已有建筑物受火灾后的特性及抗力鉴定及对策

1、 已有建筑物受火灾后的特性及其已有建筑物受火灾后的特性及其抗力鉴定和对策抗力鉴定和对策 一、概述 二、火灾随时间的演化过程 三、 Tei - Ti曲线及特征量的确定 四、火灾对材料特性的影响 五、火灾对结构物的影响 六、受火灾程度的鉴定方法 七、修补方法 已有建筑物受火灾后的特性及抗力鉴定及对策已有建筑物受火灾后的特性及抗力鉴定及对策 一、概述 1学习目的：培养博士生具有坚实宽广的理论基础与系统深入的专门知识，培养认识火灾和解决火灾问题的能力。 博士生有流体和固体，但都需学习，目的是：1）达到博大精深 ；2）都可能遇到；3）损失严重， 80年统计美国62.5亿美元，英国4.69亿英镑；93年中

2、国11.2亿元；94年阜新、克拉玛依、夏宫；97年大连；2001年美国9.11。 2学习内容： 认识火灾问题： 1）火灾随时间演化的过程；确定火灾温度； 2）各种建筑材料受到火灾后的特性； 3）各种结构受到火灾后的特性。 解决火灾问题： 1）建筑的受害程度的鉴定方法和评价； 2）建筑物受火灾后的加固补强措施。参考文献：建筑工程事故处理与预防；已有建筑物的抗力鉴定及对策；建筑防火设计；混凝土结构：修补，防水与防护 二、火灾随时间的演化过程 1不同结构抗火灾的能力： 1）木结构和一般钢结构：抗火灾的能力相当小，一旦遭到火灾，如在初期阶段消防灭火不是相当迅速，建筑物就有可能完全被烧光或倒塌。火灾持续

3、的时间很短。(见照片) 2）钢筋混凝土类结构：属于耐火结构，抗火灾的能力相当高，即使遇到了火灾，建筑物在短时间内也不会燃烧，而且受热后变形较小。火灾后虽然墙壁和天棚的混凝土被熏黑并发生变色，结构局部也被烧伤，但整个建筑物几乎还是处于火灾前的样子。但根据火灾持续的时间和火灾的规模及灾情的不同，也就是火灾温度的不同，建筑物会受到不同程度的损坏。 2火灾随时间演化的过程，可用时间Ti与火灾温度Tei的关系曲线来描 述。 1）对于混凝土或钢筋混凝土一类耐火结构：火灾时间Ti与火灾温度Tei的关系曲线可分为三个阶段三个时期，成长期、旺盛期、衰减期，如图1。 成长期：在某一空间的可燃性物质中着小火时，首先

4、消耗室内的氧气，进而产生烟和燃烧气体，使燃烧范围扩大，这个阶段称为火灾的成长期。室内温度逐渐上升，可见烟。 旺盛期：随着燃烧范围的扩大，室内温度慢慢上升的同时，因窗玻璃的破损和门户的开放使空气大量流入，加之停留在天棚上面的可燃气体着火，于是火灾温度急剧上升。同时没有燃烧的室内可燃物也开始燃烧，使火焰和黑烟从开口处喷出，这个时期称作火灾的旺盛期，温度达到10000C，可见火光。 0153045607505001000Y Axis TitleX Axis Title B成长期旺盛期衰减期火灾温度()时间(分)旺火图1.耐火结构建筑物火灾的时间-温度曲线eiT 衰减期：火灾温度随着时间的增长而逐渐增

5、加，直到室内可燃物全部烧尽为止，即经过最高温度所示的旺盛期后火灾温度慢慢下降，这个阶段称作火灾的衰减期。可见余烟。 2）对于木结构建筑：因为墙壁和天棚都由可燃性材料构成，缝隙也多，火苗会自然地不断扩大，向天棚、屋顶发展，所以这类结构的火灾时间Ti与火灾温度Tei的关系与耐火结构不同，着火约10分钟后就达到旺盛期，且旺盛期很短，很快进入衰减期，如图2。 01530456005001000Y Axis TitleX Axis Title B火灾温度()时间（分）灭火图2.木结构房屋火灾的时间-温度曲线 三、Tei- Ti曲线及特征量的确定： 上述燃烧过程中，Tei- Ti关系线如何确定，特别是Te

6、i- Ti关系曲线上的特征量的确定。其中我们最关心的是火灾的燃烧时间Ti和对应Ti的火灾温度Tei，以便根据火灾持续时间和温度决定火灾对建筑材料和结构的影响，来确定建筑材料和建筑结构的受损程度及补强措施，所以下面介绍这两个特征量的确定方法： 火灾的燃烧时间Ti可按下式计算： （1） 式中W为室内可燃物重量（kg）;R为燃烧速度，日本川越博士多次进行了实际建筑物及其模型的火灾试验，建议了一个被世界各国所应用的公式： （2） A为窗口或门的开口面积（m2），H为开口处的高度（m）。由（1），（2）式可见，可燃物的数量越多，房屋的开口处又小又低，则火灾的持续时间越长。R的单位为kg/min 火灾的温

7、度与时间关系是非线性的，所以为了求对应某一燃烧时间Ti+1的温度Tei+1，需用迭加法，由前一时刻Ti时的温度Tei加上时间增量ti这一微小时段的温度升高量，可得Ti+1时刻的火灾温度Tei+1为： （3） RWTimin/)0 . 65 . 5(KgHAR pLBwieieiVCQQQqRtTT)(1 式中Tei+1为当前的火灾温度（0C），即为时间Ti经过增量时间ti后的火灾温度；Tei为时间Ti时的火灾温度（0C）；q为可燃物质的发热量（百万卡/ kg），如木材q=百万卡/kg，可查表求；Qw为壁的吸热量（卡）；QB为由开口处向外面的幅射热（卡）；QL为喷出火燃带走的热量（卡）；V为火灾

8、房间的容积（m3）；Cp为气体比热（卡/标准立方米.度）。 式（3）是怎样得来的呢？是根据热平衡条件得出。热平衡方程为（图3）： (4) 式中QH为单位时间内在火灾室内的总发热量，QH=qR=（百万卡/kg.）(kg/min)=（百万卡/min），QR为提高空气温度的热量（卡）（指提高室内温度的热量）。RLBWHQQQQQ图图3.3.室内火灾的热平衡图室内火灾的热平衡图 QW QB QL QHQR =卡min（5） 将QH，QR 的表达式代入热平衡方程式（4），就得（3）式。由式（3），利用计算机逐次计算，就能求出火灾的温度Tei+1，当然计算较繁，也可作成图表查。 如果想知道楼板、墙壁等内部

9、的火灾温度时，可按图4的计算程序框图，用计算机逐项进行计算。由此可见，如果建筑物的可燃物质数量能够预测，且有了Ti Tei模型，那么火灾的持续时间和火灾温度就能概略地推定出来。但建筑物内的可燃物质为多种，如木材、纸、布、塑料等，计算时一般采用把在实际火灾区内存在的可燃物质折算成同等发热量的等价木材重量，称为该物质的可燃物数量。可燃物数量表示为： (6) 式中q为可燃物数量（kg/m2）；qi为第i种可燃物的单位发热量（卡/kg）；wi为第i种可燃物的重量（kg）；qw为木材的单位发热量（卡/kg）；A为火灾区的面积（m2） 现代建筑物内的可燃物数量到底有多少，最近由于内装修向不燃化发展，在耐火

10、建筑物中，天棚和墙壁很少采用可燃性材料，关于室内可燃物量有标准规程，日本、捷克等（可燃物量kg/m2，发热量qi均可查表）。 min/)./(/ )(00331CCm卡mtTTVCQieieiPRAqwqqwii.).(图图4.4.火灾时间火灾时间- -温度曲线计算程序温度曲线计算程序墙体任一点的温度Tcj 式中：Tcj计算点受热温度()； Ti室内空气温度(); Te室外空气温度(); Rtot抹面层、隔热层、砖、钢筋混凝土等总热阻(m2 K/W)； Ri第i层热阻(m2 K/W)。平壁法： 式中:Rin内表面的热阻(m2 K/W)； 1抹面层的导热系数W/(m K); n第n层的导热系数W

11、/(m K); t1 抹面层厚度(m)； tn 第n层的厚度(m)； in内表面传热系数W/(m2 K)； ex外表面传热系数W/(m2 K)； Rex外表面的热阻(m2 K/W)。jiitoteiicjRRTTTT01212121211,totinnexninnexinnexRRRRRRtttRRRRRTiTet1t2t3t4内外TiT0TeT1T2T3T4当r2/r11.1时，可采用平壁法，当r2/r11.1时，应采用环壁法。11010111,ln,211ln,2ininnnexnnexndRRdddRRddr1r2d0d1d2d3d4 国际标准化组织（ISO）834规定了标准加温曲线（现

12、场及试验室试验）用以表达现场火灾发展情况。 Te-Te0=345log(8t+1) Te0 初始温度，如20 ； Te 对应t时的温度（ ）； t升温时间（min）。 通过上述分析，可得出火灾引起楼板或墙壁的火灾温度，我们更为关心的是在这种温度下材料或结构抗力的变化，所以下面我们就研究火灾后材料和结构的抗力的变化。 四、火灾对材料特性的影响 1混凝土 1）由于火灾引起的高温，使混凝土中的水泥石和骨料产生不同的膨胀和收缩，由于约束作用而产生温度应力，使之出现裂缝。混凝土中为花岗岩骨料5500C热裂，石灰岩骨料7000C 热裂。 2）因受热后，水泥水化物和骨料自身品质劣化，其强度和弹模比受灾前降低

13、。下降程度与原材料的种类、配合比和令期等有关。总的规律为：在3000C以下抗压强度无明显变化；在超过5000C，下降50%；弹模下降也约为50%，如 ：图5；图6。在火灾后经过一段时间；受热产生的强度和弹模下降又有所恢复，如：图7；图8。如果在5000C以内，可以恢复到能耐用的程度，而弹模虽有恢复，但恢复程度很少，一般总有残余变形。 0200400600800020406080100120140Y Axis TitleX Axis Title C D抗压强度比(%)加热温度()1 12 235图5.受热混凝土抗压强度的下降1.石灰岩2.砂岩3.膨胀页岩4.Busch方案式 0200400600

14、800020406080100Y Axis TitleX Axis Title C B弹性系比(%)加热温度()121.石灰岩2.砂岩图6.受热后弹性模量的下降 01234567891011120102030405060708090100Y Axis TitleX Axis Title C D E B抗压强度比(%)加热后的经过月数(月)1-2002-3003-4004-5002314图7.受热后混凝土强度的自然恢复图7.受热后混凝土强度的自然恢复 01234567891011125060708090100Y Axis TitleX Axis Title C D E B弹性系数比(%)加热后经

15、过的月数(月)1 12 23 34 497%88%80%72.5%1-1-2002-2-3003-3-4005-5-500图8.受热混凝土弹性模量的自然恢复图8.受热混凝土弹性模量的自然恢复 fcuT=fcu/1+2.4(T-20)610-17 200CT9000C fcuT=fcu/1+1.183(T-20)7.110-20 200CT9000C fcuT=fcu/1+3.3(T-20)5.510-16 200CT9000C fcuT=fcu/1+1.7(T-20)610-17 200CT10000C ftT=(1-0.001T)ft 200CT10000C 式中fcuT、fcu 分别为T

16、0C和20 0C温度下的混凝土立方体抗压强度；ftT、ft 分别为T0C和20 0C温度下的混凝土轴心抗拉强度。 E0T/E0=0.83-0.0011T 200CT7000C 式中E0T、E0分别为T0C和20 0C温度下的混凝土弹性模量。 3）由于火灾温度沿构件的深度方向由表及里逐渐下降，而产生温度梯度，当温度梯度大时混凝土不仅产生裂缝，而且伴随有所谓爆裂的现象。 4）当混凝土加热到500-5800C时，因混凝土中的游离碱成分即氢氧化钙受热分解，碱性降低，防止钢筋锈蚀能力下降，影响到钢筋混凝土结构的耐久性。 5）受火灾后，混凝土表面的颜色将发生变化。混凝土的灼热温度在3000C以内时，混凝土

17、表面附着有黑烟；当超过3000C以后混凝土会变质变色。普通骨料的混凝土在300-6000C时为粉红色，600-9500C时为灰白色，950-12000C为淡黄色，而大于12000C时就熔融了。由此可推算火灾温度和混凝土的受灾程度。为了分析比较，也要注意没有受到火灾处的混凝土颜色。 2钢材 钢材耐火性较差，在高温下屈服强度和弹性模量均显著降低，如：图9；图10，为各种钢筋高温时的强度。由图9、图10可见，由于钢材种类不同，其下降程度不同。 澳大利亚规范AS4100 fyT/fy=1 00C2150C fyT/fy=(905-Ts )/690 2150C9050C ET/E=1+ Ts/（2000

18、ln(Ts/1100) ） 20-6000C ET/E= (6900.69Ts)/(Ts53.5) 600-10000C ECCS(European Convention for Constructional Steelwork) fyT/fy=1+Ts/(767ln(Ts/1750) ） 0-6000C fyT/fy=108(1-Ts/1000)/(Ts- 440) 6000CTs10000C ET/E=-17.210-12Ts4+11.810-9Ts3-34.510-7Ts2+15.910-5Ts+1 00C6000C 与混凝土一样，受火灾后一段时间，钢材的强度和变形能恢复，一般认为在60

19、00C之内，即不超过钢材的变态点温度（720-7330C），就认为是安全的，强度和变形能恢复到火灾前的状态，可再次使用，受热后的强度恢复如：图11。但如果超过变态点受热的钢材，则如：图12，由图可见-曲线中的屈服点不明确了，强度也有所下降，给再次使用带来困难，所以钢材受火灾的判定以6000C为依据。 3有色金属（铝、锌、铜、黄铜） 建筑上所用各种有色金属不能自燃，但根据火灾的规模，会出现强度降低，变形和熔化等情况，如铝窗框在6500C就熔化，窗玻璃脱落；水道配管类所用的锌和铅在300-4000C时就软化了；铜导线和门把手所用黄铜具有一定耐热性，到9000C时还没有熔化。 4油漆 一般涂在钢材上

20、的油漆受热不到1000C时则只产生黑烟，并不受到损伤。100-3000C可产生裂缝和脱皮现象。但防锈漆一直到3000C能维持完好的状态，但到300-6000C时，也开始变色，发黑脱落。当超过6000C后除防火涂料外，均被烧光。 5塑料 塑料可分为热可塑性树酯和热硬化树酯两大类。 应特别注意因灭火时大量用水产生二次性灾害-水灾。 020040060080010000200400600800Y Axis TitleX Axis Title B C D E应力(Mpa)温度()抗拉强度SR30SR24屈服强度图9.各种钢筋的高温强度图9.各种钢筋的高温强度 010020030040050060002

21、0406080100Y Axis TitleX Axis Title B C弹性模量比%温度图10.高温时，钢筋的弹性模量图10.高温时，钢筋的弹性模量020040060080010000200400600800Y Axis TitleX Axis TitleSR30 BSR24 CSR30 DSR24 E应力（Mpa）温度（）抗拉强度屈服强度图11.各种钢筋受热后强度图11.各种钢筋受热后强度020406080100020406080100120140160Y Axis TitleX Axis Title B C应力变形图12.受热后钢材的应力-应变曲线图12.受热后钢材的应力-应变曲线加热

22、后健全材 五、火灾对结构物的影响 建筑物受火灾后的损伤程度与火灾规模、结构形式和建造用材料的不同 而有很大差异 1钢筋混凝土结构 1）受损起因 受火灾后混凝土内部温度分布不均匀而产生复杂的热变形和热应力，所以关键要掌握住结构内部的温度分布及混凝土和钢筋的力学性能变化。 2）受火灾后结构受损伤主要表现在如下几个方面： a、承载力降低 对于偏压构件： NeT/NuT=1+0.806(e0/h) （e00.2h）小偏压； NeT/NuT=1.9-4.8(e0/h)+2.61(e0/h)2 （e00.2h） 大偏压； 对于轴压构件： NuT/Nu=1.023-7.210-4T （20T9500C）。

23、式中NeT、NuT-分别为8000C下偏心受压和轴心受压构件的承载力； Nu-常温下轴心受压构件的承载力。 b、残存的混凝土表面的温度裂缝。 c、变形增大，梁、板挠度随裂缝增大而变大（由于刚度下降）。 d、钢筋和混凝土间的粘结强度降低（由于混凝土和钢筋在高温时的热膨胀系数不同）。2000C 时，粘结强度约下降一半左右，300-4000C 时，粘着力破坏。 e、爆裂现象 多出现在构件的边角部位，混凝土剥落。 3）结构破坏形态：梁板结构 变形，挠度增大，钢筋屈服，混凝土压碎；柱钢筋，混凝土抗压强度不足而破坏。 2钢结构 1）起因：由于构件长度方向变形较大，当端部被约束时，结构内部产生较大的温度应力

24、。 2）损伤表现为： a、在2000C 以下较低温度时，由于钢结构框架的形式可能产生较大的热应力而导致结构损伤、脱皮、焊缝开裂，高温后压屈失稳； b、钢结构的连接部分，如高强螺栓等螺栓类连接件，受高温后材质下降或出现松动现象，如连接处受热到4000C左右，受热后的滑动抗力可下降到70-80%，材质本身可能未下降。 3）结构破坏形态：柱子刚度大时，梁受热后，柱子对它产生约束，由于柱子刚度大，当构件受热到允许温度以上时，梁则产生局部压屈。反之，柱子刚度小，柱子就可能被挤垮。有时温度过高后，还可能导致建筑物的整体崩溃。钢结构采用混凝土楼板，受火灾后还可能产生多米诺骨牌效应，即楼板较重，某层钢结构由于

25、火灾温度较高，支撑楼板的钢框架变软，压屈或熔化，楼板开始垮塌砸向下层，这样层层相砸，导致整个大楼坍塌。 六、受火灾程度的鉴定方法 在分析遭灾建筑物的再利用程度和探讨修补方法前，需要正确地鉴定各种构件的受害程度，所以要介绍受害程度分类及其鉴定方法和程序。 1预备调查 是专家们为圆满而迅速地解决问题和推导计算等目的而进行的调查。当事者希望在正式调查前进行这种调查主要为听报告和座谈包括如下项目： 1）火灾状况调查 a、火灾发生的原因、时间、地点。 b、可燃物种类和数量。 c、火灾燃烧的经路和受害范围。 d、如何灭火的。 e、灭火时间。 f、其它。 2） 建筑物历史调查 a、竣工年限。 b、设计者。

26、c、施工者。 d、结构形式。 e、占地面积 、建筑面积。 f、基准楼层面积、楼层总面积。 g、檐高。 h、层数和层高。 i、用途。 j、过去遭受火灾的种类、规模、火灾部位、修复否及所使用的方法等。 3）设计图纸的准备 a、遭灾空间的平面图、剖面图、计算书。 b、设计抗力条件。对于钢筋混凝土结构：混凝土种类（骨料配比）、设计强度，钢筋种类、直径、配筋图。对于钢结构：钢材种类、断面形状、尺寸、设计抗力，耐火防护材料、墙壁材料种类、厚度、性能。 对于劲性钢筋混凝土结构： 同钢筋混凝土结构和钢结构： 2一次调查 掌握受害概况，为了制定以后的调查方针可由1-2名专家赶赴现场实施。其中主要根据预备调查和外

27、观直测结果确定受害的大致级别。 1）听取和确定预备调查结果 确定是否有漏失调查项目，特别是空间，开口条件等。钢筋位置对分析判断钢筋混凝土结构受害程度非常重要，不全的话一定要挖凿或用钢筋位置探测仪进行调查。 2）外观调查和制作受灾状态图 目测观察结果以图示记入到各个展开图上，包括装修和建造设施，金属物件等烧融状况等。 对钢筋混凝土结构还要观测如下各项： a、混凝土变色； b、爆裂及位置、大小、深度； c、裂缝及宽度、长度； d、翘起或剥离； e、构件的挠度或变形； f、钢筋情况； g、其它。 对钢结构，要观测 a、钢骨架的变形； b、耐火隔热材料和涂料的损伤情况，通过涂料的损伤程度可确定灾情为四

28、个级，一级（6000C）：大部分防锈油漆已脱落，钢结构产生了较大的变形。 3二次调查 在一次调查的基础上，考虑到受害的规模、经济性和效果等因素，有时要对调查的内容做适当的增减，以得出判断一次调查确定的级别是否适宜的资料。这阶段的调查需要花费很多时间和劳力。 1）用回弹仪测定混凝土回弹强度 作为掌握相当于1-3级受灾混凝土抗压强度降低程度的一种方法。也可采用比较法，从未损与受损混凝土回弹值的差别比较损失强度。在相当于1级的部位，装修材料与基底能确认有充分的粘着力时，可不进行回弹测量。 2）混凝土的碳化试验 使用酚酞酒精溶液测定混凝土碳化进展深度，即用酚酞溶液找出呈现红色的部分（指能防止钢筋锈蚀、

29、功能完好的部分）和未呈现红色的部分（指不能防止钢筋锈蚀的部分）的界线。500-5800C混凝土碱性降低，对酚酞酒精溶液的反应不呈红色。因为碳化是混凝土在大气中经一定年限进行的一种现象，因此需用比较法与未遭灾混凝土的碳化深度比较，综合判定。从火灾产生的碳化程度观察结果可见（是否呈红色），内部的混凝土还没有发现达到5000C以上高温的程度。 3）取芯试验 确定重要建筑物的残余承载力所需的试验方法，要有一定的试件数，消除离散，与未受火灾部分的强度比较，并注意观察颜色。另外还要进行钢材抗拉强度的取样试验，这主要对特殊钢材或温度不清楚无法查表的。一般钢材不用，因为有现成表可查。 4）其它试验方法 还有荷载试验、振动试验等方法 方法与一般的抗力鉴定一样，不重述。 4通过理论计算加以校验 通过火灾现状报告，外观检查及上述各项试验调查，对火灾状况，结构抗力降低有一概略掌握，还要计算火灾TeiTi曲线、特征温度、火灾持续时间、火灾规模。同时还要进行混凝土内部的温度分布和钢材温升推定