認為，火災主要影響區域為廠房西南側防火墻內區域，火焰燃燒區大致為1~16/E~N軸區域，根據現場檢測大致描述的火焰燃燒區示意見圖1。由于可燃物主要為包裝泡沫材料，材料堆放面積較大，且現場部分窗戶未安裝，室內通風較快，可燃材料燃燒速度較快、較充分，廠房內火焰燃燒區構件（柱上端、二層樓面梁、板底）表面溫度一般在500~700℃左右，最高處大于800℃，接近1000℃左右，煙氣彌漫區域構件表面溫度一般在100~300℃左右。

3、現場檢查結果及分級評定

3.1 廠房完損狀況檢測
3.1.1圍護系統
（1）門窗系統：現場檢查，一層部分門窗未安裝，防火墻卷簾門損壞嚴重，窗框扭曲、變形。
（2）墻體：N軸處防火墻體，處于火焰燃燒區，受框架結構在溫度作用下膨脹的推拉作用，破壞明顯，斜裂縫較多，大部分粉刷層脫落、局部砌塊表面酥松、脫落。西側外墻（1軸）近火焰燃燒區，部分墻體斜裂縫，梁、柱和墻體連接處發現開裂。21~22軸間防火墻體除粉刷層熏黑外，無明顯結構損傷，南側外墻受框架結構變形影響，局部發現斜裂縫。10~11/L~M軸處樓梯間墻體受損嚴重，表面酥松、脫落，開裂嚴重。
（3）屋面：因火勢未蔓延至二層，二層所有結構（除樓面外）未受火災直接影響。
3.1.2主體框架
火焰燃燒區一層梁、柱粉刷層脫落、部分角部和側面混凝土脫落、鋼筋外露，大部分梁、柱外露混凝土顏色為淺灰白，柱上端和梁側敲擊聲略顯發悶；近火焰燃燒區一層梁、柱粉刷層大部分脫落、個別部位角部和側面混凝土脫落，大部分梁、柱外露混凝土顏色為淺灰白、淺灰；煙氣彌漫區域一層梁、柱粉刷層部分脫落，外露粉刷層顏色為黑色、灰青，敲擊聲較響亮。
3.1.3樓板
火焰燃燒區二層樓板面層（上部約60厚建筑做法）上拱、開裂（呈龜狀裂紋），伸縮縫處面層上拱、變形較大（伸縮縫現場未封閉，火災時為通風口）。經局部敲開樓板面層檢查，混凝土樓板自身裂縫較少，面層裂縫主要為溫度作用下自身變形所形成。火焰燃燒區二層樓板底部混凝土大面積脫落、鋼筋外露，粉刷層全部脫落，均不同程度喪失承載能力，外露混凝土顏色淺灰白、灰白、淺黃；靠近火焰燃燒區二層樓板底部混凝土部分脫落，粉刷層大部分脫落，承載能力有所降低，外露混凝土顏色淺灰、淺灰白；煙氣彌漫區域二層樓板底部混凝土粉刷層局部脫落、裂縫，承載能力略有影響，粉刷層外表顏色為黑色、淺灰。
 

 
3.2 廠房傾斜

根據現場條件，采用經緯儀垂直投點法對房屋凸角棱線進行了傾斜測量，由傾斜測量結果分析，廠房傾斜率較小，南北方向傾斜一致，整體朝南傾斜，由北朝南最大廠房傾斜率為1.8‰；由東向西最大傾斜率為2.3‰，最大傾斜率均小于規范允許值4‰。
經現場檢測，該建筑傾斜率尚在規范允許范圍內。

3.3 樓面高差、二層樓面梁撓度、柱變形測量

現場采用水準儀對二層樓面高差進行測量。測量結果和現場檢查顯示，由于火災影響，導致部分板面面層上拱變形明顯，樓板自身變形較小，面層上拱變形最嚴重處在近伸縮縫處。
現場在一層處采用水準儀塔尺反頂法測量二層樓面梁撓度。測量結果顯示，樓面梁表現為輕微下撓，火災嚴重區域下撓較為明顯，梁撓度最大為1/226，為中等變形。
現場在一層采用經緯儀垂直投點法對部分檢測區域內柱凸角棱線進行了傾斜測量，由檢測結果分析，火焰燃燒區一層柱，東西方向總體朝西傾斜；南北方向總體以K軸處伸縮縫為界，縫北側柱朝北、縫南側柱朝南傾斜。初步判斷為火災時，溫度作用下框架整體變形所致。

3.4 鋼筋抽查

現場截取火焰燃燒區12~13/L~(1/L)軸、12~13/J~(1/J)軸、3~4/(1/L)~(2/L)軸間二層樓板底部鋼筋、一層12/J軸處柱角部鋼筋、4/L~M軸、6/H~J軸處二層樓面梁底部鋼筋進行拉伸試驗。鋼筋試驗結果顯示，原設計為HRB335直徑為18的鋼筋（柱鋼筋），其試驗結果屈服強度、極限抗拉強度均滿足規范要求；原設計HRB400直徑為8和25的鋼筋（梁、板鋼筋），其試驗結果屈服強度、極限抗拉強度均有不同程度降低，且均小于規范要求值，偏差在7.5%~36%之間。分析認為，受混凝土保護層保護下的鋼筋，被火災影響較小，驗算分析時可按照原設計強度考慮；保護層混凝土脫落處鋼筋被火災影響較大，鋼筋抗拉強度均有不同程度降低。鋼筋拉伸試驗結果見表1。

表1 鋼筋拉伸試驗結果

構件名稱	構件位置	現場情況	屈服段拉力(kN)		極限抗拉強度(kN)		鋼筋直徑、型號
			實測值(MPa)	偏差(+/-)	實測值(MPa)	偏差(+/-)
板主筋	二層樓面 12~13/L~(1/L)軸	板底裸露鋼筋	255	-36%	395	-34%	?8
板主筋	二層樓面 12~13/J~(1/J)軸	板底裸露鋼筋	345	-14%	555	-7.5%	?8
板主筋	二層樓面 3~4/(1/L)~(2/L)軸	板底裸露鋼筋	305	-24%	490	-18%	?8
梁主筋	二層樓面 4/L~M軸	被混凝土包覆，混凝土略顯酥松	450	+13%	590	-1.7%	?25
梁主筋	二層樓面 6/H~J軸	被混凝土包覆，混凝土略顯酥松	455	+14%	620	+3.3%	?25
柱主筋	二層樓面  12/J軸	被混凝土包覆，混凝土略顯酥松	455	+36%	570	+12%	?18
注：鋼筋屈服強度，?為235 MPa、?為335MPa、?為400MPa；極限強度，?為310 MPa、?為510MPa、?為600MPa。表中“-”表示強度減弱，反之表示強度有富余

3.5混凝土強度、碳化情況檢測

現場采用回彈取芯綜合法對未過火區域、過火區域的梁、柱、板混凝土均進行了測試，以了解混凝土在過火后的強度退化情況。現場測試時間為2009年12月7日~2009年12月9日，測試結果見表2~表3。根據加固改造設計資料，混凝土強度設計值為C30，根據現場實測，火焰燃燒區構件表面混凝土退化較明顯，近火焰燃燒區次之，煙氣彌漫區域無明顯影響。從測試結果來看，混凝土強度受影響較明顯構件為火焰燃燒區梁、樓板及柱上端。
受火災影響的混凝土碳化深度，火焰燃燒區平均為4mm，煙氣彌漫區域構件混凝土因未受明顯影響，且該混凝土為近期施工，其碳化深度平均為0~4mm左右。
從測試結果分析，受火災影響，一層梁、板及柱上端表面混凝土回彈值降低較明顯，部分構件表面混凝土已經酥松、脫落；而構件內部混凝土受影響程度較小，其芯樣測試值較高，受火災影響最明顯區域，原設計C30的混凝土芯樣抗壓試驗結果均在C25以上。受火災影響，在火焰燃燒區，部分樓板底部大部分混凝土脫落，大部分梁、柱（上端）表面影響較明顯的混凝土厚度為25mm左右，加固時，需鑿除該部分混凝土。

                                                             表2 鉆芯檢測混凝土抗壓強度結果

                                                              表3  混凝土碳化深度測量結果
 

3.6 廠房火災后承載能力驗算與分析

3.6.1  驗算結果與分析
根據驗算結果，在混凝土強度略有降低情況下（C25以上），主要結構構件承載能力均能滿足規范要求。根據現場檢查情況，二層樓板受火災影響產生明顯開裂、上拱、混凝土脫落，部分構件基本喪失承載能力；部分梁、柱構件表面混凝土脫落、鋼筋外露，承載能力有所降低，需局部加固處理。
火災影響較嚴重區域，梁負彎矩區段，由于梁底混凝土強度降低，使梁負彎矩區段的承載能力降低較顯著。該區域混凝土脫落現象不明顯，僅混凝土強度退化對梁段承載能力產生影響。負彎矩區段梁底混凝土應適當涂抹鋼絲網樹脂砂漿等修補材料，并適當加大涂層厚度。鋼絲網面層應與原結構可靠拉接。
從驗算配筋與實際配筋分析，梁實際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。從試驗結果分析，火災后梁、柱的鋼筋性能和混凝土性能，火焰燃燒區略有影響，近火焰燃燒區和煙氣彌漫區無明顯影響。

3.7 結構構件鑒定評級

根據現場檢查的情況、火場溫度判斷情況，及結構安全分析結果，綜合評判火災后結構構件的安全與完損程度。其中一層火焰燃燒區柱、頂部的梁，評級為Ⅱ_b，對火焰燃燒區域二層樓板，評級為Ⅱ_b~Ⅳ；對一層靠近火焰燃燒區柱、頂部的梁、二層樓面板，均評級為Ⅱ_a、Ⅱ_b；對煙氣彌漫區梁、柱、板均評級為Ⅱ_a。對一層圍護墻體，N軸處防火墻和10~11/L~M軸樓梯間墻體評級為Ⅲ，對火焰燃燒區處西側外墻評級為Ⅱ_b，對其余過煙處墻體評級為Ⅱ_a。

4 結論與建議

4.1 結論

(1)火災造成的影響主要表現在：火焰燃燒區墻體、門窗等圍護結構受損明顯，樓板底部混凝土脫落、鋼筋外露，部分梁、柱角部、側面混凝土脫落；煙氣彌漫區域部分樓板底粉刷層脫落、裂縫，梁、柱、墻體粉刷層熏黑。
(2)由于火災影響，導致部分樓面面層上拱變形明顯，樓板自身變形較小，面層上拱變形最嚴重處為伸縮縫處；樓面梁表現為輕微下撓，火災嚴重區域下撓較為明顯，為中等變形；火焰燃燒區一層柱，東西方向總體朝西方向傾斜；南北方向總體以K軸處伸縮縫為界，縫北側柱朝北、縫南側柱朝南傾斜。
(3)驗算分析表明，二層樓板受火災影響產生明顯開裂、上拱、混凝土脫落，部分構件基本喪失承載能力；部分梁、柱構件表面混凝土脫落、鋼筋外露，承載能力有所降低，需局部加固處理；火災影響較嚴重區域，梁負彎矩區段，由于梁底混凝土強度降低，使梁負彎矩區段的承載能力降低較顯著，需局部加固處理。除火焰燃燒區結構構件外，主體結構承載能力可滿足規范要求。
(4) 一層火焰燃燒區柱、頂部的梁，評級為Ⅱ_b，對火焰燃燒區域二層樓板，評級為Ⅱ_b~Ⅳ；對一層靠近火焰燃燒區柱、頂部的梁、二層樓面板，均評級為Ⅱ_a、Ⅱ_b；對煙氣彌漫區梁、柱、板均評級為Ⅱ_a。對一層圍護墻體，N軸處防火墻和10~11/L~M軸樓梯間墻體評級為Ⅲ，對火焰燃燒區處西側外墻評級為Ⅱ_b，對其余過煙處墻體評級為Ⅱ_a。

4.2 處理意見及建議

(1)恢復建筑的圍護系統，包括墻體、門窗等。其中損壞的門窗需更換。
對受損可采用清除墻體粉刷層后用鋼絲網水泥砂漿罩面的方法加固，對受損嚴重的墻體拆除后重新砌筑。
(2)對受損嚴重、評級為Ⅳ級的的樓板直接拆除后重新施工處理，重新施工時，板底鋼筋應加強；對受損嚴重評級為Ⅲ級的樓板（鋼筋暴露、板面開裂），可采取拆除后重新施工或去除表面酥松混凝土后加固處理等方案。對受損明顯的樓板（評級為Ⅱ_b），可采取除污后修補砂漿修補，并在板底適當粘貼碳纖維布，以提高其承載能力，對其余樓板可去除表面污漬后粉刷修復使用。對發現變形和開裂處二層樓面面層進行鏟除后重新施工處理，重新施工時，新做面層需和原有樓板板面結合牢靠。
(3)對受損嚴重的梁、柱（評級為Ⅱ_b），可采取清除表面酥松混凝土后采用修補砂漿修補表面，并可適當貼梁底碳纖維布及U型箍和柱側碳纖維布箍，提高其耐久性及表面抗裂能力，對受損較嚴重梁、柱（角部混凝土脫落較多，局部露筋）可采取鑿除表面強度退化較嚴重混凝土后擴大截面或涅式包鋼法加固。受火災影響顯著的梁負彎矩區域，應適當涂抹鋼絲網樹脂砂漿等修補材料，并適當加大涂層厚度，鋼絲網面層應與原結構可靠拉接。對受損較輕的梁、柱（評級為Ⅱ_a）進行粉刷層修復。
(4)對其余框架柱、梁、板，混凝土粉刷層脫落的予以重新粉刷；清除表面污物，按原設計要求恢復裝飾面。

5 結語

1)火災對結構的影響主要在火焰燃燒區，鋼材影響最明顯，混凝土影響較小。
2)火災后結構鑒定主要通過災后現場殘留物的形態判斷火災溫度場，并通過對結構材料性能的變化和理論計算等對結構安全性進行綜合評定并制定合理、經濟的加固方案。