江苏某大型现代宗教建筑始建于2008年, 总建筑面积52 589m²。该建筑主要功能区域有廊厅、佛教协会会场、办公接待区、餐饮服务区、办公会议区和宴会厅等场所, 是佛教相关活动的高档聚集场所。2016年11月该建筑3层东北角部位发生火灾, 最终火灾蔓延至整个廊厅, 火灾持续约5h, 因该建筑内装饰木雕等艺术构件众多, 高温区域局部过火温度>800℃。火灾造成该建筑结构受损严重, 过火面积约4 000m²。受建设单位委托, 相关单位对建筑进行检测并出具鉴定报告, 开展修缮加固施工的系列研究与应用, 攻克了过火后建筑构件烧损情况复杂、鉴定评级困难、加固类型多样的技术难题, 并在此基础上经过深入提炼形成本技术。

火灾发生后, 专家对该建筑进行现场勘察与安全鉴定, 根据现场勘察情况划分3个区域:高温烟气弥漫区域 (A区域) 、火场和高温烟气弥漫的混合区域 (B区域) 、火场区域 (C区域) , 如图1所示。根据现场调查结果从高度方向上划分4个区域: (1) 区域0～8.350m标高范围, 损伤最轻, 火场温度<200℃; (2) 区域8.350～18.350m标高范围, 损伤较严重, 火场温度300～700℃; (3) 区域18.350～47.700m标高范围, 损伤最严重, 火场温度>800℃; (4) 区域47.700～63.500m标高范围, 损伤严重, 火场温度600～700℃。

该建筑着火后主要用水扑灭, 消防水流急剧射到高温混凝土表面时, 结构由高温到迅速浇水冷却, 会对混凝土结构产生不同程度的影响。射水后混凝土剩余抗压强度相对值如表1所示^[1]。

根据CECS252:2009《火灾后建筑结构鉴定标准》^[2]的相关规定, 并结合结构材料性能检测结果, 对梁、板、柱、钢结构及填充墙等构件进行火灾后初步鉴定评级, 结构构件具体受损情况如下。

1) 3层梁过火区检测评定大部分为Ⅱb级, 个别部位存在Ⅲ级构件;4层及以上梁过火区检测评定为Ⅱb或Ⅲ级;受灾区域涉及塔厅部分预应力梁, 因预应力梁中预应力损失无法有效检测, 故仅对预应力梁的混凝土颜色、锤击反应、混凝土脱落及变形等要素进行检测, 经检测得出预应力梁检测评定为Ⅱb或Ⅲ级, 如图2所示。

2) 楼板受灾情况主要集中在4层及以上部位, 其中4层楼板过火区检测评定绝大部分为Ⅲ级, 少数部位存在Ⅱb级构件;22.400～47.770m高度范围内的楼板过火区检测评定为Ⅲ级, 如图3所示。

3) 1, 2层圆柱过火区检测评定为Ⅱb级, 3层圆柱过火区检测评定为Ⅲ级;2, 3层方柱过火区检测评定为Ⅱb或Ⅲ级;22.400～47.770m高度范围内的圆柱、方柱及异形柱也有不同程度的受损, 过火区检测评定为Ⅱb或Ⅲ级;过火区域内无评定等级为Ⅳ级的竖向构件, 如图4所示。

4) 2层填充墙、构造柱及圈梁过火区检测评定为Ⅱb级;4层填充墙、构造柱及圈梁过火区检测评定为Ⅳ级;其余部位填充墙、构造柱及圈梁过火区检测评定为Ⅲ级, 如图5所示。

5) 廊厅南北两侧屋面钢结构防火涂层基本烧完脱落, 防腐涂层已碳化, 钢梁、刚性系杆等构件存在明显的整体变形和局部变形, 支座下方混凝土存在脱落、露筋等现象。

根据《火灾后建筑结构鉴定标准》, 结构构件详细评定等级如下。

1) 3层梁过火区检测评定大部分为b级, 个别部位存在c级构件;4层及以上梁过火区检测评定为b或c级;受灾区域中涉及部分预应力梁, 预应力梁检测评定为b或c级。

2) 楼板受灾情况主要集中在4层及以上部位, 其中4层楼板过火区检测评定绝大部分为c级, 少数部位存在b级构件;22.400～47.770m高度范围内的楼板过火区检测评定为c级。

3) 1, 2层圆柱过火区检测评定为b级, 3层圆柱过火区检测评定为c级;2, 3层方柱过火区检测评定为b或c级;22.400～47.770m高度范围内的圆柱、方柱及异形柱也有不同程度的受损, 过火区检测评定为b或c级;过火区域内无评定等级为d级的竖向构件。

4) 2层填充墙、构造柱及圈梁过火区检测评定为b级;4层填充墙、构造柱及圈梁过火区检测评定为d级;其余部位填充墙、构造柱及圈梁过火区检测评定为c级。

5) 廊厅南北两侧屋面钢结构检测评定为d级。总体来说, 通过直接检测该建筑物的烧损情况及仪器设备, 该建筑物暂无整体倒塌的危险, 但部分区域烧损十分严重, 需对受损部位采取合理的加固措施, 施工前需尽快清除受损材料, 保证施工作业面尽快展开。

根据本建筑的特殊性及复杂性, 参考国内外建筑加固措施, 确定该建筑加固思路如下。

1) 本建筑艺术装饰构件众多, 艺术装饰构件通过装饰钢架与混凝土结构进行连接, 而装饰钢架与混凝土结构往往通过后置埋件形式连接, 此连接形式在火灾过程中会造成混凝土结构巨大的膨胀性及拉裂性破坏, 故本建筑在结构加固完成后不宜通过一般性的装饰后置埋件与加固结构进行直接连接, 需采用特殊转换形式, 如施工板底增设钢梁、格构柱等连接装饰钢架。

2) 该建筑采用退台式建筑布局, 从结构整体性考虑, 适当保留原结构构件, 凿除火灾后碳化及松散混凝土, 并需确定打凿原则;结构柱及结构梁底面加固原则是打凿至柱主筋表面为止, 若遇空鼓现象, 空鼓区域最多打凿至柱主筋直径一半的深度, 若还有空鼓现象, 需做好记录, 明确空鼓部位及标高等信息, 联系相关单位协商解决;梁侧面加固原则是打凿至梁侧箍筋面为止, 若遇空鼓现象, 需做好记录, 明确空鼓部位及标高, 联系相关单位协商解决。

3) 加固用聚合物砂浆、灌浆料等尽量采用高于原混凝土1个强度等级的无机材料, 其中聚合物砂浆强度等级为Ⅰ级, 强度≥M45;灌浆料强度≥C45。

4) 该建筑填充墙墙体为非承重构件, 且由于该建筑的特殊性, 绝大部分墙体无法拆除, 填充墙加固修复原则主要以满足结构抗震设防烈度为主, 且保证加固措施能与原填充墙共同工作, 施工简单易行、安全可靠、经济合理。

5) 加固前需支撑好原结构, 施工操作平台需到位, 保证后续施工人员安全;凿除原有混凝土时, 不得暴力打凿混凝土构件, 不得损伤遗留构件。

6) 因火灾对建筑的作用较复杂, 火灾后损伤结构的加固修复比旧建筑加固处理困难, 很难精确判断受损构件损伤程度, 为保证施工安全有序可控, 需邀请具有相应资质的监测机构对加固施工过程进行有效监控^[3]。

检测鉴定结果显示受损结构梁初步鉴定评级为Ⅱb及Ⅲ级, 详细鉴定评级为b, c级, 经综合分析后, 现场采用混凝土构件增大截面与外包型钢相结合的方式施工, 增大截面梁侧面钢筋应采用植筋方式植入原混凝土内, 并保证植入深度满足10d (d为植入钢筋直径) 及以上, 梁底钢筋与原梁底钢筋采用单面焊接连接, 满足10d的焊接长度, 增大截面梁采用C45等级灌浆料浇筑, 灌浆料强度达到设计规定强度等级后方可进行外包型钢施工;混凝土梁外包型钢通过16@300的锚栓连接增大截面梁, 外包型钢外侧再焊接艺术装饰钢架, 增加外包型钢作用明显, 外包型钢一方面可以对加固结构增设1道冗余设防, 另一方面可以避免装饰预埋件植筋过深, 对原有已损伤结构造成二次破坏, 如图6所示。

检测鉴定结果显示受损楼板初步鉴定评级为Ⅱb及Ⅲ级, 详细鉴定评级为b, c级, 根据检测报告及现场勘察分析, 采用以下加固方法。

1) 楼板受损深度<15mm时, 剔除松散混凝土并粉刷聚合物修复砂浆, 然后粘贴碳纤维布, 加固采用Ⅰ级碳纤维布及A级胶。

2) 楼板受损深度较大时 (受损深度>15mm且小于楼板厚度一半) , 凿除碳化或松散混凝土并分层涂抹聚合物修复砂浆, 施工过程中保留原有钢筋, 若钢筋受损, 需按照同规格钢筋进行替换, 原有钢筋需进行除锈, 若楼板下方有较重艺术构件需拉结结构, 在楼板下方增设热轧I14a, 工字钢与楼板两端结构梁通过化学螺栓进行拉结, 如图7, 8所示。

3) 楼板出现贯通性裂缝或受损深度大于楼板厚度一半时, 凿除原板并进行灌浆料的置换, 施工过程中保留原有钢筋, 注意同规格更换受损钢筋并除锈。

该建筑柱上装饰构件众多, 且火灾后柱身装饰钢架后置埋件拉裂混凝土问题严重, 为确保不再发生类似事故, 装饰钢架与原有结构柱的连接不发生拉裂性裂缝, 是此次加固施工的一大难题, 如图9所示, 根据鉴定结果及现场详细勘察, 最终采用增大截面法与粘贴碳纤维布、环抱格构柱相结合的办法, 如图10所示。

混凝土柱加固施工需注意以下几点。

1) 该建筑中柱分布较集中, 此处柱结构加固是本工程加固的难点, 增大柱截面前需凿除混凝土, 为保证混凝土凿除过程中的安全, 柱水平方向采用隔一做一的方法进行结构加固, 垂直方向按每3m一段从下至上依次进行加固施工, 通过有限元计算模拟分析现场工况, 确保现场实施的可行性。

2) 柱加固时需遵循加固施工设计原则, 凿除损伤及碳化的混凝土, 并打凿至柱主筋表面为止, 混凝土凿毛过程应认真细心, 使新旧混凝土更好结合, 保证新旧混凝土结构间能更好地共同工作。

3) 为保证增大柱截面时主筋能在首层生根, 在首层增设200mm×500mm的地圈梁, 使主筋插入地圈梁, 保证主筋在节点处的约束;在地圈梁上设置120mm×120mm×8mm的预埋件连接格构柱, 保证格构柱有效约束, 满足艺术构件在柱上的连接需求。

4) 格构柱的设置主要解决装饰钢架与原有结构柱的连接, 不直接承受上部荷载传下的压力。

5) 柱的加固是整个建筑加固过程的关键, 施工过程需保证必要的监测措施, 监测柱的水平、竖向位移、应力、应变等, 保证加固施工安全。

该建筑填充墙为非承重结构, 因火灾导致墙体材料强度降低, 已不符合该地区抗震要求, 故需加固墙体, 经检测鉴定填充墙、构造柱及圈梁过火区评定为b, c, d级, 由于火灾后砌体结构加固设计与施工具有一定的特殊性、专业性, 故根据建筑填充墙损伤情况采用以下加固方法。

1) 过火区检测评定为b, c级的填充墙构件采用扁钢网片拉结方法, 墙体上拉结扁钢规格为40mm×4mm@500mm×500mm, 构造柱、圈梁及其他混凝土构件拉结扁钢规格为80mm×5mm, 扁钢间交叉位置采用40mm×3mm、长150mm的扁钢进行点焊连接, 150mm长的扁钢通过M12化学螺栓与墙体进行拉结, 构造柱、圈梁及其他混凝土构件中的扁钢通过12@800的化学锚栓进行拉结, 因该建筑填充墙体外侧不允许改变, 所以填充墙均采用内侧单面墙体拉结扁钢网片的方法;扁钢采用镀锌材质, 在扁钢钻孔或焊接处需采用防锈措施进行处理补全, 化学锚栓钻孔在填充墙上时, 不对拉拔承载力做相应要求, 但应按照产品要求的深度及工艺进行施工;扁钢网片与楼板钢梁采用焊接工艺进行处理, 如图11, 12所示。

2) 过火区检测评定为d级的填充墙构件根据火灾后砌体结构受损分类已达到危险构件标准, 结构基本破坏, 故需拆除后重新砌筑施工。

根据检测报告鉴定, 廊厅南北两侧屋面钢结构火灾后详细鉴定评级已达d级, 严重不符合国家现行标准要求, 严重影响安全, 故需拆除后重新安装。

塔厅建筑火灾重灾区温度>800℃, 相关文献^[4]表明温度对预应力钢筋影响较大, 目前无有效手段进行检测, 若不考虑预应力钢筋对预应力梁作用, 结构转换层梁的承载力无法满足受力要求。由于塔厅建筑结构独特、空间狭小, 常规加大截面、包钢等加固方法无法满足塔厅转换层结构受力要求, 增加支撑成为解决构件承载力不足的最有效方法。

转换层增设钢斜撑操作工艺为:测量放线→钢斜撑上、下节点施工→钢斜撑构件吊装→外接顶升设备安装→顶升设备同步分级施压至设计值→钢斜撑中部节点焊接^[5]。具体操作方法如下。

1) 测量放线复测原结构的基准线等, 并在墙面、柱面弹出钢斜撑安装控制线及标高等信息, 定位出钢斜撑上、下节点尺寸及位置, 然后进行钢斜撑上、下节点的施工。

2) 钢斜撑上、下节点施工下节点先根据图纸及规范要求进行钢筋绑扎, 然后放置预先加工好的预埋板, 经测量复核无误, 且验收后进行下道工序施工, 最后待灌浆料达到设计强度后进行预埋钢板耳板的定位及焊接;上节点需敲除原混凝土疏松层, 通过化学锚栓植筋固定侧钢板, 然后逐步安装上节点斜撑端钢板, 最终焊接上耳板, 施工过程中上节点耳板定位必须与下节点耳板处于同一轴线, 以保证斜撑管顺利安装。

3) 钢斜撑构件吊装上、下钢斜撑构件通过预先安装在结构上的数个辅助起吊点, 以辅助吊点“接力”的方式, 最终吊至预定位置。

4) 外接顶升设备安装现场共设8根钢斜撑, 分别由2台液压泵站 (每台液压泵控制4根钢斜撑) 控制顶升过程, 用信号线连接2台泵站。

5) 顶升设备同步分级施压至设计值通过PLC同步控制系统进行加压操作, 加载过程以力控制为主、位移控制为辅, 当力未达到设计要求时, 继续加载至设计要求。

6) 钢斜撑中部节点焊接钢斜撑液压顶升加载前需焊接连接板与上斜撑管, 液压顶升加载完成并保持稳压的情况下, 进行连接板与下斜撑管的焊接连接, 焊接完成并验收通过后, 进行卸压工作。

该建筑加固修缮施工于2017年11月通过验收并投入使用, 目前情况良好, 本文结合大型宗教文化建筑火灾后实际出现的问题, 有针对性地提出经济可行、安全可靠、操作简单的处理方案, 确保后期艺术构件安装及正常的安全使用, 满足宗教文化建筑的功能需求, 取得良好效果。