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