某高层建筑地下室火灾后检测鉴定与加固处理*

员作义，陈力莹，张搏宇，马 昭

(1.陕西省建筑科学研究院有限公司，陕西 西安 710082；2.陕西建科建设特种工程有限公司，陕西 西安 710082)

0 引言

随着经济的飞速发展，高层建筑在城市中迅速增加，火灾作用所产生的不安全因素也随之增加。据统计，我国每年发生火灾约10余万起，死亡2 000多人，伤3 000～4 000人，每年火灾造成的直接财产损失约10亿元。建筑物遭受火灾后，高温会造成结构构件材料性能退化，承载力减弱，严重影响使用安全，因此在火灾后对结构进行检测鉴定，以评估火灾后工程结构的损伤范围、影响程度、安全性能，为火灾后建筑物的安全使用和加固维修改造提供技术支撑显得尤为重要[1]。本文以西安某混凝土高层受火损伤地下室结构为例，对过火区域进行火灾后鉴定评级，并提出相应的加固设计方案，从而解决火灾后因承重构件损伤而造成的结构安全问题。

1 工程概况

某高层住宅为混凝土剪力墙结构，地上11层，地下1层，基础形式为筏板基础。结构设计使用年限为50年，抗震设防类别为丙类，剪力墙抗震等级为二级[2]。该建筑所在地区抗震设防烈度为8度(0.20g)，设计地震分组为第二组。目前该建筑处于施工阶段，上部结构已施工至地上5层。地下1层剪力墙混凝土设计强度等级为C35，梁、板混凝土设计强度等级为C30，梁、板、柱均采用HRB400E级钢筋。本次受火区域为地下1层～/～轴线区域，如图1所示。火灾持续持续时间约为1h，过火区域面积约为280m2。

图1 过火区域

2 检测鉴定结果

2.1 火灾后现场调查及结构损伤调查

2.1.1现场初步调查和火作用调查

经现场调查，2021年3月1日17:20左右，建筑物地下室～/～Ⓕ区域发生火灾，着火区域可燃物相继引燃，火势由～/～Ⓕ区域向南侧蔓延，最终过火区域为～/～轴线范围，火灾于2021年3月1日18:10左右被扑灭。经检查，该起火灾排除人为纵火，排除因天气原因致灾，初步判定为防水单位外墙防水施工过程中火星意外从外墙套管进入引燃而造成此次火灾。过火区域北侧为地下室外混凝土挡墙，东、西两侧为地下室楼梯间，南侧为脚手架围挡，围挡处具备通风条件。过火区域废旧家具、办公桌椅、模板方木、垃圾箱和其他装饰材料等几乎完全烧毁，残留家具、垃圾箱骨架等铝制品有流状物形成。过火区域～/～轴线外部分墙体出现烟熏现象，因地下室楼梯位置存在围挡，火势未上窜至1楼。

可通过现场燃烧物残留骨架(见图2)、火灾现场结构混凝土的损伤程度及标准升温曲线来综合判定火场温度。受火区域的家具、办公桌椅等装饰材料几乎完全烧毁，结构混凝土构件表面混凝土大面积爆裂剥落，混凝土呈灰白色，锤击声发哑，混凝土粉碎、脱落，可初步判定火场温度为800～900℃。目前我国采用较多的标准升温曲线为国际标准组织制定的ISO834标准温度-时间曲线[3]，基本表达式为：

图2 过火区域残留物骨架

T=T0+345lg(8t+1)

(1)

式中：T0为环境温度(℃)，取15℃；t为燃烧时间(min)，本次计算时间为50min。经计算可知，火场区域的火场温度约为913℃，与现场燃烧物残留骨架和结构混凝土损伤程度判定的火场温度基本吻合。

2.1.2火灾后结构损伤调查

经过现场调查，依据T/CECS 252—2019《火灾后工程结构鉴定标准》[4]对过火区域20道剪力墙、柱，19块混凝土板及42道混凝土梁的损伤情况进行详细检测。检测结果表明，过火区域大部分承重构件表面混凝土爆裂剥落，呈灰白色，锤击声发闷，局部混凝土粉碎、脱落，脱落深度达25～70mm；少部分承重构件混凝土局部被烧光，表面存在轻微裂缝，锤击声发闷，混凝土局部脱落，脱落面积<0.25m2，脱落深度约10mm，墙面未发现露筋现象；极少数承重构件表面局部有烟灰，被黑色覆盖，混凝土无爆裂、剥落及开裂现象，锤击声响亮、表面不留痕迹。过火区域部分承重构件损伤情况如图3所示。

图3 过火区域部分承重构件损伤情况

2.2 过火区域建筑、结构平面布置情况检测

经过对该工程过火区域主要轴线尺寸、楼层层高及混凝土构件截面尺寸、钢筋配置进行检测和复核，检测结果与原始结构设计图纸及验收资料相符，施工偏差满足GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》[5]的限值要求。但由于过火区域的承重混凝土构件受火影响较严重，混凝土大面积剥落，部分混凝土构件截面尺寸等结构情况不满足设计要求。

2.3 受火结构构件材料强度检测

2.3.1受火结构构件混凝土强度及碳化深度检测

为了解火灾对不同部位构件混凝土强度的影响程度，本次检测分别采用回弹法和钻芯法。在测试中严格按JGJ/T 23—2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》[6]和CECS 03∶2007《钻芯法检测混凝土强度技术规程》[7]进行试验，其中，分别在严重烧灼、中度烧灼、轻度烧灼、轻微烧灼各区域共钻取28个芯样(每块墙体取2个)。钻芯法、回弹法混凝土抗压强度检测结果分别如表1，2所示。由表1，2可知，过火较严重区域的混凝土强度偏低，墙Ⓕ/～、板～/Ⓕ～混凝土强度不满足设计要求，其他中度烧灼、轻度烧灼、轻微烧区域的混凝土强度受火影响程度较低。

表1 钻芯法混凝土抗压强度检测结果

为了解火灾对不同部位构件混凝土强度和内部钢筋耐久性是否产生影响，需测量混凝土构件的碳化深度，本次检测采用电锤在受检混凝土表面钻取深约50cm的φ15孔洞，清除孔内及周边灰尘碎屑等，在凿开的混凝土表面滴或喷1%酚酞酒精溶液，用碳化深度测量尺检测没有变色的混凝土深度。检测结果表明，过火混凝土构件碳化深度为 23～60mm，过火较严重区域的混凝土构件碳化深度为40～60mm，碳化深度已超过钢筋保护层厚度，对内部钢筋耐久性产生影响，表明火灾已对构件表面混凝土和内部钢筋产生影响，降低其混凝土强度和钢筋的耐久性。

2.3.2受火结构构件钢筋力学性能检测

为了解火灾对钢筋性能的影响，对受火混凝土构件的钢筋进行取样检验，依据构件受火严重程度的不同分散取样，同时不影响结构承载力[8]，分别在严重烧灼、中度烧灼、轻度烧灼、轻微烧灼各区域分散截取HRB400E钢筋，其中，钢筋剪力墙、柱6组，混凝土板5组，混凝土梁4组，其力学性能检验结果如表3所示(每个构件取样2处)。由表3可知，现场截取严重烧灼和中度烧灼区域的剪力墙、混凝土板屈服强度、强屈比及强标比不满足HRB400E钢筋材质力学性能的要求，其余位置处混凝土构件的钢筋材质力学性能均符合设计要求。

表2 回弹法混凝土抗压强度检测结果

表3 受火结构构件钢筋力学性能试验检测结果

2.4 受火结构构件变形情况检测

变形对结构构件产生不利影响，过大的变形会使结构丧失承载能力。现场采用钢卷尺、水准仪、经纬仪等仪器对混凝土梁、板的挠曲变形及剪力墙、柱倾斜变化等进行系统测量，并与相应的允许值或偏差值进行比较，确定结构或构件受火灾影响的变形程度[4]。检测结果表明，除破损混凝土梁、板不具备检测条件外，其余过火区域混凝土构件变形较小，均能满足《火灾后工程结构鉴定标准》[4]挠度限值的要求；具备检测条件的受火剪力墙、柱倾斜值均在Ⅱa～Ⅲ级范围内，着火点区域的剪力墙、柱倾斜值偏大，倾斜值均超过《火灾后工程结构鉴定标准》的倾斜限值(δ/h>0.007)规定[4]。

2.5 受火结构构件初步鉴定评级

根据《火灾后工程结构鉴定标准》第3.2节可知[4]，火灾后结构构件鉴定评级分为初步鉴定评级和详细鉴定评级2步。其中初步鉴定评级分为Ⅰ级(未遭受烧灼作用)、Ⅱa级(轻微烧灼)、Ⅱb级(轻度烧灼)、Ⅲ级(中度烧灼)、Ⅳ级(严重烧灼或破坏)5个等级；详细鉴定评级分为a级(未受到火灾影响且符合国家现行标准安全性要求，安全、可正常使用)、b级(受火灾影响，或略低于国家现行标准安全性要求，不影响安全，可正常使用)、c级(不符合国家现行标准安全性要求，影响安全和正常使用)和d级(极不符合国家现行标准安全性要求，严重影响安全)4个等级。火灾后结构构件初步鉴定及详细鉴定划分平面如图4，5所示。

图4 火灾后结构构件初步鉴定划分平面

图5 火灾后结构构件详细鉴定划分平面

2.5.1受火结构构件初步鉴定评级

1)过火区域共有20道剪力墙、柱，其中评为Ⅱa级共2个，评为Ⅱb级共3个；评为Ⅲ级共5个；评为Ⅳ级共10个。

2)过火区域共有19块混凝土板，其中评为Ⅱa级共1个；评为Ⅱb级共2个；评为Ⅲ级共4个；评为Ⅳ级共12个。

3)过火区域共有42道混凝土梁，其中评为Ⅱa级共11个；评为Ⅱb级共8个；评为Ⅲ级共5个；评为Ⅳ级共18个。

2.5.2受火结构构件详细鉴定评级

1)过火区域共有20道剪力墙、柱，其中评为b级共2个；评为c级共8个；评为d级共10个。

2)过火区域共有19块混凝土板，其中评为b级共3个；评为c级共4个；评为d级共12个。

3)过火区域共有42道混凝土梁，其中评为b级共16个；评为c级共8个；评为d级共18个。

3 检测鉴定结论

根据火灾后结构构件详细鉴定评级结果可知，受火区域结构构件最终评级分别为：剪力墙、柱共有2处评为b级，8处评为c级，10处评为d级；混凝土板共有3处评为b级，4处评为c级，12处评为d级；混凝土梁共有16处评为b级，8处评为c级，18处评为d级，由此可知受火区域大部分结构构件不符合现行国家安全性要求，影响或严重影响结构安全和使用功能，需立即加固、更换或拆除处理以保证结构的承载能力和使用性能。

4 加固设计方案

综合现场情况和检测鉴定评级结果，对本工程过火区域混凝土承重构件进行加固及修复处理[9]，其中对详细鉴定评为b级的混凝土构件采用剔凿原混凝土保护层外抹M型灌浆料修复处理，对详细鉴定评为c，d级的混凝土构件进行置换或局部置换加固处理，最后对置换或修复后的梁、板混凝土构件进行粘贴碳纤维复合材料补强加固处理。

4.1 M型灌浆料修复工程

对详细鉴定评为b级的混凝土构件，在过火区域中遇到的原结构熏黑及损伤或露筋，首先应打磨原结构熏黑区结构构件，直至露出坚硬、牢固的混凝土面层，凿除露筋部位的酥化混凝土，深度≥50mm；对锈蚀钢筋喷涂钢筋除锈剂进行除锈，除锈后若发现钢筋锈蚀严重、截面不足及钢筋断开现象需新增钢筋与原有钢筋进行搭接焊，新增钢筋规格直径同原有钢筋，钢筋搭接长度≥100mm；钢筋工程完工后，用清水冲洗缺陷部位，确保无粉尘、锈渣等，最后采用M型灌浆料修复至原截面(强度等级≥C45)，并进行必要的养护。混凝土构件表面修复示如图6所示。

图6 混凝土构件表面修复

4.2 混凝土置换工程

对详细鉴定评为c，d级的混凝土构件，在保持原有结构截面的前提下，分次、分区域抽条凿除不合格混凝土，用高性能灌浆料(强度等级≥C50，无收缩)进行置换处理。剪力墙置换处理时，每次去除不合格混凝土前，须采取可靠的支撑措施[10]，每次凿除的剪力墙宽度应≤500mm，且不超过墙段的1/5，如图7所示。清除混凝土时，应先沿墙身一侧纵向凿出一条槽，以露出墙内钢筋为宜，其间不得破坏原有钢筋，并凿毛接触面混凝土面，凿除混凝土时，应采用静力法，严禁大锤敲击，混凝土去除后应将扰动移位的钢筋和埋管固定好；安装模板时，采取措施保证模板的刚度和稳定性，根据现场情况留设合理的高性能灌浆料下料槽口，同时应尽可能选用整体型模板以减少漏浆，模板与灌浆料接触面宜涂刷隔离剂[11]；灌浆料浇筑前，应先浇水润湿模板和混凝土接触面，且保证模板内无积水，浇筑灌浆料时，钢筋骨架一旦变形或移位应及时纠正，同时浇筑应连续进行，采取措施保证浇筑的密实性，待一段墙体浇筑完成72h后方可进行相邻墙体混凝土的置换施工。剪力墙置换加固如图8所示，混凝土梁、板置换加固如图9所示。

图7 剪力墙抽条置换顺序

图8 剪力墙置换加固

图9 混凝土梁、板置换加固

4.3 粘贴碳纤维复合材料补强工程

对置换或修复后的混凝土梁、板底部，通过复核原设计结构构件受弯及受剪承载力折算碳纤维复合材料所能提供的抗拉强度进行补强加固处理。先对基层进行处理，保证混凝土表面干净且干燥，可用脱脂棉沾有机溶剂进行擦拭，按比例用滚桶刷或马刷将胶均匀涂抹于混凝土构件表面，厚度≤0.4mm，且不得有漏刷或有流淌、气泡等；待固化后用刮刀嵌刮整平胶料修补填平混凝土表面凹陷处；再按设计尺寸裁剪、粘贴碳纤维布，为保证胶的耐久性和耐火性，可在表面涂抹15mm厚抗裂砂浆进行防护。混凝土梁、板底粘贴碳纤维布加固如图10所示。

图10 混凝土梁、板底粘贴碳纤维布加固

5 结语

通过此次工程实践，火灾后结构构件检测鉴定根据现场结构损伤调查、构件材料强度及结构构件变形等情况，制定合理的鉴定评级标准，对过火区域结构构件进行综合评价，为后续加固及修复处理提供设计依据，为以后类似工程可能出现的结构安全性问题奠定了实践基础。

1)通过对现场燃烧物残留骨架、火灾现场结构混凝土损伤程度及标准升温曲线等多方面进行综合分析，推定燃烧现场的过火温度；在考虑结构构件损伤程度、材料强度损失及结构构件变形程度等进行初步鉴定评级和详细鉴定评级，综合评价目前状态下过火区域结构构件的安全性能。

2)考虑火灾后结构构件的鉴定评级结果，按不同鉴定级别对混凝土承重构件采用M型灌浆料修复或置换混凝土等手段进行加固及修复处理，可有效保证过火区域结构构件的安全性和正常使用功能，同时为后续火灾后建筑物检测鉴定及加固维修提供一定借鉴意义。