某海外型钢混凝土井塔结构火灾事故后的评估与加固

高 帅张 红

（清华大学土木水利学院，北京100084）

某海外型钢混凝土井塔结构火灾事故后的评估与加固

高 帅*张 红

（清华大学土木水利学院，北京100084）

根据国内外对钢结构、混凝土火灾后性能分析与鉴定的一般程序、内容及方法，结合某海外型钢混凝土井塔结构的火灾事故，对火灾现场的钢材现场取样拉伸试验及里氏硬度试验；对火灾现场的钢筋现场取样屈服强度、抗拉强度、伸长率试验；对火灾现场的混凝土回弹法、超声波检测、钻芯取样法试验，进一步设计了利用钻芯取样法对混凝土的耐久性检测的试验方法。随后采用测得的相关数据，分析了该火灾后结构材料的力学性能，并与火灾前结构材料的力学性能进行了对比分析。对原结构中钢材节点区域焊缝裂纹进行修复，对不同损伤等级混凝土进行分类处理的维修方案，通过维修保证了结构的强度、稳定性和耐久性等设计要求。此外，对火灾后型钢混凝土的检测鉴定需要注意的问题进行了探讨，对比了中美两国规范钻芯取样法异同点，结合试验，对中国规范钻芯取样法提出了修正意见。

现场勘察，型钢混凝土结构，火灾，拉伸试验，鉴定方法，检测报告，维修方案

1 工程概况及火灾现场描述

火灾是常遇的灾害之一，对于遭受火灾的建筑物，首要的任务是进行评估，修复加固，恢复设计承载能力和使用功能。

该火灾事故的建筑物为型钢混凝土井塔结构，位于蒙古国境内西南方向，毗邻中国边境。主体结构高96 m，地下埋深24 m。设计生产阶段为双箕斗、罐笼平衡锤两套工作系统，两套提升系统分别位于78.50 m，63.50 m标高，施工阶段要考虑井塔兼作临时掘井用。由于工艺设计的异常复杂性，该井塔外墙采用了型钢混凝土筒体结构，楼板采用型钢混凝土结构。竖向构件混凝土强度为C35，钢筋为三级钢，钢材强度为Q235。墙体厚度从－24.0～46.50 m为1 m，从46.50～96.00 m为650 mm，采用液压爬模施工工艺。

2011年3月15日凌晨4时，该井塔爬模区域突发火生时井塔组合结构中的型钢结构施工高度接近38 m，混凝土浇筑高度约26 m，普通消防车水头无法覆盖火势，直到现场可燃物燃烧殆尽为止（图1）。

图1 火灾现场图片Fig.1 Fire accident on site

2 火灾分区及处理流程

火灾后型钢混凝土结构的力学性能呈现不同程度的降低，需要对混凝土、型钢、钢筋［1，2］分别进行检测，来评估建筑物或者局部构件是否可以继续使用或者拆除。因此，建筑物经历火灾后，要做好现场证据的保留，并及时有目的地对该建筑物的安全性进行评估和分析，进一步提出灾后的修复加固措施。为了确定火灾影响区域、分析火灾影响程度、确定火灾后结构处理方案，对井塔塔身高度19.6～26.0 m段的火灾影响区域内的井塔结构进行了现场检测，为了对比鉴定需要，还对该井塔未过火区域接近±0.00 m进行取样分析。由于受火区域范围较大，对火灾发生区域进行了分区检测，筒体外分为1区、2区、3区、4区，筒体内分为A区、B区、C区、D区，如图2所示。

图2 火灾分区平面布置图Fig.2 Fire partition layout

目前，对结构损伤程度的评估［3-5］常用的方法有两种：宏观法和计算法。宏观法一般通过外观变形和烧伤程度的现场检测结果，并结合构件性能试验，综合分析判断结构构件火灾受损程度和损伤等级；计算法则是沿用结构抗火设计中的方法来计算构件温度场及材料力学性能的丧失程度及其剩余承载力，作为火灾后混凝土结构受损程度评估和修复加固设计的依据。火灾事故的工程评估及后续处理流程如图3所示。后续章节结合该流程，对火灾事故进行了调查研究，在此基础上进一步对钢结构、钢筋、混凝土进行了检测，并提出了相应的处理方案。

3 火灾现场调查

根据现场勘查调查，由于采用爬模施工，火灾主要发生在操作平台的外侧围护层，结构混凝土和外围火场之间被模具所阻隔。主要可燃物为铺设脚手架踏板的木材，其他材料为外围包裹的棉被等保温材料。根据可燃物火灾残留物调查，在火灾发生时，外围保温材料短时间内燃烧完毕，现场残留物较少；大部分木材的火灾残留物为原可燃物的30%～70%，个别充分燃烧木材的残留物为15%～30%。

根据主要可燃物种类及燃烧状况，以及检测结果可以推断火场最高温度在700℃以下。木材燃烧较为充分部位火场温度在500℃～700℃。在可燃物附近、直接受火影响区域，受火温度在300℃～500℃；离火场较远、仅表层熏黑区域或无火焰直接影响区域受火温度在300℃以下，火场温度分布范围见图2。

4 火灾后钢结构材料与构件检测及处理方案

在火灾中，热应力集中区域会使构件的受力超过其承载力而导致构件挠曲或产生破坏性裂缝。通过对现场火灾后的钢结构梁、柱、节点区检查，发现26.0～38.0 m火灾区域钢结构梁柱表面没有裂缝，进一步检查连接区域，大部分焊缝完好，螺栓没有滑移现象。但在电梯井附近的钢构件出现了防腐涂层碳化，防火涂层局部脱落，其中有1-GL-46端部出现了有肉眼可见的裂缝。

此外，此次火灾受火区域属于自然冷却。现有火灾理论认为，受大火高温600℃以内，自然冷却的钢材与常温下的钢材弹性模量基本相当；屈服强度在400℃以内不变；温度在600℃冷却后，屈服强度降低约为7%。现进一步对钢材进行里氏硬度检测［6，7］和构件取样拉伸试验，如表1所示。

表1 现场取样试件实验结果Table 1 Steel strength testing results

显然，由取样实验结果可知，在火场高温作用下，H型钢所有取样样本点的屈服强度都能满足设计需求，屈服强度基本在300 N／mm2附近，极限强度在430～500 N／mm2。只有电梯井区域1-GL-46的屈服强度偏低，结合现场检查报告，说明该区域火场温度可能偏高。其次，该区域应力状态比较复杂，节点区有肉眼可见裂纹。综合处理，需更换该电梯井梁，进一步对该区域的连接节点进行补强。

5 火灾后钢筋及混凝土的检测及处理方案

5.1 火灾区域钢筋检测

火灾区域外露钢筋直径分别为D16和D25，对该区域的钢筋屈服强度，抗拉强度，伸长率分别进行检测，分区域取代表性样本共计18个，在火场高温作用下，钢筋样本点C-12、C-13局部有轻微损伤、样本点A-1有破损。为了对比分析试样结果，对现场未发生火灾区的钢筋进行相应的力学指标实验，检测结果汇总表如表2所示。

表2 火灾区域外露钢筋检测结果汇总表Table 2 Property inspection results of rebar exposed to the fire

分析以上数据，钢筋的各项力学性能指标均符合设计要求，对比火灾发生区域和火灾未发生区域的各项力学性能指标值，二者并没有显著性差异。可见，火灾区域的钢筋的各项力学指标符合设计要求。

进一步观测有混凝土保护的钢筋，通过现场实际勘查，发现钢筋的保护层厚度在30～60 mm之间，大部分过火区域的混凝土保护层颜色没有发生改变，除局部区域混凝土变酥，需进行处理外。可以推断出混凝土中的钢筋的力学性能没有显著改变。

基于现场勘查和对钢筋的力学性能实验可知，钢筋的各项力学性能指标在火场下没有降低，均能满足设计的要求。

5.2 火灾区域混凝土检测及处理方案

火灾后混凝土区域的检测方法主要集中在现场观察法、回弹法、超声波法、钻芯取样法。通过现场观察，火灾后混凝土墙体的性态，发现在火灾发生区域，混凝土颜色没有发生改变，但接近26.0 m区域混凝土被烟灰的黑色所覆盖。锤击后混凝土声音响亮，表面没有留下任何痕迹，墙体表面混凝土没有脱落，受力钢筋也没有外露现象。从而可以初步判明火灾后混凝土墙体的损伤等级应该为Ⅱa类。

进一步用回弹法［8］对混凝土构件的强度进行检测，

对混凝土筒体内外侧8个面分别进行回弹试验，得出受火灾影响最严重的区域（22.60～26.00 m）的混凝土强度平均值均大于35 MPa，可见混凝土强度能满足设计要求。

同时通过超声波探伤实验［9-11］，对发生火灾区域和未发生火灾区域混凝土进行密实度对测检测，在测位两个互相平行的测试面上分别画出等间距的网格线，网格间距100 mm。在布置好的测点分别测出声时、波幅声学参数。统计分析结果如表3所示。

表3 超声波检测混凝土墙体声学统计参数Table 3 Acoustic parameters of the concrete wall from the ultrasonic inspection

对比筒体发生火灾区域和未发生火灾区域的对测数据，根据公式：

式中，mx为平均值；λ1为置信参数；sx为标准差。

分析统计数据无异常点，对比各区域混凝土声速达到4 000 m／s，得出混凝土表层损伤较小，混凝土密实度较好。即使受火灾影响较为严重的电梯井区域，声速值也能达到4 223 m／s，结合现场观察，除电梯井附近区域混凝土表层变酥外，大部分区域混凝土仍很密实。

通过以上检测手段，可以初步判断除个别区域（电梯井墙体外侧）混凝土受火影响比较严重外，其余混凝土构件受火影响损伤程度并不严重。

但以上几种分析方法在实际检测中误差较大，只能从宏观上判断混凝土强度在火场作用下是否有显著降低，国内外均认为取芯法是混凝土现场检测中公认的较精确的方法。

对比中美钻芯取样规程［12-14］，芯样抗压试件的高度和直径之比均应在1～2范围内，其中中国钻芯法取样规程同时要求钻取的芯样直径一般不宜小于骨料最大粒径的3倍，在任何情况下不得小于骨料最大粒径的2倍。而美国C42／42M规程［13］中同时要求受力构件的试样直径不宜小于94 mm。

相应中国规程的混凝土强度等级以边长为150 mm的立方体试件抗压强度标准值确定，试样与标准立方体试块的换算强度公式如下：

式中 fccu——芯样试件混凝土强度换算值

（MPa），精确至0.1 MPa；

F——芯样试件抗压试验测得的最大压

力（N）；

d——芯样事件的平均直径（mm）；

α——不同高径比的芯样事件混凝土强

度换算系数。

而美国规程选取φ150×300圆柱体试块作为抗压强度标准值。通过实验研究，圆柱体强度约取立方体强度乘以0.83～0.85。相应美国C42／42M［13］的混凝土强度换算系数如表4所示。

表4 美国芯样试件混凝土换算系数Table 4 Conversion coefficient of concrete core sample in American

中国相应换算系数α乘以0.83～0.85约等于表4数据，但二者之间还有少许差异。可见中美规程对于混凝土芯样的取样标准基本一致。本文采用中国规程对现场井塔结构不同标高的混凝土进行钻芯取样并分析混凝土试样（图4）。

图4 混凝土试样Fig.4 Concrete sample

火灾区域混凝土试样测试结果汇总如表5所示。通过检测，第一组试件D＝7；H＝14共计16个，强度均值只有15.5 MPa；而第二组试样D＝10；H＝20强度均值为38.3 MPa，二者差异很大。经过实验室分析，尽管试样高径比为2，但试样直径过小，在压力机作用下，试件的破坏形态基本都是斜向剪切破坏形态，说明该组试件检测的抗压强度存在失真现象，需剔除。

表5 混凝土试样强度实测值汇总Table 5 Testing result of core sam p le on site

可见，通过实际工程检验，C42／42M规程规定［13］受力最小混凝土试样直径为94 mm有其合理性，中国规程也应加入相应条款来保证试样选取的正确性。

通过分析，第二组试件的抗压强度波动范围为34.6～44.7MPa，均值为38.3MPa，可见该井塔在火灾区域的混凝土强度无显著降低，能满足设计要求。

进一步对本次火灾发生区域所取试样分区域检测分析，内外区各取4个试样，最终得出各区域混凝土抗压强度值汇总表如表6所示。

表6 分区混凝土强度试样实测值（火灾区域）Table 6 Testing strength of concrete core samp le in the fire area

对以上数据进行换算，火灾后各区域的换算立方体抗压强度最小值出现在1区域，为42.40 MPa，其次为B区，为43.28 MPa，可见各面墙体在火灾后的设计强度值能满足设计要求。

只有区域1，B分析数据偏低，逐个分析1，B区域的试样强度，发现在电梯井区域的1（C）样本抗压强度33.7 MPa，B（3）样本抗压强度只有34.3 MPa，可见，该区域混凝土在火灾后的形态需要重点关注。火灾区域混凝土试样及其换算抗压强度值如图5所示。

图5 火灾区域混凝土试样及其换算抗压强度值Fig.5 Concrete compression strength in the fire accident zone

为了对比火灾发生区域和火灾未伤及区域混凝土抗压强度值之间的关系，本次试验也同时在0.5～1.55 m高度区域，对混凝土进行钻芯取样，最终得出的混凝土抗压强度值汇总表如表7所示。

对表7数据进行分析，该表试样取自未发生火灾区域，标高在0.5～1.55 m之间，分析数据如图6所示。

表7 分区混凝土强度试样实测值（未发生火灾区域）Table 7 Testing strength ofconcrete core sam ples in non-fire area

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图6 未发生火灾区域混凝土试样及其换算抗压强度值Fig.6 Cconcrete compression strength in non-fire zone

通过换算，未发生火灾区域的混凝土强度高于设计要求的35 MPa，进一步对比发生和未发生火灾区域混凝土强度标准值，发现发生火灾区域的混凝土强度甚至高于未发生火灾区域的混凝土强度标准值，显然，火灾并没有降低混凝土的设计强度值。

总之，通过钻芯取样法这种较为精确的混凝土强度测试方法，验证了火灾对混凝土结构的整体设计强度并没有降低，也说明了混凝土结构整体是安全的。只有电梯井区域混凝土试样抗压强度检测值偏低，但也能满足设计要求。

6 混凝土的耐久性检验及处理方案

火灾后混凝土的耐久性检验［15，16］目前在国内外规范中没有过多涉及，本文基于以下两个方面对混凝土的耐久性能进行评估。

首先经过现场勘察，火灾区域有部分混凝土表面被熏黑，电梯井区域有局部裂缝，甚至局部钢筋保护层变酥，需进行处理；其他区域混凝土表面颜色没有变化，锤击声音清脆，可见，整体结构的混凝土耐久性基本能满足设计要求。

本文进一步通过超声波及钻芯取样两种方法对观察所得结果进行验证。

由于墙体混凝土保护层厚度在60 mm左右，中美规程规定芯样抗压试件的高度和直径之比均应在1～2范围内。故取高度为80 mm，直径在100 mm的试样，一方面高度比较接近混凝土保护层厚度，同时满足直径大于94 mm，试样高径比尽可能接近一，故取高度为100 mm，从而来检测混凝土的耐久性能。为了测试混凝土表皮至核心混凝土强度的变化情况，在现场勘察中对火灾影响最严重的电梯井区域设计了D＝100 mm；H＝80 mm的试样，分别进行抗压试验和超声波试验，来检测混凝土强度从表层到核心的变化情况。两种不同方法得出试样抗压强度对比值见表8。

表8 混凝土强度从表皮到核心的变化值Table 8 Variance of concrete strength from the surface to the core

由于影响超声波测强的因素较多，主要受内部条件原材料及配合比的影响，矿物细渗料对超声波的影响，粗骨料的品种粒径和含量的影响，以及外部条件温度和含水率、养护方法、龄期等因素的影响。导致其测试误差在14.0%～18.0%。

但它可以作为抗压试验的有益补充，本文基于对测法对8 cm芯样的声速测量推算混凝土强度：

超声波检测如图8所示。

图8 超声波检测试样Fig.8 Ultrasonic test on the concrete sample

评估火灾对剪力墙墙体强度的影响深度，采用上述两种方法对2组试块进行检测，利用超声波与抗压强度试验取得的试验数据变化趋势基本趋于一致。进一步分析该2组试块数据，如图9所示，在0～8 cm区域内混凝土强度降低低值较多，随着深度增加，混凝土强度逐渐增加，通过试验可知，火灾对墙体8 cm深度范围内有较大影响，强度可能降低10%～20%，需对该部分混凝土的进行修复处理，保证井塔塔身结构的耐久性，通过计算分析也进一步验证了观察结果的正确性。

基于以上分析，需对该井塔混凝土进行耐久性处理。一般区域（在火灾影响下混凝土表面变黑，有轻微损伤的区域）清理表面开裂松散的混凝土后，若仍存在细微裂缝，应采用环氧灌浆料灌缝；严重区域（主要集中在标高22.80 m上下处及电梯井部位，大片出现爆裂现象，深度影响范围在60～80 mm）铲除表面受损混凝土，若仍存在细微裂缝，应采用环氧灌浆料修补。若钢筋表面有氧化迹象，须清理氧化外皮，并在表面涂刷阻锈剂，并在清理干净的混凝土表面涂刷界面剂，采用C40细石混凝土重新浇筑（或采用喷射混凝土方法），增强墙体混凝土结构耐久性能。按下述（1）或（2）进行修补。该区域主要分布19.0～26.0 m范围内的电梯井区域，对混凝土裂缝的修补主要采取以下两种方法：

（1）表面处理法：适用于修补稳定裂缝，同时裂缝宽度较细、较浅（宽度小于0.3 mm）。可在裂缝附近用钢丝刷刷净再用压力水清洗并湿润后，用1∶（1～2）水泥砂浆抹平或在表面刷洗干净并干燥后涂抹2～3 mm厚的环氧树脂水泥，如图10（a）所示。

图9 火灾对剪力墙深度影响Fig.9 Influence depth for the shear wall in the fire accident

图10 裂缝修复方案Fig.10 Crack repairing scheme

（2）凿槽填充法：适用于修补中等宽度的混凝土裂缝，裂缝宽度大于0.3 mm，修补时应沿裂缝用机械开槽或用手工剔槽，凿成“V”形或“U”形，槽宽和槽深可根据裂缝深度和有利于封缝来确定。“V”形槽适合于树脂类的填充料，其宽度和深度一般为30～50 mm；“U”形槽适合于水泥砂浆类的填充料，其上口宽度一般为60～80 mm。凿槽是沿裂缝打开，再向两侧加宽，然后用钢丝刷和压缩空气将混凝土碎屑粉尘清除干净。采用水泥砂浆填充材料时，结合面应提前洒水湿润，填充后做好养护工作，确保砂浆与槽边混凝土粘结质量，如图10（b）所示。

7 结 语

本文结合某一国际工程案例蒙古某型钢混凝土井塔结构项目的火灾后处理事故方案，对比中美规范，对该建筑物火灾事故进行了详实的分析和评估，也给出了此类国际化工程事故发生后处理的一般流程和方法。进一步对比两国规范可知，在火灾事故处理流程、钢结构强度检测、钢筋强度检测、混凝土强度检测等方面两国规范采用的方法，指标基本一致。但对于混凝土试样的最小直径，美国规范有更加明确的要求，即需大于94 mm。通过实验验证，发现该规定比较合理，建议中国规范也加入该项规定。由于在耐久性方面中美规范并没有成熟科学的方法，本文通过检测混凝土强度从表层到核心逐渐变化的事实，较好的验证了表层混凝土强度有略微降低，并给出了相应的修复方案。

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［3］ 中华人民共和国建设部.GB／T 50344—2004建筑结构检测技术标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2004.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB／T 50344—2004 Technical standard for inspection of building structure［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2004.（in Chinese）

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［16］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.GBT 50082—2009普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法［S］.北京：中国建筑工业出版社，2009.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GBT 50082—2009 Standard for long-term performance and testof ordinary concrete durability［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2009.（in Chinese）

Appraisal and Retrofit of an Overseas Com posite Shaft Structure after an Fire Accident

GAO Shuai*ZHANG Hong
（The School of Civil Engineering of Tsinghua University，Beijing 100084，China）

According to general procedures of steel with concrete material appraisal，an overseas composite shaft structure after a fire accidentwas investigated.Steelmaterialswere studied through tensile tests and the Leeb Hardness.The tensile strength，the yield strength，and the elongation of rebar were obtained by lab tests.The concrete strength was estimated by the ultrasonic-rebound tests，the compressive testof drilling concrete cores.Concrete durability was studied with these drilling cores as well.With these data，mechanical properties of the structuralmaterials damaged in fire were compared with those from the non-fire area.The cracks at the steel bar welding joints caused by fire were repaired.Different repair schemeswere designed for different degrees of concrete.Through retrofitworks，strength，stability and durability of the structurewere ensured.Engineering practices of sampling concrete between and US were compared and some suggestions on Chinese codeswere proposed.

site surveying，composite structure，fire accident，tensile tests，appraisalmethods，test Report，maintenancemethod

2013－04－01

*联系作者，Email：sparkle1979＠163.com