对火灾后受损结构的检测与鉴定是加固维修前的一项重要的技术工作,为加固与维修提供了可靠的技术依据 ^[1]。因此,如何合理有效检测与评价结构的受损程度是灾后检测鉴定工作的重点 ^[2]。通过某地铁车库火灾后的检测鉴定与加固维修工程实践,对火灾后混凝土结构检测与鉴定进行研究,提出具体的检测与鉴定方法、内容以及混凝土结构的损伤评级。

　　 通过以往火灾后混凝土结构检测鉴定与加固工程实践,总结了火灾后混凝土结构检测鉴定与加固维修的整体思路和流程,详见图1。

　　 某干旱地区地铁车库一期工程为单层局部2层钢筋混凝土框架结构,层高为9.5m。10月下旬某天下午,该建筑在建工地发生火灾事故,浇筑混凝土所用木方、木板、模板起火。根据消防灭火记录,消防采用水冷法在2h后明火被扑灭,剩余零星火点。约4h后全部扑灭,过火总面积多达5 595m²,车库过火区域(图中阴影部分)见图2。

　　 火灾当天下午风向为北向南。火灾事故造成该车库9.500m标高大范围结构不同程度损伤,混凝土浇筑用模板、木方、木板全部烧毁,车库南侧烧灼严重,另外由于从南侧消防浇水灭火,造成靠近南侧的构件混凝土大面积剥落、钢筋露筋。车库燃烧残留物见图3,车库火灾后现场见图4。

　　 火场温度可根据环境温度、燃烧时间进行理论推算,混凝土过火温度可根据混凝土颜色、爆裂剥落、开裂以及锤击反应进行推定。通过温度推定及初步鉴定,初步判断结构损伤程度。

　　 火场温度推定常规判定方式有:根据现场燃烧残留物判定、根据标准升温曲线判定、根据火灾现场结构混凝土烧伤程度判定。目前我国较多采用的升温曲线是国际标准组织制定的ISO 834标准温度-时间曲线 ^[3]。另外还有加拿大及美国建议的ASTM-E119温度-时间曲线 ^[4],两种温度-时间曲线都是单调升温曲线,且差别不大。

　　 本文火场温度T的理论推算根据ISO 834标准温度-时间曲线表达式 ^[3]进行:

　　 ${\rm T}={\rm T}{}_0+345\lg (8t+1)$

　　 式中:T₀为环境温度,取16℃; t为燃烧时间,本次计算取40min。

　　 对于本工程受损板,火灾发生后,未拆除的模板、木方等燃烧物悉数烧光,根据现场实际情况,模板、木方从起火到烧蚀、燃烧物掉落,燃烧对混凝土造成烧灼的时间约为40min。经推算,K区火场温度推算约为880℃,火场核心区混凝土构件中度～重度损伤。

　　 火场温度的理论推算除了ISO 834标准温度-时间曲线外,还有FDS(Fire Dynamics Simulation)软件计算所得的平均升温曲线 ^[5,6]; 也可以利用Pyrosim软件根据建筑物的实际尺寸进行合理简化和处理,建立火灾3D物理模型 ^[7]; 或通过MATLAB进行数值计算,求解系统方程Jacobi矩阵的特征值随时间的变化规律,从非线性动力系统理论的角度解释火灾过程随时间的演化规律 ^[8]。

　　 根据《火灾后建筑结构鉴定标准》(CECS 252∶2009) ^[9](简称《火灾鉴定标准》),通过检查过火严重损伤的结构构件混凝土颜色、爆裂剥落、开裂以及锤击反应对过火结构构件的过火温度进行推定:K区南侧混凝土表面颜色为板底灰白,显浅黄; 板底大面积混凝土剥落; 板底有较大裂缝; 混凝土表面锤击声音发闷,混凝土粉碎,留下痕迹。最终推定过火温度为700～800℃,与火场温度理论计算结果基本符合。

　　 根据《火灾鉴定标准》及检测结果对车库K区受损板进行初步鉴定评级,结果如图5所示。经初步鉴定评级,车库K区有4块板初步评级为Ⅱ_a级,即很轻微或未受到烧灼作用; 绝大部分板初步评级为Ⅱ_b级,即受到轻度烧灼作用; Ⓒ～Ⓔ轴线间有8块板初步评级为Ⅲ级,即受到中度烧灼; Ⓒ～Ⓓ轴线间有5块板初步评级为Ⅳ级,即受到重度烧灼。

　　 首先对火灾后混凝土构件进行初步鉴定,筛选出初步鉴定评级为Ⅱ_b级、Ⅲ级和Ⅳ级的构件进行进一步的检测与鉴定 ^[10,11]。通过微观结构分析推定过火温度、变形检测、烧蚀深度检测、裂缝检测、混凝土强度检测、钢筋力学性能检测6个方面进行火灾后受损结构的进一步检测鉴定。

　　 过火混凝土是一个复杂的物相体系,水泥基混凝土水化产物在高温作用下会产生相变或分解,根据其相变或分解产物可推定其相变或分解温度 ^[11]。混凝土过火后由于消防用水的作用,分解的水化产物又重新水化,由此也可推定混凝土过火温度。通过钻孔分层切片取表层、中层、深层样本,再利用X-Ray衍射和扫描电镜分析观测过火混凝土主要的物相组成和微观影像。分析结果如表1,2所示。扫描电镜图见图6。

　　 采用水准仪对K区9.500m标高板进行挠度测量,所测板挠度处于l₀/1 744～l₀/634(l₀为板短方向跨度),均小于l₀/350,满足《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB 50292—2015) ^[12]要求。

　　 受损结构构件烧蚀深度检测方法主要有锤击凿开和钻孔。根据检测结果,K区轻度受损板烧蚀深度小于10mm,中度受损板烧蚀深度约为10～20mm,重度受损板的烧蚀深度约为20～40mm。

　　 火灾后,受损结构构件受损面积大,无明显的受损与完好界限,故采用超声法检测火灾后受损结构构件的烧蚀厚度。首先在受损混凝土表面进行,后在同类完好混凝土表面进行测试,从非金属超声检测仪读出两种回归曲线的回归系数a,b。然后根据《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS 21∶2000)进行混凝土烧蚀损伤层厚度的计算:

　　 $h{}_{\text{f}}=(l{}_0/2)\cdot \sqrt{(b{}_2-b{}_1)/(b{}_2+b{}_1)}$

　　 式中:h_f为混凝土烧蚀损伤层厚度;l₀=(a₁b₂-a₂b₁)/(b₂-b₁),其中a₁,b₁为损伤混凝土构件回归系数,a₂,b₂为完好混凝土构件回归系数(回归直线截距、斜率)。

　　 通过超声法检测并计算,车库过火结构构件可分为轻度损伤、中度损伤、重度损伤,其烧蚀损伤层厚度见表3。

　　 K区9.500m标高受损较严重的板有部分表面混凝土剥落严重且混凝土烧灼酥松,表面出现较大的网状裂缝,部分板顶有沿板长度方向的裂缝,最大宽度为0.4mm,为新发展裂缝; 受损较轻微的板表面基本无混凝土剥落,基本无裂缝网,板底无裂缝。裂缝宽度采用电子裂缝检测仪。

　　 采用钻芯法或拉脱法对火灾后受损结构构件混凝土强度进行检测,因结构构件表面不同程度损伤,不能直接采用回弹法、回弹-超声综合法等无损检测方法。经钻芯力学试验后得出构件芯样内部混凝土的推定强度,检测位置见图7,检测数据详见表4。

　　 根据检测数据,车库K区板混凝土强度出现不同程度劣化,混凝土强度有不同程度的损失,受损板混凝土的抗压强度最大降低23.5%。这与《火灾鉴定标准》高温混凝土自然冷却后抗压强度折减系数的规定基本相符。

　　 对火灾后受损板混凝土剥落处的钢筋取样,并送实验室进行钢筋力学性能试验。所选钢筋试验数据如表5所示,取样位置见图7。

　　 根据试验分析,混凝土板剥落露筋处钢筋抗拉强度最小降低至《混规》要求最小值的71.3%,屈服强度最小降低至《混规》要求最小值的68.8%。这与《火灾鉴定标准》高温冷却后钢筋强度折减系数的规定基本相符。

　　 以车库K区结构为例,对火灾后受损结构进行静力堆载试验,以验证理论计算结果的准确性及结构在不断加载的条件下是否处于弹性。K区结构加载现场见图8,加载试验区域平面布置见图9。

　　 根据静载试验结果,K区南侧试验过程中部分板底应变、挠度测点实测值均超过计算值,加载至设计荷载后终止加载,板底部分测点荷载-应变曲线(图10(a))略呈非线性变化,火灾对该区域部分板承载能力产生影响,结构构件略呈塑性工作状态,板承载功能出现劣化。

　　 K区北侧试验过程中部分板底应变、挠度测点实测值均未超过计算值,加载至设计荷载后终止加载,板底测点荷载-应变曲线(图10(b))呈线性变化,该区域板承载能力仍能满足设计要求,结构构件处于弹性工作状态,板承载功能基本未出现劣化。荷载-应变曲线见图10。

　　 通过PKPM,YJK软件对车库K区板进行承载力复核,计算过程考虑了混凝土的强度损失和钢筋的强度损失。经对比设计配筋与计算配筋,K区板设计配筋均大于计算配筋,板设计配筋满足计算要求,即火灾后车库受损板的配筋满足要求,板承载力足够。

　　 《火灾鉴定标准》将火灾后混凝土结构鉴定评级分为初步鉴定评级(评定等级为Ⅱ_a级、Ⅱ_b级、Ⅲ级、Ⅳ级)和构件的详细鉴定评级(评定等级为a级、b级、c级、d级),初步评级是从火灾后的油烟和烟灰残留、混凝土颜色改变、火灾裂缝、锤击反应、混凝土脱落、受力钢筋露筋、受力钢筋粘接性能、结构构件变形8个方面进行的定性评定; 详细鉴定评级《火灾鉴定标准》无详细的评定标准,只给出了是否符合国家现行标准要求、是否影响安全使用、是否采取措施进行处理等定性的评级概念,没有量化火灾后的结构构件损伤评级。

　　 现行《火灾鉴定标准》也没有火灾受损构件鉴定评级的层次、等级划分,没有子单元安全性和鉴定单元安全性评级的内容。近年来随着火灾后结构损伤检测鉴定的研究,一些专家学者提出了相应的评级标准 ^{[13,14,15,16,17]}。火灾后混凝土结构损伤评级除了初步鉴定评级外基本无据可依,因此对现行《火灾鉴定标准》给出一些探索性的修订建议是必要的。

　　 本文针对火灾后的结构损伤鉴定提出了鉴定评级“四个阶段”及鉴定层次、等级划分和相应的评级标准:第一阶段为火灾后混凝土结构构件初步鉴定评级; 第二阶段为火灾后混凝土结构构件分项评级与综合评级; 第三阶段为子单元(构件集)综合评级,此阶段可根据工程实际需要进行; 第四阶段为鉴定单元综合评级,此阶段可根据工程实际需要进行。

　　 根据《火灾鉴定标准》,同时参照《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB 50292—2015) ^[12]、《工业建筑可靠性鉴定标准》(GB 50144—2019)中的安全性鉴定,进行鉴定评级的层次、等级划分,再参考文献[15,16]研究成果对受损结构构件进行分项评级与综合评级,并对火灾后结构构件鉴定进行补充与探索。火灾后鉴定评级的层次、等级划分详见表6。

　　 根据文献[17]研究成果,火灾后构件受损分项评级标准引用构件初步鉴定评级标准、构件变形评定标准、构件烧蚀深度评定标准、构件裂缝评定标准、混凝土强度损失评定5项评级标准,并补充过火温度评定标准、钢筋力学性能损失评定标准。构件承载能力评定引用《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB 50292—2015)和《工业建筑可靠性鉴定标准》(GB 50144—2019)。

　　 a级:过火温度不大于300℃; b级:过火温度介于300～600℃(不含600℃)之间; c级:过火温度介于600～900℃(不含900℃)之间; d级:过火温度不小于900℃。

　　 a级:钢筋高温冷却后强度折减系数≥1.00; b级:钢筋高温冷却后强度折减系数处于0.90～1.00之间(含0.90); c级:钢筋高温冷却后强度折减系数处于0.80～0.90之间(含0.80); d级:钢筋高温冷却后强度折减系数<0.80。

　　 参照《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB 50292—2015)中关于“构件集”的评定思路,对火灾后受损结构构件进行分项评级及综合评定。综合评级根据初步鉴定评级、过火温度评级、变形评级、烧蚀深度评级、裂缝评级、混凝土强度损失评级、钢筋力学性能损失评级、承载能力评级共8项进行,评定为a级、b级、c级、d级四个等级,评级标准如下:

　　 a级:构件8项检测评级中不含c级、d级评定,可含1个b级评定,表示构件未受损伤或轻微损伤,符合国家现行标准要求,不影响安全,可正常使用,也不必采取措施进行处理。b级:构件8项检测评级不含d级评定,可含1个c级评定,表示构件受到轻度损伤,结构材料及结构性能仅受轻度影响,基本符合国家现行标准下限水平要求,尚不影响安全,尚可正常使用,宜采取适当措施进行处理; 此类构件采取补强或加固措施进行处理。c级:构件8项检测鉴定评级中含有c级和d级,可含有1个d级评定,表示构件受到中度损伤,结构材料及结构性能产生明显影响,略影响结构安全,不符合国家现行标准要求,在目标使用年限内影响安全和正常使用,应采取措施进行处理。 此类构件必须及时采取补强或加固处理。d级:构件8项检测鉴定评级中必须含有d级,且d级含量不少于2个,表示构件受到重度损伤,结构尚未失效,但有明显剥落,对结构安全和正常使用产生不利影响,严重不符合国家现行标准要求,严重影响安全,必须立即加固、置换或拆除处理。

　　 火灾后的混凝土结构检测与鉴定需首先进行检测,再进行分项评级与综合评级。一般而言,对火灾后结构的评级只到结构构件和构件集这一层次,不再对子单元和鉴定单元进行评级。若有需要可进行子单元和鉴定单元的评级。

　　 综合评级根据构件分项评级进行,为后续的结构加固与维修提供技术依据 ^[13]。车库K区火灾受损板分项评级和综合评级结果如表7所示,板评级位置详见图11。

　　 本工程只进行了构件和构建集两个阶段的鉴定评级工作。该车库K区板综合评级为D级,部分板受损严重,需进行加固、补强与维修。

　　 以K区板为例,根据火灾后的检测与鉴定结果进行结构加固与维修设计,以消除火灾后结构的安全隐患 ^[18]。车库受损板加固与维修布置如图12所示。

　　 首先对板上的裂缝进行修复处理。对于综合评级为b级的板,采用聚合物砂浆修复。修复前在基面上喷涂界面胶,既增强新旧材料的粘接,又起到防水阻隔的作用,在后续使用中,外界水及水汽不能进入混凝土内部,避免造成受损混凝土所含的氧化钙转化为氢氧化钙,造成混凝土内部缺陷。无论加固还是维修,均需喷涂界面胶。板裂缝处理做法详见图13(a),聚合物砂浆修复做法详见图13(b)。

　　 对于综合评级为c级的板,先凿除10～25mm厚受损混凝土层,再采用聚合物砂浆修复,最后采用25mm厚钢绞线聚合物砂浆面层加固,钢绞线的加固补强范围和数量根据混凝土强度和钢筋强度劣化综合考虑,其加固做法如图14,15所示。对于综合评定为d级的板,先凿除30mm厚受损混凝土层,再进行钢筋搭接补强,后采用50mm厚灌浆料修复板底面,最后采用25mm厚钢绞线聚合物砂浆面层加固,其加固做法详见图16。

　　 通过此次工程实践,火灾后检测鉴定可参照安全性鉴定的层次、等级划分做法,合理制定相应的评级标准,对损伤进行评价,为后续使用及处理提供依据,对类似工程有一定借鉴意义。

　　 (1)根据理论推算、构件损伤状况和微观结构分析多方面推定过火温度,从而初步确定混凝土过火温度。经初步鉴定评级后,筛选受损构件进行进一步的检测与鉴定。

　　 (2)在考虑火灾后混凝土、钢筋的强度损失和构件截面损失的情况下,对受损结构进行理论计算,评定结构承载能力。在条件允许的情况下通过静载试验,确定结构是否处于弹性状态,验证承载功能是否出现劣化。

　　 (3)参考安全性鉴定评级的层次、等级划分概念,引入火灾受损结构评级的层次、等级划分的概念,并制定分项评级与综合评级标准。

　　 (4)火灾后结构的加固与维修要根据损伤程度采用不同层次的方法,要做好基面防水阻隔,防止使用过程中水及水汽进入火灾受损混凝土内部,避免引起混凝土内部高温分解的水化物重新水化,形成混凝土内部缺陷。