某在建商城火灾后混凝土结构的加固设计
2009-09-21 00:00
| 摘要：本文根据一在建商城遭受火灾后的工程实例，着重介绍和探讨火灾后建筑物结构的加固设计。 关建词：火灾；加固设计 当建筑物遭受火灾后，除有少量建筑物因烧损严重需拆除重建外，大部分建筑物的结构损伤可通过加固修复处理而恢复其使用功能。 本文通过具体的工程实例介绍和探讨了遭受火灾后建筑物结构的加固设计，可供类似工程参考。 1、工程概况 某在建商城为地下1层、地上5层（局部6层）框架结构，地下室层高4.8m，一～五层为标准层，层高4.5m，建筑面积40656m2。 该工程主体施工至四层部分柱混凝土浇筑完毕时，在三、四层发生火灾，燃烧时间约110min，当时环境温度为6℃左右。起燃物为堆放在楼面的塑料模壳、木材等，由于三层顶（楼板结构形式为密肋梁板）未拆模，从而造成大面积未拆的塑料模壳起火。火灾后三、四层大面积柱、梁、板构件受到不同程度损伤。 2、结构检测 根据燃烧时间及现场通风情况，先利用ISO834火灾时间-温度曲线公式计算火灾温度，再结合火灾现场混凝土构件外观情况综合判定火灾温度，最后根据火灾温度进行分区。经判定，本次火灾温度为400℃～1000℃，火灾温度分区图略。 采取剔凿法检测构件烧损层厚度，并采用超声法检测火灾后构件内部混凝土质量状况，综合判定烧损层厚度，然后根据烧损层厚度及构件表面特征进行烧损等级分类，构件烧损等级分布图及烧损等级分类标准略。 采用钻芯法钻取芯样对构件混凝土强度进行检测，从而判定火灾后构件（除烧损层外）混凝土强度；对构件过火钢筋进行取样试验，检测钢筋屈服强度、抗拉强度、延伸率，对钢筋强度丧失程度进行评估。 经检测，构件混凝土抗压强度略受影响，柱可按31.3MPa，梁、板可按30.8MPa进行结构分析；过火钢筋除个别屈服强度或延伸率不满足规范要求外，绝大部分满足规范要求，可按规范规定强度进行计算，但对过火变形钢筋加固时应另行处理。 3、加固设计方案 3.1 加固设计方案的目的及原则 加固设计目的：使结构功能恢复至原设计要求，保证其在设计使用年限内安全、可靠。 加固设计原则： （1）安全可靠、简单易行、经济合理； （2）充分发挥火灾后构件剩余承载力，尽量多地保留原结构，尽量减少拆除工程及结构加固修复新增的荷载，同时考虑施工的方便及可操作性； （3）针对构件烧损程度、构件重要性，分别采取不同的加固修复方案。〖ＨＴＨ〗 3.2 加固设计方案的制定 按结构火灾损伤程度由轻到重分级，柱、梁分为A、B、C、D、E 5级，密肋梁板分为A、B、C、D 4级。根据烧损等级按上述加固设计原则分别对各类构件进行相应的加固修复设计。 根据构件检测结果，钢筋强度未受影响，而混凝土强度有减低，评估为30.8～31.3MPa，以下加固计算混凝土强度取C30（注：原设计为C35）。 将三层构件混凝土强度等级取C30采用PKPM设计软件对原结构进行整体计算分析，结果为：三层构件除少数主梁受弯承载力稍有不足之外（约差5%），其余均满足承载力要求，但烧损后构件有效截面减小，须进行加固及修复补强处理。因此，本方案根据损伤程度分为两大类：对A、B、C级损伤较轻的构件，因过火时间短，混凝土强度不受影响或影响很小，仅考虑作修复补强处理；而对D、E类火灾损伤较重的构件则采取加固处理，即加固后构件承载力应大于或等于原设计C35时的承载力。 3.2.1 框架柱加固设计方案 抹M15高标号水泥砂浆修复补强A、B级柱，即将混凝土表面烧损层剔除掉，用清水冲刷干净，刷界面剂，然后抹高标号水泥砂浆，浇水养护；抹C35高强灌浆料砂浆修复补强C级柱，即将混凝土表面烧损层剔除，用清水冲刷干净，刷界面剂，然后抹高强灌浆料砂浆，浇水养护；四层D、E级柱因只浇筑了部分柱，梁、板尚未施工，可采用拆除混凝土保留钢筋重新浇筑C35混凝土方案。 三层D、E级柱，采用预应力撑杆和灌注C35高强灌浆料混凝土加固的方法。即先将混凝土表面烧损层剔除掉，然后将预应力撑杆（由四根角钢组成）安装在柱的两侧，进行张拉加固，最后在角钢与柱之间空隙内灌注高强灌浆料，浇水养护，见图1。 采用预应力撑杆加固，一方面可以增加柱承载力，另一方面可以降低新浇筑混凝土与原混凝土的受压应力差，有利于两部分混凝土共同作用。 [Page] 柱加固验算方法及步骤如下： ①按承载力考虑，撑杆总截面面积需满足下式 N1≤αβApfpy N1=N-N0（1） 式中 N——原设计轴心受压承载力； N0——用灌浆料灌注恢复柱截面后的轴心受压承载力； N1——需由撑杆承受的轴心受压承载力； Ap——预应力撑杆的总截面面积； β——撑杆与原柱的协同工作系数，取0.90； fpy——撑杆钢材的抗压强度设计值。 ②计算撑杆需提供的预加压应力值σp σp=F1/AP F1=F-F0（２） 式中F——统计柱荷载（仅考虑现有构件重量）； F0——在加固修复时，被烧损的混凝土柱需分担的荷载； F1——需撑杆分担的荷载； AP——角钢撑杆总截面面积。 ③横向张拉量ΔΗ按下式计算 ΔΗ=L/2·2σp/εEa+ζ (3) 式中L——撑杆的全长； ε——经验系数，取0.90； Ea——撑杆钢材的弹性模量； ζ——撑杆端顶板与混凝土间的压缩量,取2～4mm。 连接板可按现行《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)进行计算。 3.2.2 框架梁加固设计方案 抹M15高标号水泥砂浆修复补强A、B级梁；抹C35高强灌浆料砂浆修复补强C级梁；采用抹C35高强灌浆料砂浆修复补强后粘贴碳纤维布的方法加固D、E级梁，即先将混凝土表面烧损层剔除，用清水冲刷干净，刷界面剂，然后抹高强灌浆料砂浆进行修补，以恢复其整体性，浇水养护至强度达到设计要求后在梁底粘贴碳纤维布，见图2。 采用粘贴碳纤维布加固，施工便捷，工效高，施工质量易保证，具有极佳的耐腐蚀性和耐久性，并且加固后基本上不增加原结构自重及尺寸。 梁跨中受拉区粘贴碳纤维布计算如下：计算原梁正截面受弯承载力M和火灾后受压区高度X1，本例X1不大于ξcfbh，梁底需粘贴的碳纤维布的截面面积Acf满足下式，根据Acf求出需粘贴碳纤维布数量。 [Page] M≤ηfyAs（h0-0.5ξcfbh）+Ecf［εcf］Ａcfh(1-0.5ξcfb) （４） 式中ξcfb——碳纤维片材达到其允许拉应变与混凝土压坏同时发生时的界限相对受压区高度，取0.8εcu/εcu+［εcf］； η——火灾后钢筋的二次受力降低系数，取0．90； Ecf——碳纤维片材的弹性模量； εcf——碳纤维片材的允许拉应变，取0.01； εcu——混凝土极限压应变,取0.0033。 3.2.3 密肋梁加固设计方案 肋梁跨中受拉区粘贴碳纤维布数量的计算方法同框架梁；采用抹M15高标号水泥砂浆修复补〖LL〗强的办法加固A、B级肋梁；采用抹C35高强灌浆料砂浆修复补强的办法C级肋梁；采用抹C35高强灌浆料砂浆修补后粘贴碳纤维布的方法加固D级肋梁，见图３。 3.2.4 板加固处理方案 抹M15高标号水泥砂浆修复补强A、B级板；抹C35高强灌浆料砂浆修复补强C级板； 因本工程设计板厚只有80mm，故对于烧损严重（因楼板局部被烧透而存有孔洞）的D级板，采用置换法进行加固，即：凿除混凝土，保留原钢筋，刷界面剂，浇筑C35微膨胀混凝土。3.2.5 后浇带处理方案 后浇带处因钢筋已弯曲变形，需将钢筋调直或重新焊接相同规格和间距的钢筋，然后再浇筑C35微膨胀混凝土，原则上不要截断已有钢筋。对于下挠变形较大部位，可凿除混凝土，保留钢筋，重新支模浇筑混凝土。 4、结束语 经过对该失火建筑加固施工期间及主体结顶后的认真观测，发现未出现异常情况，投入使用至今，也未出现任何问题，加固效果良好。 本工程对火灾后的建筑物进行加固修复，较拆除重建施工，大大缩短了施工周期，节约了大量工程费用，收到了良好的经济效益和社会效益。 对于火灾后建筑物的结构加固工程，只要进行结构损伤程度的检测鉴定，对受损情况做出正确评估，制定切实可行的加固方案，采取合理的施工工艺，就能够保证加固后的建筑物安全、可靠，满足继续使用的要求。 |
| 原作者： 路恒 卜国峰 许建明 |
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