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施工过程中建筑火灾后结构评估与处理

2018-07-24 15:31:31 

徐树全,王洪国,曾庆龙,刘景云,曲浩

(哈尔滨工业大学建筑设计研究院,哈尔滨150090)

0引言

随着我国国民经济的快速发展,建筑行业的规模逐年增大,建筑工地也越来越多,尽管施工单位的消防安全意识不断增强,但施工过程中仍然是火灾频发。据统计,自2006年至2011年间,全国建筑工地发生火灾事故7000余起。近年来,哈尔滨建筑工地也是接连发生让人触目惊心的火灾事故:2013年8月,哈尔滨松北区某小区在建的6号楼(共 22层)工地发生火灾,造成5人死亡,8人受伤; 2016年,哈尔滨某隧道施工过程中模板起火,引发严重火灾,火灾从起火到扑灭时间长达3h,混凝土龄期3~15d不等,图1为部分现场照片,结构构件烧损严重;2017 年,哈尔滨某小区钢筋混凝土结构住宅楼施工过程中发生了火灾事故,起火原因为现场的模板木料堆放不合理加之焊工不规范操作,受火区域 温的墙、梁、板等结构构件受损较为严重。

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图1 某隧道工程施工现场火灾破坏图

施工现场发生的火灾在现场火灾温度的判定、构件的受损特征以及材料剩余强度的判断等方面都与既有建筑发生的火灾有所不同,尤其是施工过中混凝土浇筑时间不长,大多处于较早龄期,高温对早龄期混凝土的影响异于对较长龄期混凝土的影响。

国内外学者在既有建筑火灾后建筑结构损伤评估等方面进行了较多研究,并编制了相应的标准和规范,而关于施工过程中发生火灾后的建筑结构研究及检测鉴定,尤其是早龄期混凝土类结构火灾后结构损伤评估研究甚少。针对施工过程中发生的建筑火灾,本文主要从材料高温受损剩余力学性能的角度进行分析,考虑混凝土较早龄期和不同冷却方式的影响,结合已有的既有建筑火灾现场温度的判定方法,寻求合适的方法判断施工过程中建筑火灾的温度,最后结合某在建的钢筋混凝土工程施工现场发生的火灾案例,对此类建筑灾后鉴定评估的关键问题进行了先容和分析,以期为在建结构火灾后的受损鉴定提供一些参考与建议。

1施工过程中建筑火灾的成因及特点

火灾发生的必要条件是具备空气、可燃物与火源,施工过程中建筑火灾的发生也是如此。电焊作业与火焰切割等明火作业操作流程不规范是引发施工现场火灾的主要原因,冬季违章取暖或违规操作电热器具、施工现场临时工棚中工人不规范用火用电也是引发火灾的原因。具体说来,失火原因一方面包括对易燃物品认识不足,采取的防火安全措施不够全面,施工管理人员疏于管理,防火安全意识不 支足,不能及时发现和消除火灾隐患,另一方面是现场设施不符合消防安全的要求或者缺少防火安全装置和设施等。

相比于既有建筑发生的火灾,建筑工地火灾有很容易蔓延扩大的特点,原因主要包括如下几个方面:对异常情况不能正确判断、不能及时报告处理;现场消防制度、措施未落实或落实不够,缺乏灭火器材;延误报火警,未设置消防通道或消防通道不畅,消防人员不能及时到达火场灭火;未砌筑墙体,未形成防烟火分隔带及防火分区,火易沿横向蔓延,未封堵管道井、电梯井及门窗洞口,火易沿立体蔓延;易燃可燃材料数量多,施工现场空间开敞,空气流通状况良好,火势更易蔓延扩大。

2火灾对建筑材料力学性能的影晌

施工过程中发生建筑火灾,除了会危害到现场人员的生命财产安全外,还会对在建的建筑物本身带来一定的破坏,轻则使得结构受损承载力降低,严重的会直接导致其部分或整体垮塌。

由于混凝土热容较大,导热系数较小,构件截面整体温度水平较低,短时间内火灾不会引起钢筋混凝土结构的倒塌失效,但是火灾会使得钢筋和混凝土的强度降低,同时二者间的粘结强度也会受到很大的破坏。由于钢材升温较快,对于未进行防火保护的钢结构,短时间内高温作用即可使其发生扭曲变形,严重的则会导致整个建筑的倒塌。尽管建筑火灾的危害程度可能不同,火灾高温都会引起建筑材料力学性能的损伤,并且高温下以及高温后的影响程度是不同的,而确定高温对材料性能的损伤程度的影响是进行火灾后结构鉴定与加固的基础。

2.1 火灾对混凝土材性的影响

对于在建工程中量大面广的混凝土结构,一般来说,高温会使得混凝土的体积膨胀,强度和刚度折减,出现裂缝并不断发展,有时还会发生高温爆裂,严重的会导致其混凝土面层脱落,钢筋外露,使其承载力降低达到耐火极限从而倒塌失效。

施工过程中发生建筑火灾时,钢筋混凝土结构中不同构件不同部位处混凝土所处的养护龄期不同,有的已经超过28d标准龄期,水化反应基本已经完成,而有很大一部分混凝土浇筑时间较短,龄期低于28d,尚处在较早龄期范围内,水化反应尚未完成。对于这两种情况的混凝土,应该区别对待分析火灾高温对其力学性能的影响。

发生火灾时对于龄期已经超过28d的混凝土,火灾后抗压强度和弹性模量的增长空间较小。参照文献[ 11-12]的结果,可得出高温下和高温后其混凝土抗压强度和弹性模量随温度降低的变化曲线,如图2所示,图中折减系数为混凝土高温下/高温后力学性能指标(抗压强度或弹性模量)与常温下对应力学性能指标的比值,后文钢材力学性能折减系数含义与此类似。

可以看出,对于发生火灾时龄期已经较长的混凝土,在温度低于800℃时,其高温后的抗压强度低于高温下的,主要是因为冷却过程中内部裂缝会继续产生与发展,从而进一步引起抗压强度的损伤与降低,因此高温后混凝土结构的剩余承载力评定非常重要。当温度低于300℃时,高温后的弹性模量比高温下的大。但是当温度超过300℃后,高温后的弹性模量较高温下的低。可见,温度超过300℃后,弹性模量与抗压强度的对比结果相同,均为高温后的结果低于高温下的结果。其主要原因也是温度较高时,混凝土内部裂缝开展较多,高温后降温过程中裂缝会进一步发展,从而引起弹性模量的继续降低。整体来说,无论是在火灾高温下还是高温后,高温对混凝土弹性模量的影响都要比高温对混凝土抗压强度的影响大得多,混凝土经过600℃高温后,其剩余弹性模量约为常温下的11%,以往的火灾灾害评估中,更多的是关注结构的残余承载力,而对于结构构件火灾后的残余变形和刚度损伤的评估也应该引起足够的重视。龄期超过28d的混凝土火灾后抗压强度和弹性模量的折减系数取值可查阅《火灾后建筑结构鉴定标准》(CECS 252:2009)(简称鉴定标准)确定。

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对于施工过程中发生火灾时还处于较早龄期即火灾当天龄期小于14d的混凝土,火灾时其水化程度较低,火灾后进行养护,水化反应仍会继续进行,抗压强度会有进一步恢复发展,对经历不同温度后采用不同冷却方法的不同早龄期普通混凝土的抗压强度降低程度进行判定,高温对早龄期混凝土抗压强度的影响如图3所示。图中折减系数为混凝土高温后冷却至室温,然后标准养护至28d时的残余抗压强度与脱模后直接标准养护至28d时的抗压强度的比值。

总的来说,龄期在3-7d之间的早龄期混凝土经历高温后,若再进行标准养护,其抗压强度会有较高的恢复,其中发生火灾时养护龄期为3d的混凝土,经再次标准养护后可恢复的残余抗压强度最大。

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一些工程实测的数据也验证了上述结果,即大部分早龄期受火构件的混凝土在受火后一段时间,抗压强度会有一定程度的提高,且3d龄期的混凝土抗压强度恢复值更高。值得注意的是,施工现场的火灾发生后,经过消防灭火,大部分混凝土的高温后降温方式为喷水冷却,这不同于一般的自然冷却方式,水分可能会对早龄期混凝土的抗压强度恢复产生一定的影响。文献中的结果也表明,冷却方式对于早龄期混凝土残余抗压强度的影响很大,对于龄期为3,14,28d的混凝土,喷水冷却与自然冷却两种条件下的残余抗压强度比值如表1所示。由表1可知,当龄期不超过14d时,采用喷水冷却后的残余抗压强度较自然冷却的高,而对于龄期28d的混凝土,喷水冷却的残余抗压强度较自然冷却的低,其原因主要是在于不同龄期的混凝土自身水化程度不同,而混凝土高温下进行喷水冷却所用水对其内部水化反应以及裂缝开展的影响不同。

早龄期混凝土喷水冷却与自然冷却的残余抗压强度比 表1

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2.2 火灾对钢筋材性的影晌

参照文献的结果可以得到,高温下和高温后钢筋屈服强度和弹性模量随温度降低的变化曲线,如图4所示。可见对于钢筋来说,其高温后的屈服强度和刚度会有较高程度的恢复,因此高温后的钢筋力学性能明显优于高温下的,高温后的弹性模量的损伤较屈服强度小。

2.3 火灾对结构钢材材性的影晌

参照文献]结果可以得到,高温下和高温后结构钢材屈服强度和弹性模量随温度降低的变化曲线,如图5所示。可见,大致规律趋势与高温对钢筋屈服强度和弹性模量的影响类似,只是数值稍有区别。

3 施工过程中建筑物火灾的损伤评估

施工过程中建筑火灾的灾害处理步骤与既有建筑火灾后处理基本相同,主要包括火灾现场情况调查,确定火灾的最高温度以及温度场,材料力学性能检测,明确构件的受损程度及鉴定评级,提出合理的加固修复措施等,但施工过程中建筑火灾的灾害损伤评估一些具体细节与既有建筑有所不同。

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对于建筑工地发生的火灾,很难通过常规的实耗可燃物推定法等方法确定受火构件各部位的温度,进而根据升温曲线计算当量升温时间,而采用估算旺火燃烧时间来确定火场最高温度的方法又显得有些主观化。实践证明,对于施工过程中的建筑火灾,可考虑运用多种方法相结合相佐证的方式确定火灾后构件表面曾达到的最高温度,如采用国际标准化组织IS0 834-1:1999规定的国际标准升温曲线对火灾温度进行初步估算,再根据工地现场火场残留物熔化、变形、烧损程度,并结合传统的混凝土表面特征推定法来确定其温度场。确定了火灾现场的温度场之后,可以基于鉴定标准和现场调查情况进行结构构件损伤的初步鉴定评级。

对于在建工程火灾后混凝土材料强度检测,宜采用取芯法进行确定,取芯法是混凝土结构现场检测中公认的较精确的方法,是校核其他检测方法的基准。火灾后钢筋力学性能检测可采取现场取样法,但应根据构件损伤情况进行分类取样。

4某在建工程火灾后结构鉴定与加固处理

4.1火灾调查及温度判定

某工程主体结构地上11层,地下1层,为现浇钢筋混凝土剪力墙结构,火灾发生在地下1层,明火未向其他楼层转移,1层楼梯间附近部分楼板有熏黑现象,火灾发生时地上2层混凝土刚浇筑完毕,地上1层混凝土龄期7d,地下1层混凝土龄期15d,采用喷水灭火方式,火灾后过火区域部分结构构件遭到破坏(图6)。经调查火灾起火原因为电焊过程中火星溅落引燃地下1层地面堆积的大量模板木料,火灾燃烧持续时间约为20-25min,火灾时室外温度为20℃,本工程直接受火区域和火灾影响区域见图7。直接受火严重区域部分板、梁和剪力墙损伤严重,出现混凝土开裂、剥落、受力钢筋外露,用锤敲击混凝土有粉碎现象。火灾影响的其他区域,部分构件表面附着黑色烟灰,该区域受火灾影响程度较轻。

采用国际标准化组织IS0 834-1: 1999规定的国际标准升温曲线对火灾温度进行估算的最高温度约为781-814℃,通过现场残留物品的烧损程度和数量、混凝土构件的烧损程度和金属脚手架材料的变形情况判定火场最高温度在800℃左右。

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4.2结构构件初步损伤评级

本次施工过程中建筑火灾后构件损伤评级标准参照鉴定标准的规定进行,具体评级标准如下,混凝土保护层大量剥落,表面局部爆裂,纵横向裂纹多且密,局部钢筋外露,烧损深度约为25-45mm,可将此类受火混凝土构件评级为Ⅲ级。过火区混凝土保护层有剥落现象,混凝土表面有轻微裂缝且裂纹小于0.1mm,烧损深度约为5-20mm,可将此类混凝土构件评定为Ⅱb级。对表面黑色烟灰附着或混凝土颜色未变、无火灾裂纹的混凝土构件评定为烧伤情况最轻的Ⅱa级。按以上方法对本工程受火灾影响区域混凝土构件进行初步鉴定评级,本工程梁、 的板、墙损伤评级最严重的均为Ⅲ级,构件损伤评级详细布置情况此处不再赘述。

4.3材料力学性能检测

采用钻芯法对本工程混凝土强度进行检测,考虑本文所述早龄期混凝土火灾后抗压强度有一定的恢复发展,为更准确反映火灾后混凝土实际残余抗压强度,将取样时间定为龄期28d后,加工的测试标准试块均为构件去除烧损酥松层的部分,具体的抽检测试结果如表2所示。其中受火严重区(损伤级别Ⅲ级)的板混凝土抗压强度损失最大抗压强度损失率为41%-64%,非直接受火区板混凝土抗压 又强度基本满足要求;受火严重区(损伤级别Ⅲ级)的梁的混凝土抗压强度损失率为45%-53%,剪力墙的混凝土抗压强度损失率18%-42%,可知直接受火区域构件混凝土抗压强度降低较多,此种情况应与本工程构件截面尺寸均较小有关,火灾中构件很容易烧透。

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根据受损等级不同的混凝土构件分类,现场截取火灾影响较轻构件钢筋与火灾严重区(损伤级别Ⅲ级)构件裸露的钢筋分别进行测试。结果表明,受火灾影响较轻构件钢筋的力学性能指标均满足规范对屈服强度、极限强度以及伸长率的要求;火灾严重区(损伤级别Ⅲ级)构件裸露的钢筋的屈服强度有所下降,其他性能指标满足要求。

经过现场勘查以及钢筋取样发现,钢筋与混凝土之间的粘结强度随着温度升高有所降低,部分钢筋与混凝土已发生剥离,需进行处理,钢筋与混凝土粘结强度折减系数可按鉴定标准进行取值。

4.4受损构件加固处理

施工过程中火灾后建筑加固处理,除应保证恢复结构原有的承载力外,还应考虑恢复其耐久性能,因在建建筑施工现场条件便利,不同于既有建筑加固施工会受到较多限制,应尽量保证处理后的结构性能与新建建筑等同,故可根据结构构件损伤评级进行处理。烧伤情况最轻的Ⅱa级受损构件可不进行处理。Ⅱb级受损构件可仅进行耐久性加固处理,采取剔除表面疏松混凝土至坚实层,将表面裂缝修补后采用环氧砂浆抹面修复。对烧伤较为严重的Ⅲ级受损构件,提出如下加固建议:

(1)剪力墙。根据使用方提出的要求,剪力墙处理原则是不能增加截面影响使用空间,故Ⅲ级受损剪力墙修复时采用置换法进行处理,即采用喷射混凝土法用高一标号的C35细石混凝土置换受损墙混凝土。

(2)梁。对Ⅲ级受损梁采用加大截面法进行加固修复,剔除表面疏松混凝土至坚实层,清理界面绑扎钢筋,采用高一标号的C35细石混凝土进行加固。

(3)板。对Ⅲ级受损板,综合考虑成本后,建议拆除后重新浇筑。

5.结论及建议

(1)在建工程施工过程中发生的建筑火灾具有其独特的特点,尤其是混凝土处于早龄期阶段的工程,考虑早龄期混凝土火灾后的抗压强度有一定的恢复发展,灾后混凝土材料的残余抗压强度检测宜采用钻芯法进行确定,芯样取自混凝土龄期28d后受火构件。

(2)施工过程中火灾后建筑的加固处理,除应保证恢复结构原有的承载力外,还应考虑恢复其耐久性能,因在建建筑施工现场条件便利,不同于既有建筑加固施工会受到较多限制,故应尽量保证处理后的结构性能等同于新建建筑。

(3)目前关于施工过程中建筑火灾灾害评估无相应规范规程,相关研究也较少。因此,有必要加强早龄期混凝土高温性能研究,加强施工过程中建筑火灾评估指标和判断依据研究,进一步丰富和完善混凝土结构火灾损伤检测鉴定评估。

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