CN101673319B - 火灾后钢结构建筑的评定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑结构在特定条件下的一种评定方法，特别是涉及建筑结构在受火灾后的一种评定方法。火灾后钢结构建筑的评定方法，其特征在于，所述方法包括以下主要工作程序：①现场调查确定检测方案、②检测试验、③数据处理结构分析、④可靠性评定检测与鉴定结论、⑤结论和处理建议。本发明的结合钢结构构件受火后材质和整体稳定性发生变化的特点，建立和提供了一种科学、客观的火灾后钢结构建筑的检测及评定方法，为灾后建筑结构构件的承载能力评估、结构加固和对建筑物使用的安全性提供依据。

Description

火灾后钢结构建筑的评定方法

(一)技术领域

本发明属于建筑结构在特定条件下的一种评定方法，特别是涉及建筑结构在受火灾后的一种评定方法。

(二)背景技术

据联合国“世界火灾统计中心”报道，全世界每天发生火灾1万多起，火灾死亡人数数百人。在我国，每年发生火灾约4万起，死2000多人，伤3000—4000人，上百栋房屋因为火灾受损甚至坍塌，每年火灾造成的直接财产损失达10多亿元，几十人、几百人死亡的特大恶性火灾也时有发生，给国家和人民的生命财产造成巨大损失。建筑物遭受火灾后，结构及构件将受到不同程度的损伤或破坏，有时甚至会引起整个结构的失效或倒塌破坏。建筑结构在火灾后可否继续使用，救援人员在灾后进入受灾现场进行救援工作是否安全，均取决于灾后受损伤建筑结构的受力性能和结构的承载安全性，因而，灾后结构及构件的损伤检测与评定方法以及受损伤结构或构件承载能力的评估方法研究，是现代国家防灾救灾战略中的重要内容之一。

尽管目前已有多种钢结构构件受损伤后的检测方法以及灾后结构构件损伤的检测工程实例，且现有相关规范标准只是对既有钢结构建筑的检测及鉴定做一个笼统地说明，但钢结构建筑受火灾高温后，其损伤情况有特殊性，受损伤结构系统的检测分析与承载能力评定方法的综合研究在国内外尚属空白。因此，急需提供一种评定方法以便科学、经济地采取对策。

(三)发明内容

本发明的目的是结合钢结构构件受火后材质和整体稳定性发生变化的特点，建立一种科学、客观的火灾后钢结构建筑的检测及评定方法，为灾后建筑结构构件的承载能力评估、结构加固和对建筑物使用的安全性提供理论依据。

本发明的目的由以下技术方案来实现。

火灾后钢结构建筑的评定方法，其特征在于，所述方法包括以下主要工作程序：

①现场调查确定检测方案程序、②检测试验程序、③数据处理结构分析程序、④可靠性评定检测与鉴定结论程序和⑤结论和处理建议程序。

所述现场调查确定检测方案程序为：

a)查阅火灾报告，了解火灾的起因、部位、燃烧过程和时间、灭火方法及手段，确定受灾范围；

b)调查火荷载、建筑物通风条件，查找温度判定证据，初步推断温度分布；

c)查阅原设计图、施工验收记录、结构使用资料及其他相关文件，并与实际结构状况核对，确定结构损伤状况和破坏特征，划分损伤等级，并判断构件损伤及危险程度；

d)制定勘查检测方案，查阅并研究相关文件，针对每个受火建筑物的结构形式制定出能够查找出建筑在受火后损伤部位及程度的勘查检测方案；

e)查阅火灾扑救和火灾调查报告，通过火场残留物、结构外观特征，判断火场温度和作用范围；

f)调查确定火荷载、通风条件温度场计算所需要的参数和边界条件，进行火场温度分析计算，绘制火灾过程温度曲线及最高温度分布图。

所述检测试验程序为：

a)对火灾后结构整体和构件进行检查与检测，包括钢结构构件防火保护层及其表面颜色、结构变形、节点连接损伤，绘制损伤分布图；

b)对受火构件进行结构材料金相检验、化学成分检验和力学性能检验；

c)采用几何测量方法测量、无损探伤检测方法检测火灾后钢构件的变形损伤；

d)根据火荷载密度、可燃物特性、受火空间封墙的热传导特性、通风条件及灭火过程，按燃烧规律推断和采用火灾模拟软件进行数值模拟确定火场温度过程；

e)根据结构表观状况、火场残留物状况及可燃物特性、通风条件、火灾扑救过程综合分析推断火灾对结构的作用温度、持续时间及分布范围，对于重要烧损结构根据结构材料微观分析结果推断；根据火场残留物熔化、变形、燃烧、烧损程度推断构件表面曾经达到的温度及作用范围；

f)根据火场温度过程、钢构件防火保护程度及防火保护材料特性按热传导理论和数值方法推断火灾后钢构件内部截面曾经达到的温度；

g)通过现场取样试验或同种钢材加温冷却试验确定受火构件材料性能检验。

所述数据处理结构分析程序为：

a)结构火灾反应分析包括火灾过程中的结构反应分析和火灾后的结构反应分析；根据火作用时钢结构上实际荷载的组合进行火灾过程中的结构分析，根据火灾后的钢结构材料力学性能、连接状态、结构几何形状变化和构件的变形和损伤进行火灾后的结构分析；

b)应用钢结构火灾性能的数值模拟模型进行结构承载能力计算，其中建模型计算根据结构受火后现状。

所述可靠性评定检测与鉴定程序结论为：

根据火灾后钢结构构件各项检测结果、裂纹缺陷、金相检测结果，提出对构件需做专项整治和/或技术处理和/或继续使用意见。

所述结论及建议程序为：

根据检测评估结果，结合工程的实际情况，提出：严重影响建议拆除更换；基本无影响建议加固补强处理；和变形未超出允许值，探伤未发现裂纹缺陷痕迹，金相未见异常现象，可继续使用的结论及处理建议。

本发明的优越性和有益效果，本发明的结合钢结构构件受火后材质和整体稳定性发生变化的特点，建立和提供了一种科学、客观全面的火灾后钢结构建筑的检测及评定方法，为灾后建筑结构构件的承载能力评估、结构加固和对建筑物使用的安全性提供理论依据。

经多项实施例的评估，对受灾的钢结构建筑采取不同的处理对策，既避免了建筑物简单报废的损失，又针对性地节约了维护维修费用，还可避免盲目利用造成的安全事故，经济价值和社会效益明显。

(四)附图说明

图1为本发明火灾后钢结构建筑的评定方法一实施例106米平台受火钢构件示意图；

图2为106米平台受火钢构件示意图；

图3为94米——106米平台受火钢构件示意图；

图4为高温下材料强度的退化曲线；

图5为19层94.5米19L-6梁腹板缺陷图。

(五)具体实施方法

下面结合附图进一步说明本发明技术方案。实施例为某炼铁塔20层框架钢结构火灾后的检测和鉴定。

某炼铁塔属20层框架钢结构形式，该工程设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g。该塔框架钢结构采用Q345C、Q345B和Q235B型钢材。

本工程螺栓均为高强度螺栓，连接摩擦面采用喷砂法处理，安装时采用了钢丝刷清除浮锈。所有构件均等强度拼接，钢构件均采用喷砂或抛丸除锈处理，所有钢板正火供货并经超声波检验，达到2级标准。所有焊透的对接焊缝符合二级焊缝的要求，且工厂接料对接焊缝符合一级焊缝的要求，角焊缝符合三级焊缝的要求。

构件表面对防火涂料无设计要求，底漆采用C53-31红丹醇酸防锈漆，二遍50～60μm；中间漆采用C53-34云铁醇酸防锈漆，一遍25～30μm；面漆采用C04-42醇酸磁漆，三遍65～80μm。面漆色彩采用烛光兰。为了防止安装过程中蚀锈，箱行柱内部只刷了底漆，所有构件未涂防火涂料。

①现场调查确定检测方案程序

火灾现场调查纪录

据现场人员反映本次火灾发生于2007年某月某日上午9点左右，随后立即报警，于上午约10点30分由消防队扑救熄火，当日天气为晴转多云，东北风4～5级，垂直皮带运输机及相关设备已完全烧毁，由于火势未向周边彻底蔓延，故框架结构受火严重区域位于结构塔西南角的94.5m平台至106m框架结构部分。

该工程垂直皮带运输机外壳变形严重，表面凹凸不平，油漆在火灾中基本烧失，部分离火源较远地方略留有油漆。检测区域以外围栏表面受损稍严重，靠近火源处梁、柱等钢构件表面被烟熏黑，严重部位油漆脱落。90m平台垂直皮带运输机皮带被完全烧毁，垂直皮带运输机外壳被拉断。90m平台柱、支撑及节点表面熏黑并起泡。94.5m平台底部主梁、次梁经肉眼观察烧损严重，部分主梁颜色烧至呈褐白色。经外观观察94米至106米框架梁柱损伤严重，多处烧至呈褐白色。

检测范围

本次检测区域为竖向轴线71.5～85.0、横向轴线C/100.0～C/109.5、标高为+90～+106米之间钢结构部分，主要检测两层平台烧伤严重(颜色烧至白色)的柱、主梁、与悬挑梁柱连接的斜撑(构件编号见图1、图2、图3，其中20L-1、20L-2表示90m平台至106m框架结构部分间柱，20V-1、20V-2表示94.5m平台处斜拉悬挑平台的2根支撑，19V-1、19V-2、19V-3、19V-4表示位于90.5m平台处的柱间4个支撑)。

有条件时进行火场温度分析计算，绘制火灾过程温度曲线及最高温度分布图。

②检测试验程序

受火区域钢结构构件防火保护措施检测

由于该工程钢结构构件皆无防火涂料要求，故现场主要通过目测受火区域钢结构构件表面油漆受火后脱落情况及颜色变化来判定钢结构构件受火时间及最高受火温度。

受火区域钢结构构件变形检测

对钢结构柱进行倾斜和变形测量，对钢结构梁进行挠度和变形测量，测量方法均采用无棱镜反射全站仪进行测量，检测项目主要以挠度为主。

受火钢结构试件表面探伤

采用着色或磁粉探伤方法，对损伤严重(颜色烧至白色)的钢构件进行全面表面探伤，包括角焊缝和母材，对损伤较严重(颜色烧至黑色)的钢构件进行焊缝表面探伤。

受火区域钢材、焊缝金相分析

采用复膜的方法对钢材、焊缝进行金相分析；对损伤严重(颜色烧至白色)的钢构件进行母材和焊缝进行金相分析，每个钢构件焊缝设置两个检测点、母材一米设置一个检测点、硬度测试为以上每个测点测五个硬度测试点；对损伤较严重(颜色烧至黑色)的钢构件进行焊缝金相分析和硬度测试，焊缝测试点与以上构件焊缝布置相同。对斜撑螺栓进行全面金相分析和硬度测试。必要时可用模拟燃烧试验确定。

③数据处理结构分析程序

受火严重钢构件温度场确定

由于目前没有有效方法对钢构件受火后截面温度场进行确定，所以现场对钢构件表面经行了察看，根据构件表面油漆受火后脱落情况及颜色变化来判定钢结构构件受火时间及最高受火温度。根据有关试验资料，普通钢在全负荷的情况下失去静态平衡稳定性的临界温度为540℃左右。一般在(300～400)℃时，其强度开始下降；到600℃左右，其钢材的力学性能，诸如屈服点、抗压强度、弹性模量以及荷载能力等都迅速下降，低于建筑结构所要求的屈服强度，也就是低于建筑结构的承载许用应力。

在短期高温(比如火灾)下，建筑中常用的普通钢材的屈服强度，在200℃以内可近似认为不变，550℃时约为其常温时的40％；预应力筋用高强钢材条件屈服强度随温度升高将逐渐降低，到400℃时约为其常温时的40％，如图4所示。普通钢材所经历的温度在600℃以下力学性能基本恢复；预应力筋用高强钢材所经历的温度在400℃以下时，高温后内力学性能大多可以恢复，经历600℃高温后强度可以恢复至受损前的60％左右。

查看钢构件表面及温度场分析结果见表1。

表1

序号号	构件类型及构件号	构件表面油漆颜色	受火温度	受火时间(大约)
					1	主梁19L—1	褐白色	<500℃	30分钟
2	次梁19L—2	褐白色	<500℃	30分钟
					3	次梁19L—3	褐白色	<500℃	30分钟
4	次梁19L—4	褐白色	<500℃	30分钟
					5	次梁19L—5	褐白色	<500℃	30分钟

6	主梁19L—6	褐白色	<500℃	30分钟
					7	主梁19L—7	褐白色	<500℃	30分钟
8	主梁19L—8	褐白色	<500℃	30分钟
					9	主梁19L—9	褐白色	<500℃	30分钟
10	次梁19L—10	褐白色	<500℃	30分钟
					11	次梁19L—11	褐白色	<500℃	30分钟
12	斜拉20V-1	褐白色	<500℃	30分钟
					13	斜拉20V-2	褐白色	<500℃	30分钟
14	主梁20L-1	褐白色+浅褐色	<400℃	20分钟
					15	主梁20L-2	褐白色+浅褐色	<400℃	20分钟
16	主梁20L-3	褐白色+浅褐色	<400℃	20分钟
					17	主梁20L-4	浅褐色	<300℃	15分钟
18	主梁20L-5	浅褐色	<300℃	15分钟
					19	柱20Z-1	烟黑色+浅褐色	200℃～300℃	20分钟
20	柱20Z-2	烟黑色+浅褐色	200℃～300℃	20分钟
					21	斜拉19V-1	烟黑色	200℃	10分钟
22	斜拉19V-2	烟黑色	200℃	10分钟
					23	斜拉19V-3	烟黑色	200℃	10分钟
24	斜拉19V-4	烟黑色	200℃	10分钟

说明：钢构件过火后表面呈4种色泽，分别为油漆色、烟黑色、浅褐色、褐白色，根据灾后试验经验，油漆色温度一般未受高温影响，基本未过火，钢构件强度不受任何影响；烟黑色一般过火程度较轻，可认为是烟熏痕迹；浅褐色比褐白色烧伤程度轻，比烟黑色烧伤程度重，其强度开始略有下降，但不影响承载能力及使用功能；褐白色为受火程度最重，在非破损检测的情况下，其钢材的使用功能是否受影响还需进行探伤、金相、变形等进一步检测鉴定。

在本次重点检测的钢结构构件里，94m平台所检测构件均基本为褐白色，106m框架结构部分20L-1、20L-2、20L-3梁靠近西南侧部分为褐白色，其余基本为浅褐色，柱20Z-1为烟黑色。

受火严重钢构件尺寸复核

现场对钢构件截面尺寸进行了复核(钢卷尺型号3m)，现场检测结果表明：检测区域内各梁柱均无明显屈曲变形情况，梁、柱构件尺寸偏差值—8mm～+2mm，也基本在《钢结构工程施工质量验收规范》规定的尺寸允许范围内。

钢结构挠度检测及分析

检测人员使用徕卡TCR1202R300高精度全站仪对检测区域梁柱等构件进行了挠度检测，检测结果见表2：

挠度检测结果表                                        表2

序号号

构件号

实测最大挠度值(mm)

I级挠度允许值(mm)

II级挠度允许值(mm)

III级挠度允许值(mm)

变形评级

备注

1

梁19L-1

8

<23.75

23.75～47.5

>47.5

|

为非损伤性变形，功能无影响

2

梁19L-2

21

<17.6

17.6～35.2

>35.2

||

一侧变形较小，但另一侧受火变形较大，受到19L-9梁的约束作用，产生较大形变功能有影响

3

梁19L-3

22

<17.6

17.6～35.2

>35.2

||

功能有影响

4

梁19L-4

7

<12

12～24

>24

|

功能无影响

5

梁19L-5

12

<12

12～24

>24

||

功能无影响

6

梁19L-6

7

<13.75

13.75～27.5

>27.5

|

功能无影响

7

梁19L-7

5

<13.75

13.75～27.5

>27.5

|

功能无影响

8

梁19L-10

16

<11.75

11.75～23.5

>23.5

||

功能有影响

9

梁20L-2

11

<20

20～40

>40

|

功能无影响

10

梁20L-3

12

<30

30～60

>60

|

功能无影响

11

梁20L-4

7

<19.5

19.5～39

>39

|

功能无影响

12

梁20L-5

7

<19.5

19.5～39

>39

|

功能无影响

13

柱20Z-1

10

<26.5

26.5～53

>53

|

功能无影响

说明：其中主梁挠度最大允许值为lo/400，lo为计算跨度，次梁挠度最大允许值为lo/250，柱挠度最大允许值为为H/1000，H为柱总高。

现场检测结果表明，受火较严重的区域为横向轴线C/109.5～C/100，其中，梁19L-2、19L-3、19L-10、19L-11变形较大，超出所规定的尺寸允许范围。

受火严重钢构件探伤检测及分析

钢结构受火严重部位经砂轮打磨、DPT-8渗透、清洗、显象处理后，对该工程第19层(94.5m)、第20层(106m)框架结构部分钢梁母材及焊缝表面进行PT检测，结果在第19层(94.5m)平台19L-6钢梁腹板上发现8处裂纹缺陷痕迹显示，检测示意如图5。

依据JB/T6062-92《钢结构焊缝渗透检验方法》标准评定，19L-6钢梁不合格。

受火严重钢构件金相分析

现场分别对94.5米平台和106米平台钢结构进行现场复膜金相检验，检验结果如下：

对94.5米平台钢构件检测

(1)19L-1上共取7处母材(编号为19L-1-1~8)和一处焊缝(编号19L-1-5)，母材组织均为铁素体+珠光体，晶粒度约为8级。焊缝处母材显微组织为铁素体+珠光体，相变重结晶区为细铁素体+珠光体，过热区为粗大的针状铁素体(魏氏组织)+索氏体，熔合区附近金属晶粒十分粗大，组织不均匀，主要是魏氏组织+索氏体。焊缝显微组织主要是粗大的铁素体+粒状贝氏体。未见异常组织。19L—7、19L—8、19L—9取样部位均为母材，组织均为铁素体+珠光体，晶粒度约为8级，未见异常组织。

(2)19L—6腹板母材上发现裂纹，裂纹较宽，较难辨别裂纹性质，裂纹处母材已脱碳，组织晶粒粗大，附近部位母材珠光体严重球化。

(3)19L—2、19L—3、19L—4母材组织中珠光体存在球化现象。

对106米框架钢构件检测

(1)20Z-1共取两处母材(20Z-1—1、20Z-1—2)和一处焊缝(20Z-3)，母材组织为铁素体+珠光体，晶粒度为8级。焊缝处母材组织为铁素体+珠光体，焊缝组织为网状铁素体+索氏体，未见异常。

(2)20L-1~5共5根梁取样部位均在母材上，检验后发现组织均正常，未见有过热和烧损现象。

从本次金相检验结果来看，在94.5米平台上，除了19L-6和中间的小梁(19L-2~5)存在问题外，其他部位组织均正常。106米框架结构部分，柱子和五根梁组织均正常。

(3)各处硬度值均在正常范围内。

④可靠性评定检测与鉴定结论程序

火灾后钢构件可靠性评定表3

说明：综合评价中I级为构件正常、没有降低构件的承载能力和耐火性的缺陷和损伤；II级为合格，没有明显降低构件承载能力的缺陷和损伤，但可能引起耐久性的降低；III级为不合格，已产生严重影响构件承载能力和耐久性的缺陷和损伤。

⑤结论及处理建议程序

结论

根据本次火灾后钢结构构件各项检测结果发现，梁19L-2、19L-3、19L-10、19L-11变形较大，在第19层(94.5m)平台19L-6钢梁腹板上发现8处裂纹缺陷，在94.5米平台上，除了19L-6和中间的次梁(19L-2、19L-3、19L-4、19L-5)金相检测结果存在问题外，其他部位组织均正常。经分析评估，对以上受火灾影响较严重的部分构件需做专项整治和技术处理，其它损伤较轻微的构件，可继续使用。

处理建议

根据检测评估结果，结合工程的实际情况，处理措施建议如下：

(1)19L-6主梁经探伤发现，梁腹板上有8处裂纹缺陷痕迹，评定等级为IV级，金相结构也已超标，其承载能力和耐久性已产生严重影响，建议拆除更换。

(2)次梁19L-2、19L-3、19L-4、19L-5变形较大，且金相检验结果也超标，建议进行拆除更换。

(3)次梁19L-10、19L-11变形较大，但其它各项检测结果均符合国家标准要求，其承载能力基本无影响，但可能引起耐久性降低，故建议加固补强处理。

(4)梁19L-1、19L-7、19L-8、19L-9、20L-1、20L-2、20L-3、20L-4、20L-5、柱20Z-1、20Z-2、斜撑20V-1、20V-2、19V-1、19V-2、19V-3、19V-4变形未超出国家规范的允许值，探伤未发现裂纹缺陷痕迹，金相未见异常现象，可继续使用。

本发明的结合钢结构构件受火后材质和整体稳定性发生变化的特点，建立和提供了一种科学、客观的火灾后钢结构建筑的检测及评定方法，为灾后建筑结构构件的承载能力评估、结构加固和对建筑物使用的安全性提供理论依据。

经多项实施例的评估，对受灾的钢结构建筑采取不同的处理对策，既避免了建筑物简单报废的损失，又针对性地节约了维护维修费用，还可避免盲目利用造成的安全事故，经济价值和社会效益明显。

Claims (1)

1.火灾后钢结构建筑的评定方法，其特征在于，所述方法包括以下主要工作程序：

①现场调查确定检测方案程序、②检测试验程序、③数据处理结构分析程序、④可靠性评定检测与鉴定结论程序和⑤结论和处理建议程序；

所述现场调查确定检测方案程序为：

a)查阅火灾报告，了解火灾的起因、部位、燃烧过程和时间、灭火方法及手段，确定受灾范围；

b)调查火荷载、建筑物通风条件，查找温度判定证据，初步推断温度分布；

c)查阅原设计图、施工验收记录、结构使用资料及其他相关文件，并与实际结构状况核对，确定结构损伤状况和破坏特征，划分损伤等级，并判断构件损伤及危险程度；

d)制定勘查检测方案，查阅并研究相关文件，针对每个受火建筑物的结构形式制定出能够查找出建筑在受火后损伤部位及程度的勘查检测方案；

e)查阅火灾扑救和火灾调查报告，通过火场残留物、结构外观特征，判断火场温度和作用范围；

f)调查确定火荷载、通风条件温度场计算所需要的参数和边界条件，进行火场温度分析计算，绘制火灾过程温度曲线及最高温度分布图；

所述检测试验程序为：

a)对火灾后结构整体和构件进行检查与检测，包括钢结构构件防火保护层及其表面颜色、结构变形、节点连接损伤，绘制损伤分布图；

b)对受火构件进行结构材料金相检验、化学成分检验和力学性能检验；

c)采用几何测量方法测量火灾后钢构件的变形损伤，采用无损探伤检测方法检测火灾后钢构件的变形损伤；

d)根据火荷载密度、可燃物特性、受火空间封墙的热传导特性、通风条件及灭火过程，通过采用燃烧规律推断和火灾模拟软件进行数值模拟的方式来确定火场温度过程；

e)根据结构表观状况、火场残留物状况及可燃物特性、通风条件、火灾扑救过程综合分析推断火灾对结构的作用温度、持续时间及分布范围，对于重要烧损结构根据结构材料微观分析结果推断；根据火场残留物熔化、变形、燃烧、烧损程度推断构件表面曾经达到的温度及作用范围；

f)根据火场温度过程、钢构件防火保护程度及防火保护材料特性按热传导理论和数值方法推断火灾后钢构件内部截面曾经达到的温度；

g)通过现场取样试验或同种钢材加温冷却试验确定受火构件材料性能检验；

所述数据处理结构分析程序为：

a)结构火灾反应分析，包括火灾过程中的结构反应分析和火灾后的结构反应分析；根据火作用时钢结构上实际荷载的组合进行火灾过程中的结构分析，根据火灾后的钢结构材料力学性能、连接状态、结构几何形状变化和构件的变形和损伤进行火灾后的结构分析；

b)应用钢结构火灾性能的数值模拟模型进行结构承载能力计算，其中建模型计算根据结构受火后现状；

所述可靠性评定检测与鉴定结论程序为：

根据火灾后钢结构构件各项检测结果、裂纹缺陷、金相检测结果，提出对构件需做专项整治和/或技术处理和/或继续使用意见；

所述结论和处理建议程序为：

根据检测评估结果，结合工程的实际情况，提出如下结论及处理建议：严重影响建议拆除更换；基本无影响建议加固补强处理；和变形未超出允许值，探伤未发现裂纹缺陷痕迹，金相未见异常现象，可继续使用。

Images