李廣東 褚福濤

1 工程概況

某公司生產(chǎn)廠房為高、低跨相鄰的單層輕鋼結(jié)構(gòu),總建筑面積約為4 230 m2,低跨部分為雙跨剛架,跨度為24 m,柱間距為6.0 m;高跨部分不考慮夾層為雙跨剛架,跨度分別為4.0 m和21 m,柱間距為 6.0 m;主框架梁、柱構(gòu)件采用 Q345B,所有構(gòu)件的連接板及柱底板均采用Q345B,次要構(gòu)件采用Q235B;廠房采用10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓連接分段加工的鋼框架;鋼柱的耐火極限為2.5 h,屋面鋼梁的耐火極限為1.5 h;屋蓋系統(tǒng)為輕鋼屋面,鋼梁采用的是變截面H型鋼,鋼柱采用的是H型鋼;屋面、四周圍護(hù)墻體為彩鋼板。檁條采用的是卷邊Z形冷彎薄壁型鋼,墻梁采用的是卷邊槽形冷彎薄壁型鋼。

2009年4月20日2時(shí)50分,該生產(chǎn)廠房發(fā)生火災(zāi),生產(chǎn)廠房的過(guò)火面積較大,部分鋼構(gòu)件產(chǎn)生較為嚴(yán)重的損傷變形。為了使生產(chǎn)廠房的修復(fù)工作找到科學(xué)依據(jù)以及盡快恢復(fù)生產(chǎn),對(duì)該生產(chǎn)廠房火災(zāi)后的受損程度以及安全對(duì)策措施進(jìn)行鑒定。

2 現(xiàn)場(chǎng)咨詢與損傷檢查

2.1 火災(zāi)介紹

根據(jù)有關(guān)部門給出的火災(zāi)原因認(rèn)定書,2009年4月20日2時(shí)50分,生產(chǎn)廠房發(fā)生火災(zāi),火災(zāi)燒毀部分原材料及廠房屋頂、PLC控制系統(tǒng)、懸臂吊、兩臺(tái)叉車和輔助設(shè)備等,火災(zāi)過(guò)火面積2 000 m2。

據(jù)相關(guān)人員介紹,起火點(diǎn)位于高跨區(qū)。生產(chǎn)廠房的主要燃燒物是屋面、墻面的保溫棉;燃燒持續(xù)時(shí)間不足 2 h,大約1.5 h;南側(cè)高爐部分即高跨區(qū)采用干粉滅火,北側(cè)即低跨區(qū)采用水滅火。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)損傷檢查

2.2.1 屋蓋系統(tǒng)

屋面由彩鋼板、保溫棉和檁條組成。由于保溫棉為主要燃燒物,因此,整個(gè)生產(chǎn)廠房屋蓋系統(tǒng)中的構(gòu)件由于受到火災(zāi)高溫作用或相鄰受損構(gòu)件變形產(chǎn)生的附加內(nèi)力影響,多數(shù)構(gòu)件受到不同程度的損傷。屋面鋼梁的主要損傷情況體現(xiàn)在以下幾種類型:1)外表的防火涂料因火災(zāi)影響變成黑色,甚至灰白色,或者黑白相間;2)鋼梁發(fā)生平面外的傾斜、彎扭和側(cè)移;3)鋼梁的腹板發(fā)生輕度翹曲變形,外表不平整;4)鋼梁的翼緣局部發(fā)生翹曲變形;5)鋼梁兩側(cè)的隅撐部分出現(xiàn)脫落。

2.2.2 鋼柱

鋼柱由于受到火災(zāi)高溫作用或相鄰受損構(gòu)件變形產(chǎn)生的附加內(nèi)力影響,其主要損傷情況體現(xiàn)在以下幾種類型:1)外表的防火涂料因火災(zāi)影響變成黑色,甚至灰白色,或者黑白相間;2)鋼柱發(fā)生平面外的傾斜;3)鋼柱的腹板發(fā)生輕度翹曲變形,外表不平整;4)鋼柱的翼緣局部發(fā)生翹曲。除了上述情況之外,柱間支撐也因高溫作用受到不同程度的影響。

2.2.3 圍護(hù)墻體

圍護(hù)墻體由彩鋼板、保溫棉和墻梁組成。由于保溫棉為主要燃燒物,因此整個(gè)圍護(hù)墻體的受火灼燒程度較為嚴(yán)重。

低跨區(qū)的東、西面和北面圍護(hù)外墻的彩鋼板因高溫作用,多處呈現(xiàn)紅褐色;南面與高跨區(qū)之間的隔墻彩鋼板同樣存在多處高溫作用后的紅褐色狀。高跨區(qū)的吊車梁以上墻面彩鋼板呈現(xiàn)不同程度的高溫作用損傷,其以下的墻面基本保持完好。

2.2.4 基礎(chǔ)

因現(xiàn)場(chǎng)的特殊情況,未對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行開挖檢查。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的查看情況,鋼柱根部與地坪接觸基本完好,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)有異常的損傷跡象。

3 火災(zāi)后受損程度分析評(píng)價(jià)

3.1 構(gòu)件環(huán)境溫度的判定

為了對(duì)生產(chǎn)廠房構(gòu)件的火災(zāi)受損程度進(jìn)行科學(xué)的評(píng)判,必須明確火災(zāi)時(shí)的溫度范圍。按照公式推算,火災(zāi)當(dāng)時(shí)的最高溫度在834℃～937℃范圍內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)部分鋼構(gòu)件受高溫作用的變形情況,火災(zāi)時(shí)的最高溫度應(yīng)略高于750℃。此外,考慮到部分檁條隆起縮短的損傷變形特征,結(jié)合結(jié)構(gòu)鋼的“相變”現(xiàn)象(Phase Transformation),當(dāng)時(shí)最高溫度達(dá)到800℃左右。綜合上述分析,生產(chǎn)廠房火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的最高環(huán)境溫度可推斷在800℃～900℃左右。鑒于屋面采光板的熱變形溫度在200℃左右,以及采光板的損傷變形,可以判斷過(guò)火面積內(nèi)結(jié)構(gòu)構(gòu)件周圍的環(huán)境溫度處于200℃左右和最高溫度之間。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)的耐火特性

鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能較差,當(dāng)溫度為500℃時(shí),鋼材的屈服強(qiáng)度將降至常溫下強(qiáng)度的一半;溫度達(dá)到600℃時(shí),鋼材將喪失大部分強(qiáng)度和剛度。因此,進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),鋼構(gòu)件外表增加防火涂料是非常必要的,可以延長(zhǎng)鋼構(gòu)件的耐火極限[1]。一般防火涂料遇火后自身會(huì)發(fā)泡膨脹,形成比原涂料層厚度大十幾倍到數(shù)十倍的多孔碳質(zhì)層,可阻擋外部熱源對(duì)基材的傳熱。在有防火涂料的有效保護(hù)作用下,根據(jù)現(xiàn)有的研究資料,當(dāng)鋼構(gòu)件的周圍環(huán)境溫度在885℃時(shí),鋼構(gòu)件內(nèi)部的溫度一般在500℃以下。

3.3 火災(zāi)后材料的殘余力學(xué)性能

3.3.1 溫度的影響

根據(jù)結(jié)構(gòu)鋼高溫后的力學(xué)性能試驗(yàn)研究成果,其屈服強(qiáng)度與常溫下的屈服強(qiáng)度、溫度之間的關(guān)系式如下所示:

其中,fyT為高溫冷卻后的鋼材屈服強(qiáng)度;fy為常溫下鋼材屈服強(qiáng)度;T為鋼材經(jīng)歷的最高溫度。當(dāng)鋼材經(jīng)受400℃高溫后,材料的屈服強(qiáng)度基本不變;當(dāng)溫度達(dá)到750℃后,材料的屈服強(qiáng)度下降到原來(lái)的87%;當(dāng)溫度達(dá)到1 000℃后,僅為原來(lái)的42%。至于彈性模量,當(dāng)鋼材經(jīng)歷200℃～1 000℃高溫后,其值與常溫下基本保持一致。

3.3.2 滅火方式

1)鋼材高溫自然冷卻。根據(jù)現(xiàn)有的研究資料,鋼材經(jīng)歷高溫600℃以內(nèi),自然冷卻的鋼材與常溫下的鋼材有同樣的頸縮現(xiàn)象,彈性模量基本相同;屈服強(qiáng)度在400℃以內(nèi)不變;在400℃～600℃范圍內(nèi)稍有降低。2)鋼材高溫澆水冷卻。根據(jù)現(xiàn)有的研究資料,鋼材受火澆水冷卻后,屈服強(qiáng)度在不大于380℃時(shí)不變,在380℃～600℃范圍內(nèi)按下式變化:f′yT=fy(1.011-2.9×10-4T′)。其中,f′yT為澆水冷卻后的鋼材屈服強(qiáng)度;fy為常溫下鋼材屈服強(qiáng)度;T′為鋼材經(jīng)歷的最高溫度。經(jīng)歷的最高溫度為600℃時(shí),屈服強(qiáng)度降低約16.3%。

4 總體評(píng)價(jià)及安全對(duì)策措施

4.1 鑒定結(jié)論

1)鋼梁的損傷程度一般,少數(shù)鋼梁存在安全隱患。2)少數(shù)鋼柱的翼緣和腹板存在翹曲變形,多數(shù)鋼柱外觀未見(jiàn)翹曲變形,部分鋼柱出現(xiàn)平面外的側(cè)向傾斜?？傮w而言,柱間支撐的損傷程度輕微,少數(shù)鋼柱存在安全隱患。3)圍護(hù)墻體(高跨區(qū)上部)保溫棉、墻梁和彩鋼板發(fā)生不同程度的變形,影響其功能使用,受損程度嚴(yán)重。4)基礎(chǔ)由于受到高溫的直接和間接作用都很小,因此基本保持完好。5)防火涂料變色即失去本色的部位,表明其受到不同程度的破壞,對(duì)應(yīng)位置的防銹漆也遭到一定程度的損傷。

4.2 安全對(duì)策措施

1)屋蓋系統(tǒng)中的彩鋼板、保溫棉、檁條、剛性系桿、水平支撐、拉條和采光板全部進(jìn)行替換;隅撐的角鋼可以繼續(xù)使用,替換連接螺栓;鋼梁變形嚴(yán)重的直接進(jìn)行替換,有輕微變形的梁應(yīng)進(jìn)行校正,校正有難度的宜進(jìn)行替換;其余沒(méi)有變形的梁可繼續(xù)投入使用。2)對(duì)于傾斜率大于0.25%的鋼柱應(yīng)進(jìn)行替換;傾斜率小于0.1%的柱可以繼續(xù)投入使用;其余有變形的柱應(yīng)進(jìn)行校正,校正有難度的宜進(jìn)行替換,柱間支撐有局部翹曲變形的進(jìn)行校正。3)圍護(hù)墻體中的彩鋼板、保溫棉、墻梁以及門窗等全部進(jìn)行替換。4)基礎(chǔ)可以不進(jìn)行處理。5)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件外表的防火涂料變色即失去本色的部位,應(yīng)對(duì)其防銹漆和防火涂料按原設(shè)計(jì)要求進(jìn)行重新涂刷。

5 結(jié)語(yǔ)

該公司按照本次的鑒定情況和給出的對(duì)策及時(shí)對(duì)該工程進(jìn)行了處理,排除了安全隱患,及時(shí)地恢復(fù)了生產(chǎn),避免了更大的損失,目前該廠房已正常使用。

[1]袁海軍,姜 紅.建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定與加固手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003.

[2]中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)(送審稿)[Z].

[3]王永豐.淺談濱海電廠鋼結(jié)構(gòu)的防腐和防火[J].山西建筑,2009,35(31):63-64.

[4]陳淑娟.某坍塌火災(zāi)檢測(cè)鑒定[J].福建建設(shè)科技,2005(5):71-72.

[5]張文濱,姜 凱.某廠房框架結(jié)構(gòu)火災(zāi)鑒定與加固[J].西部探礦工程,2002(1):34-35.