高温后装配式框架梁柱节点的损伤检测方法探讨

赵广辉，吴 磊，刘 佳，原义伟

（1.昆山市建设工程质量检测中心，江苏 昆山 215337；2.苏州科技大学土木工程学院，江苏 苏州 215011；3.建研院检测中心有限公司，北京 100013）

0 引言

火灾后对预制装配式框架架构进行快速的损伤检测是进行损伤评估鉴定评级的重要基础工作。杨斌等［1］引用钢筋断后伸长率为修正量优化了火灾后钢筋剩余强度计算公式，推导出检测钢筋剩余强度的简化计算式，并对高温冷却后的钢筋强度检测试验结果进行力学参数处理，得到试样强度检测计算式，提供了火灾后钢筋混凝土结构检测鉴定可靠的钢筋强度检测方法。李哲［2］通过对混凝土柱损伤检测得到，表观检查法、中性化深度法用于初步定性分析，烧失量法结合钻芯法能准确定量地确定构件烧损深度。宋瑞明等［3］研究了火灾后建筑结构的温度场判定以及钢筋和混凝土强度检测方法。根据目前已有可知，火灾后结构构件的损伤检测只采取单一方法检测出的损伤结果具有较大的误差，极大影响损伤评估鉴定评级的精确性。在实际工程应用中往往采取综合法进行相关损伤检测。本文将总结已有梁柱连接节点受火温度推定、高温后节点混凝土损伤检测、节点钢筋及钢筋与混凝土间粘结力的损伤检测方法，提出高温后预制装配式框架梁柱连接节点损伤的综合检测方法。

1 节点受火温度推定方法

1.1 红外热像检测技术［4］

红外热像检测技术其原理主要是利用物体原子振动产生辐射红外线进行相关检测，把来自目标的红外热辐射直观地转变为热图像，不仅可以观察出构件表面受火温度，还可以确定构件表面的温度分布梯度，以此来推定构件表面状态和缺陷。根据红外热辐射所形成的不同特征的热图像可以直观地通过分析，进而确定受火构件的损伤情况。

红外热像检测技术的优势在于对温度场的现场检测较为精确，可以很直观且很详细地检测出构件受火温度，从而也为之后关于构建损伤的其他检测和损伤计算提供精确的温度场分布数据，提高损伤检测和损伤评估的准确性。同时，红外热成像检测技术不仅能够对节点的受火温度进行检测，而且能够很全面地反映整个构件和整个结构的受火温度和温度场分布情况。

红外热成像技术检测的劣势在于利用此项技术检测需要在火灾发生时身处现场进行相关仪器的操作，这个过程伴有一定的危险性。同时，由于建筑物火灾在火灾发生的同时也会伴随着灭火过程，一些灭火材料及消防措施例如水和泡沫的存在会影响检测结果，以及红外热成像技术无法仅为了对火灾后构建损伤检测而大面积推广应用，在检测时效性上存在着一定的不足。在实验室条件下可考虑采用这项检测技术，在实际工程应用中应用的相关条件并不具备。

1.2 根据 ISO-834 标准升温曲线推定［5］

根据标准升温曲线推定受火温度是常规温度场推定方法，通过对火灾后的现场勘查，了解火灾发生过程、持续时间、结构特点、现场通风条件、灭火消防措施等方面的信息。

标准升温曲线法推定受火温度的优势在于可以直接通过简单的现场调查进而通过公式计算在灾后评估时快速确定构件受火温度。

标准升温曲线法推定受火温度的劣势在于一般情况下，等效爆火时间无法准确确定，通常在计算过程中采用实际受火时间代替等效爆火时间。同时，利用公式计算出的构件受火温度存在着较大的误差，从而会影响损伤评估结果。

1.3 根据火灾现场残留物推定［6］

高温会使得构建材料发生一系列物理化学变化，火灾后，残留的构件会表现出不同的状态，通过火灾现场勘查残余构件以及残留物品，对照残留物品的变态温度、软化点温度或燃点温度大致推算出此区域内的受火温度。此方法通过已烧毁物品的变态温度推定此区域内受火的最低温度，通过未烧毁物品的变态温度推定此区域内受火的最高温度［3］。

火灾现场残留物推定温度法的优势在于通过火灾后现场勘查不同残留物品的状态，通过残留物状态对应物品的变态温度或燃点温度，从而能够较为准确地推定某一区域的受火温度，通过对火灾现场进行区域划分，从而对不同区域的受火温度进行推定，再进行汇总，能够准确地对发生火灾的大型建筑物进行温度场分布及受火温度确定。

火灾现场残留物推定温度法的劣势在于在火灾过程中伴随着消防工作的展开，部分物品在高温状态和急剧降温的共同作用下，产生了与高温状态不同的状态变化，从而会导致温度判定产生误差，影响受火温度判定的精确性。

2 节点混凝土损伤检测方法

2.1 超声波法［7］

超声法是利用超声波脉冲在受火构件中传播，在火灾后可利用超声脉冲法对受损构建进行检测，可以详细地了解构件开裂、受损情况，同时，超声波法的优势在于可以准确地测定烧损层厚度。常用的超声波法有平测法与对测法两种。

2.1.1 平测法

平测法是将发射和接受换能器都置于构建的同一侧面，在检测时将接受换能器耦合好后保持不动，发射换能器依次移动，增大距离。根据相应的声时值来测试出未损伤层声速、受损层声速、声速突变时的距离，以这 3 个参数来计算出烧损深度。

2.1.2 对测法

对测法的测试操作如图 1 所示。分别通过检测测出超声波脉冲在受损层和未受损层中的波速，并测量出发射和接受换能器之间的距离和超声波脉冲在混凝土中的传播时间。

图1 对测法示意图

在实际火灾中，由于构件同一侧面及构件两面烧损厚度也不一定相等，因此实际上不太可能存在严格的烧损与未烧损临界面，因此适用超声波法检测及利用公式推导计算出的烧损深度可能会与实际情况存在较大误差。同时，超声波脉冲法在实际应用过程中也会受材料的较大影响，例如构件的配筋、混凝土含水率、高温热效应等。同时，超声波脉冲法检测混凝土损伤对构件表面平整度有一定的要求。

在实际工程应用中，超声法对损伤的识别鉴定存在着一定的主观性，操作者往往会根据个人经验通过时域中的超声信号判断给出带有较强主观性的损伤判断。

2.2 回弹法［7］

回弹法是利用测定火灾后混凝土的表面硬度来推定剩余强度。回弹值是弹性变性能与弹性能量的比值，目前使用回弹法对火灾后受损构件混凝土损伤的检测主要应用于测定混凝土受火的平均深度。采用回弹修正系数检测火灾后混凝土的抗压强度前首先要将构件表面清洗干净并将烧损层表面打磨平，再进行回弹。

回弹法局限性在于其反应深度不超过 30 mm 的表面硬度。同时在火灾后，构件表面混凝土会出现剥落现象，因此火灾后利用回弹法测量混凝土损伤也会产生一定的误差。

2.3 取芯法［8］

取芯法是在构件上直接钻取混凝土圆柱形样芯进行抗压强度试验，通过试验测得的抗压强度推定混凝土抗压强度来评估损伤程度，鉴定损伤等级。在取芯时需考虑到取芯对火灾后结构构件的影响，可适当考虑先做简易加固措施再进行取样，同时也要确保取得的样芯具有质量代表性。取芯前应通过钢筋位置探测器探测出构件中钢筋位置，以确保在取芯过程中避开钢筋。

取芯法的优点在于直观、准确、代表性强，也是火灾后对构件进行损伤检测必须要有的破损检测方式。火灾后受损构件的无损检测都或多或少地存在着各种误差和不精确性，因此取芯法检测火灾后构件损伤既是损伤检测的基础，也是对无损检测结果的一种好的验证和补充。

取芯法的缺点在于火灾后的结构安全性已经存在很大问题，在此基础上再进行取芯作业可能会造成二次伤害，因此对火灾后的构件采用取芯法检测混凝土损伤程度，位置选取尤为重要。既要保证所取样芯具有代表性，同时还要保证取芯后结构的安全。

3 节点钢筋及钢筋与混凝土间粘结力的损伤检测方法

目前在实际工程应用中对火灾后构件中钢筋的损伤情况检测常用的有两种方法［9］。一种是在火灾后截取节点区域部分钢筋在实验室条件下通过相关力学试验确定钢筋的残余强度，另一种是通过利用所推定的节点受火温度值对应相关曲线查询。第一种方法可以较为准确地测出节点区域钢筋的剩余强度值，第二种方法，由于节点受火温度值的推定存在较大误差，因此以此计算出的钢筋剩余强度值并不精确。火灾后，计算节点钢筋的剩余强度意义重大，是作为火灾后期加固的重要参考数据之一，因此，采用第二种方法应选择合理的节点钢筋。一般情况下会选择节点严重受损部位，例如通过模拟发现，大多数情况下都是由于预制柱破坏导致节点破坏，以及选择由于混凝土爆裂或保护层剥落导致暴露在外直接受火的钢筋，这样所测得的钢筋剩余强度结果更具代表性。在火灾后从节点区域截取钢筋进行相关力学试验必然也会对构件承载力造成影响，因此，在截取前还应做好必要的临时支撑或加固措施。

根据文献［10］可知，火灾后钢筋与混凝土之间粘结力的变化与受火温度、钢筋保护层厚度、钢筋等级、混凝土损伤程度等因素有关。关于钢筋与混凝土粘结力的损伤检测一般采用的方法为声发射技术，检测步骤如图 2 所示。

图2 声发射检测步骤

该技术主要是利用火灾后包裹钢筋的混凝土发生了一系列的物理化学变化从而能够使得声波发射机发射出的声发射信号在穿过不同界面时反射回不同的声反馈，通过信号处理对节点内部的损伤位置和严重性程度做出评估。在火灾后，节点内部的主要声反射源是由于混凝土水分蒸发导致混凝土变得疏松，以及裂缝的形成和扩展导致钢筋和混凝土之间粘结力下降，同时，钢筋与混凝土间的粘结滑移也会形成声反射源。因此，以节点内部在火灾后形成的缺陷作为声反射源，通过相关信号处理来检测节点内部的损伤情况。在本文中，对这种检测方法的分析侧重点在于检测火灾后钢筋与混凝土间粘结力的损伤。

4 节点损伤综合检测方法

通过前文所述各类火灾后节点损伤检测的各类方法以及火灾后节点损伤评估鉴定评级，本文提出了火灾后节点损伤检测及评估综合检测方法，如图 3 所示。

图3 节点损伤综合检测方法

5 结语

本文探讨了目前实际工程应用中针对火灾后结构构件各方面损伤的一系列损伤检测方法，火灾后节点损伤的检测方法应包括节点受火温度的推定、混凝土损伤检测、钢筋损伤检测等方面，每个方面不同的检测方法都有一定的适用性和局限性，因此，在实际工程应用中，宜采用多种方法结合的综合手段来进行相关方面的检测，从而保证检测结果的精确性，也为节点损伤评估奠定坚实基础。Q