火灾后钢结构检测分析及加固处理

火灾后钢结构检测分析及加固处理
何建红
上海市消防局普陀防火监督处工程师
同济大学土木工程学院在读工程硕士
摘要：随着钢结构建筑近年来被建筑业的大量采用，钢结构建筑火灾也日益增多。

本文从分析火灾后钢材的表观特征、力学性能入手，探讨了火灾后钢结构建筑损伤部位及整体结构的检测分析、修复的方法，并提出了通过加强钢材内部分子结构的机械性能、耐火性能来提高钢结构建筑的抗火能力，从而减少火灾损失及修复成本的一些想法。

关键词：钢结构火灾检测分析修复加固
1 前言
1.1 钢结构建筑的优点
钢材是一种不会燃烧的建筑材料，它具有抗震、抗弯等特性。

在实际应用中，钢材既可以相对增加建筑物的荷载能力，也可以满足建筑设计美感造型的需要，还避免了混凝土等建筑材料不能弯曲、拉伸的缺陷，因此钢材受到了建筑行业的青睐，单层、多层、摩天大楼，厂房、库房、候车室、候机厅等采用钢材都很普遍。

钢结构以自重轻、施工快、可利用空间大、平面布置灵活、建筑外观美观、经济效益高等优点被广泛应用。

尤其是一些超高层建筑，采用钢结构材料更为广泛。

大型钢结构建筑建设工期短，收益快，是建造厂房、库房、商场等首选的建筑结构形式之一。

随着城市规模的发展，钢结构在我国建筑业的应用具有非常广阔的前景。

1.2 钢结构建筑的火灾危险性
钢结构本身虽然是非燃材料，但它具有耐火性能差的致命弱点。

在未进行防火处理的情况下发生火灾时，它的机械性能，如屈服强度、抗拉及弹性模量等均会因温度的升高而急剧下降。

一般结构温度达到350ºC、500ºC、600ºC时，屈服强度分别下降1／3、l／2、2／3。

据理论计算，在全负荷情况下，使钢结构失去静态平衡稳定性的临界温度为500ºC左右，而一般火场温度达到800～1000ºC，在这样高的温度下，裸露的钢结构会很快出现塑性变形，产生局部破坏，造成钢结构整体倒塌失效。

1.3 结构检测及鉴定的意义
通过对火灾后结构安全检测及鉴定，掌握经高温火烧后的钢结构建筑是否需要加固，哪些部位需要加固，哪些部位需要重建，哪些部位可以继续承重，对灾后建筑的修复提供科学、合理的依据，并对修复程序、修复部位、修复方法加以明确，使建筑的修复、加固更具经济性、时效性。

本文主要从火灾后钢材的外观、力学性能等方面的变化探讨火灾后钢结构建筑的检测、鉴定及加固。

2 结构钢在高温冷却后的表观特征［1］
2.1 钢材外观随温度的变化
表1 钢材外观随温度变化表
通过对钢材外观的检测，了解火场温度的情况。

表1所示钢材外观随温度变化图。

从表1的数据可以看出，钢结构在经历250℃高温后，钢材的颜色与常温下基本相同；经历330℃的高温冷却后，钢材表面颜色呈浅蓝色，随着钢材在空气中暴露冷却的时间延长，表面颜色渐趋浅蓝黑色；经历420℃冷却后，钢材的表面颜色呈蓝色(但较330℃时的颜色深
暗)，随着在空气中暴露的时间延长，表面颜色渐趋暗淡，最终变成深蓝黑色；经历510℃冷却后，钢材表面呈灰黑色，随着钢材在空气中暴露时间延长，表面灰黑色略微变淡；经历600℃高温冷却后，钢材的表面颜色呈黑色，随着钢材在空气暴露的时间延长，表面颜色几乎不变化。

2.2 高温时产生的特殊现象
2.2.1 蓝脆现象［2］
蓝脆现象是指温度400℃左右的区间内，抗拉强度局部性提高，屈服强度有所回升，强度提高而塑性降低，材料有转脆现象。

从上面的曲线可以看出，总的趋势是随着温度的升高，钢材的强度降低，变形增大。

在200℃以内，钢材性能没有很大变化，430℃-540℃之间强度急剧下降，500℃时强度很低不能承担荷载，在400℃附近有蓝脆现象，约260℃-320℃时有徐变现象。

钢材通常在450～650℃温度中就会失去承载能力，发生很大的形变，这是由于钢材在经历400℃以上高温时发生蓝脆现象，此时钢材强度上升，延性下降，导致钢柱、钢梁弯曲，结果因过大的形变而不能继续使用。

2.2.2 徐变现象［2］
徐变现象是指在260℃-320℃的区间内，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形的现象。

结合200℃以内材料性能无大变化的性能看，结构表面所受辐射温度不宜超过200℃，目前钢结构行业规定这个温度以150℃为宜，超过这一温度就应该采取防火隔热措施。

3 高温后结构钢的力学性能［1］
3.1 屈服强度
在火灾的高温条件下，建筑材料的力学性能发生了较大改变，材
钢结构的耐火极限很低，当钢
40％，容易造成建筑物垮塌。

)冷却后的结构钢试件在接近破坏时有与常温下一
文献给出的钢筋分别在
2所示。

度折减系数(文献16)(自然冷却)
3.2 弹性模量
根据文献资料给出的试验结果表明，当钢的温度在250℃以下时，钢的弹性模量变化不
大，当温度超过250℃时，即发生所谓的“塑性流动”，超过300℃时，弹性模量明显减小。

钢的弹性模量与温度关系曲线如图3所示。

0.2
0.4
0.6
0.81
1.2
020040060080010001200
温度 C
E T /E
图3 各种方案的钢的弹性模量与温度关系曲线
3.3力学性能变化机理
在火灾高温作用下，其力学性能如屈服强度、弹性模量等却会随温度升高而降低，在
550℃左右时，降低幅度更为明显。

当火灾发生后，结构的内力分布与常温下的内力分布将大不相同，这主要是由于两方面的原因造成的：一是因为温度升高，构件的刚度下降，造成结构内力的重分布；另外一个原因是由于构件温度升高，构件产生热膨胀，而构件的热膨胀受到周围其它构件的约束，从而在该构件和约束它的构件内产生温度内力。

4 火灾后钢结构受损检测
通过对火灾现场的钢结构变形观测、火损表面外观检查和抽取部分火损部位的钢结构母
材进行检查，为实施工程加固和拆除部分火损结构提供现场依据，同时为建筑钢结构火灾研究积累原始资料。

4.1 承载力极限状态分析
承载力极限状态：对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。

火灾下，钢结构的承载力极限状态可分为构件和结构两个层次，分别对应局部构件破坏和整体结构倒塌。

4.1.1构件承载力极限状态的判别标准
(1)构件失去稳定承载力。

(2)构件的变形速率成为无限大，即失去隔热性。

(3)构件达到不适于继续承载的变形，即失去完整性。

4.1.2结构承载力极限状态的判别标准为：
(1)结构丧失整体稳定性。

(2)结构达到不适于继续承载的变形。

4.2 变形测试分析与外观检测及分析［3］
使用特定仪器，采用三维坐标测量技术，即利用建筑梁柱轴线建立正交网，以全站仪架设点为假定坐标原点，实测布置在柱面上的固定标靶和梁面上的活动标靶，并将测得的空间三维坐标值以梁、柱轴线参照点为基准进行坐标变换，得到梁、柱实际变形值。

(1)根据挠曲线规则，判断柱构件变形受梁横向拉力作用。

若为非损伤性变形，则为可恢复的变形；若明显为损伤性变形，由要求拆除重建。

若钢柱损伤严重，基本都扭曲，则要求全部拆除。

(2)将梁的水平变形和垂直变形结果进行分析。

若火灾时梁受热膨胀伸长，受到柱和邻跨梁的约束作用，致使梁发生侧向弯曲，侧弯一方面破坏了原结构的承载力分配，另一方面可能在工作时引起侧弯失稳，则也必须拆除。

(3)现场构件过火后外观检测。

结合构件变形观测和材料试验分析推断，褐白色表面为火烧程度最为严重，浅褐色烧伤程度为次严重，烟黑色可以认为是烟熏痕迹，过火程度较轻，
油漆色可以认为基本未过火。

4.3 过火材料检测及分析
(1)抽取试样。

取样原则一般遵循抽取色泽不同的小样、在烧伤扭曲较严重的部位取样作为结构未拆除前的样本、在拆除部位取样作为结构拆除后的样本、取外观较好的部位作为标准试样，从样本组织状态、屈服强度、极限强度、硬度等四个方面进行比较，了解材质的最不利损伤情况，为设计取值提供依据。

(2)钢结构紧固件检验。

检测螺栓楔负载、螺母、螺栓是否符合标准要求，若不符合，则要求全部调换。

(3) 保留柱过火后的力学性能检验。

通过比较，按最不利因素对保留柱过火后的力学性能考虑，建议参照《钢结构抗火计算与设计》关于高温冷却后结构钢的力学性能的折减系数计算考虑设计。

5 损伤部位的加固
5.1 计算理论问题
在刚架的恢复计算时，采用与原结构相同的截面尺寸与荷载按规范进行内力计算，这样可以保证内力计算的正确，然后按有关规范和材料进行损伤部位钢结构计算。

5.2 建筑恢复过程
5.2.1 损坏部位拆除过程
为保证建筑安全与正常的使用要求，在拆除损坏钢梁时，应将邻跨梁进行顶升卸荷，中间设置临时钢支撑，然后按屋面板、檩条、钢梁和支撑的次序逐跨进行损伤钢梁的拆除，从连接螺栓处开始拆除，靠近邻跨梁处进行钢梁的切割拆除，同时对邻跨梁的变形、受力情况进行同步监测。

考虑在部分拆除一跨后邻跨的结构体系变化，为了保证邻跨中保留设备的安全，和对新
结构中体系形成过程的分析，采用有限元计算分析的方法，应对施工中的起拱过程、拆除过程和安装过程进行仿真计算。

5.2.2 钢柱的恢复
对损伤钢柱，对损伤部位进行割除后，按原截面制作新柱，并将其与下部保留的柱按等强度连接。

其他柱在去除约束后，在施工中利用外力可以很方便地消除其柱顶变形，采用节点板与新的钢梁连接。

施工中利用外力仅能消除其柱顶部份位移，部分钢梁与钢柱无法准确对位，造成钢梁与钢柱连接处的一定的错位，会产生节点处的偏心力矩，在钢架的恢复中，采取增加屋面钢梁间的纵向联系梁、增加结构的整体稳定，并对柱顶进行加固，以保证结构的整体与节点的安全可靠。

5.2.3 钢梁的恢复
梁截面的加固，可以在翼缘上加焊盖板，也可以加设斜翼板、角钢、钢管。

对于无法对接的部分，采取加固柱顶、将钢梁与钢柱的翼缘直接对焊，并增加水平方向的加劲板，加强梁的腹板与钢柱的连接梁的方法来保证整个工程的质量。

5.2.4 整体结构的恢复
结构的主要功能是作为整体承受荷载。

火灾下结构单个构件的破坏，并不一定意味着整体结构的破坏。

特别是对于钢结构，一般情况下结构局部少数构件发生破坏，将引起结构内力重分布，结构仍具有一定继续承载的能力。

因此，火灾发生后对刚架整体稳定的保证，应按原结构抗火设计以防止整体结构倒塌为目标，考虑永久荷载作用工况、永久荷载和楼面活载组织作用工况、永久荷载、楼面活载和风载组合作用工况等等，以满足极限承载力功能。

6 结语
钢结构耐火性能差已是众所周知的问题，因此研究火灾后钢结构检测分析及加固处理就显得尤为重要。

但笔者认为，在研究火灾后钢结构检测分析及加固处理的技术方法的同时，
更应着重研究提高钢结构的抗火能力，而目前的主要方法大都是在钢材表面涂覆防火涂料或用防火保护板材对钢构件进行包覆和屏蔽，但这都取决于防火涂料或板材自身的抗火性能，还要考虑防火涂料和防火板材与钢构件的整合性，有一定的缺陷性。

能否考虑在炼钢时直接在钢水中添加阻燃剂或加固元素，或使钢水与添加元素发生化学反应，从改变钢材内部分子结构的物理及化学性质入手，来增强钢材自身的机械性能和耐火性能，使钢材即保持原有的延性和可塑性，又同时具有钢筋混凝土的坚固性，从而达到钢结构防火保固的目的。

这对减少或避免火灾后结构的破坏，降低火灾损失和修复成本，使钢结构建筑得到更为广泛地应用，必将起到积极的作用，具有极其深远的意义。

二OO五年八月二十五日
参考文献：
［1］.李国强蒋首超林桂祥著，钢结构抗火计算与设计，中国建筑工业出版社，1999.6［2］闫小燕，钢结构消防安全设计，消防科学与技术，2003年10月第22卷增刊［3］赵希平季文洪等某联合厂房火灾后厂房结构损伤分析和修复第二届全国钢结构防火技术研讨会论文集2003.10。