钢结构厂房火灾后的安全性鉴定及分析

田原，郑开彬，蒋志军，何世兵

（重庆市建筑科学研究院有限公司，重庆 400016）

0 引言

钢结构由于具有自重轻、延性好、抗震性能优越、工业化程度高、施工便捷等优点，近年来发展十分迅速。然而钢结构也具有其劣势，其中最为关键的一点就是耐火性能差，随温度不断升高，钢材的屈服强度、弹性模量将迅速降低[1-2]。根据国内外研究表明，钢材在升温至400℃左右时，其屈服强度开始急剧下降直到800℃左右，800℃以后屈服强度平缓下降直到钢材的熔点[3-4]。由于火灾温度场分布情况不同，通常会出现部分构件受火损伤但并未发生破坏的情况，因此对受火损伤的构件进行科学识别和安全性研究具有重大的理论及现实意义[5]。

1 火灾现场情况调查及温度场判定

对火灾范围的大致判定，往往可以通过观察构件发生形变的位置、高度、面积等来进行。混凝土构件经历火灾后，其表面颜色以及密实度将发生明显变化；对于钢材构件，应重点观察其表面涂层部分的颜色变化、防火涂层发生起泡、起屑、脱落等。火灾的温度区间则可以通过火灾现场的残留物来进行判定：经过一段时间的灼烧，如混凝土会伴随温度的提升发生颜色、密度上的改变；钢材、铝材等会发生明显变形。当火场的温度大约在200℃～250℃时，钢材构件表面的涂层会被烧毁；300℃～350℃时，钢材配件会发生翘边和弯曲；700℃以上时，钢材构件可能发生明显的弯曲、扭曲变形[6-8]。

2 火灾后对钢结构的检测及鉴定工作

2.1 现场检测工作

首先，应调查建筑物的基本情况、房屋结构构造，明确鉴定的目标、内容、火灾范围；了解可燃物的特性，明确火灾发生、扑灭以及持续燃烧的时间，燃烧的面积和涉及的高度、范围等。现场对受火构件仔细观察、记录现场残留物的外观和状态以及钢结构构件的变形情况，通过上述信息大致判定火灾现场温度分布，初步推断结构部件经受的最高温度；检测钢结构变形情况、焊缝情况、铆钉、螺栓等是否出现变形、松动、剪切和滑动的现象；在条件允许的情况下，对于受高温影响严重构件、体现温度场分布的典型构件进行局部取样、力学性能试验。

2.2 分析鉴定工作

根据文献[9]中的相关规定，应对现场检测结果进行初步鉴定以及详细鉴定评级。在初步鉴定评级阶段，根据钢构件的涂装与防火保护层损伤、残余变形与撕裂状态、局部屈曲和扭曲形态等参数对各个钢构件进行评级。然后根据初步鉴定评级的结果以及规范中的要求，对其中初步鉴定评级为Ⅱa级以上的构件进行详细鉴定。

详细鉴定的内容主要分为两大部分：受火钢构件的材料特性和承载力。受火钢构件的材料特性是指在实验室对火灾现场取样试件进行力学性能试验，得到受火后钢材的屈服强度、极限强度、延伸率等；受火钢构件的承载力是指借助受灾后钢结构材料力学性能、作用荷载和支承方式，计算当前钢结构构件的残余承载能力。通过验算承载力与作用效应、结构重要性系数的比值，对比文献[9]中的规定值来评定构件的详细鉴定等级，最后根据详细鉴定评级对相应构件采取处理措施。

3 工程案例

3.1 工程概况

某钢结构厂房主体结构为单层门式刚架钢结构，刚架为焊接Q345 “H” 型钢，梁柱节点以及梁拼接采用高强螺栓连接，基础为柱下独立基础，屋面、墙面采用 “C” 型钢檩条以及彩钢瓦。该厂房于2019年3月13日凌晨发生火灾，火灾持续约3h，外观及受灾区域见图1—图3。通过现场调查发现，受灾区域四周均有彩钢瓦围护，H轴线有烧结砖实心墙隔断，通风条件较差。大多数受灾钢材表面呈褐色，局部分呈浅灰黑色或黑色。受灾严重区域钢柱底部变形、扭曲，柱间支撑杆件烧毁，墙体、屋面檩条弯曲变形，屋面板下挠、破损，钢梁未发生明显弯曲变形，但表面涂层烧光，估计火灾最高温度在1000℃左右。

图1 火灾后厂房外观情况

图2 火灾后厂房内部情况

图3 受灾区域结构平面布置图及火场分布图

根据现场燃烧残留物烧损特征以及构件表面受损程度，将火灾损伤区域主要分为以下四个区域，各区域含义及特征如下：

（1）A类区域：估计火灾温度在600℃～1000℃，混凝土呈灰白色-浅黄色，粉碎、脱落，部分钢柱根处腹板、翼缘发生扭曲、屈曲；

（2）B类区域：估计火灾温度在300℃～600℃，构件表面防火涂层大部分脱落、烧光，油漆变黑脱落、烧光，未出现明显弯曲变形；

（3）C类区域：估计火灾温度在100℃～300℃，构件表面油漆有裂纹或脱皮，钢构件未出现弯曲变形；

（4）D类区域：估计火灾温度在100℃以下，构件表面涂层完好，未出现弯曲变形。

3.2 火灾后现场情况

3.2.1 现场受损情况

现场检查时，该厂房主体结构未发生倒塌，1-7轴/A-H轴受

（1）竖向钢结构构件

对于钢结构门式框架结构而言，钢柱作为竖向轴心受压构件，主要承受来自于上部结构及荷载作用下产生的轴向压力。在此次火灾过程中，大火起火、燃烧位置主要位于厂房地面，钢柱地面端受到的温度影响最大，钢材所经历的升温最高，屈服强度和弹性模量下降的幅度最大。根据应力应变关系式钢柱腹板及翼缘随着弹性模量E下降，产生的应变ε不断增大。当钢材屈服强度降低到一定程度时，钢柱腹板及翼缘发生屈曲现象，如图4、图 5所示。火灾影响区域的结构构件均存在不同程度损伤，损伤程度最严重区域为3-4轴/C-E轴，较严重区域为1-2轴/C-E轴、5-6轴/C-E轴、1-3轴/A-B轴以及4-6轴/F-H轴；部分钢架钢梁钢柱变形、扭曲，部分柱端混凝土墩台脱落、粉碎，部分支撑杆件严重弯曲变形，部分墙体檩条弯曲变形，屋面板下挠、破损，檩条严重弯曲变形。

3.2.2 钢结构构件灾后状况

图4 3/D轴刚架柱腹板、翼缘屈曲

图5 4/D轴刚架柱腹板、翼缘屈曲

（2）横向钢结构构件

工字梁作为钢结构门式框架结构的主要横向构件，承受屋面板结构自重以及屋面荷载作为均布荷载产生的弯矩。此次火灾的起火、燃烧位置主要位于厂房地面，而该厂房净空较高约14m，火灾所产生的热量和温度效应传递到柱顶钢梁高度时明显减小。即便在温度最高的区域，柱顶钢梁也未发生明显的下挠和变形，其主要原因：第一，厂房净空较高，火场温度效应在热传递过程中减弱，钢梁受到的温度影响较小，钢材材料属性损失较小；第二，屋面板结构自重及屋面荷载较小，对钢梁所产生的弯矩也较小，钢梁不易发生变形。

然而，通过对比工字梁发现，屋面檩条发生了明显的扭曲、下挠变形。主要原因是檩条采用的是薄壁冷弯C型钢材，C型钢檩条的屈服强度、截面面积都较小，承载能力比较低。在受到升温作用后，C型钢檩条更容易失去自身刚度，在屋面板自重和屋面荷载作用下发生扭曲、下挠变形，如图6所示。

（3）连接处节点构件

图6 屋面檩条发生扭曲、挠曲变形

通过现场检测发现，A类、B类区域节点板涂层基本脱落，受灾严重区域中部分高强螺栓已基本松脱，扭矩扳手无法正常读数，部分节点板间间隙较大。这一现象的产生主要是由于相邻两根钢梁受温度影响后，构件发生下挠变形而导致钢梁端部在节点处产生两个相反方向的拉力。同时，摩擦型高强螺栓在受温度影响后，其强度亦发生降低，螺栓杆内的拧紧预拉力下降，因此高强螺栓可能发生松动，从而使得节点板的板间间隙变大。

3.2.3 现场取样及构件力学性能试验

该厂房的主体结构构件在火灾后降至常温，其残余力学性能是确定构件承载力的重要因素，也是评估结构损伤程度和过火后钢材材料属性研究的主要依据，对于鉴定结构的安全性以及制定加固方案有重要影响。现场选取部分具有火场温度代表性的钢柱腹板或翼缘进行切割，并送实验室进行力学性能试验，检测结果如表1所示。

表1 火灾后钢结构材料力学性能试验结果

从表1得知，受火灾影响较严重区域，钢柱的材料力学性能发生了较大的变化；而受火灾影响较小的区域，钢柱的材料力学性能几乎与一般钢材性能无异。过火温度最高的钢柱3/D和4/D，自然冷却后的屈服强度只有250.47MPa和280.14MPa，为Q345钢材屈服强度设计值的72.60%和81.23%；过火温度较高的钢柱1/D和6/D，自然冷却后的屈服强度为351.89MPa和350.14MPa，相比Q345钢材屈服强度设计值略有升高；过火温度较低的7/D、5/H及4/A钢柱，自然冷却后的屈服强度与1/D和6/D相接近。

钢柱3/D和4/D自然冷却后的极限强度为418.77MPa和447.31MPa，为Q345钢材极限强度设计值的89.12%和95.26%；1/D和6/D自然冷却后的极限强度为460.94MPa和431.71MPa，为Q345钢材极限强度设计值的98.07%和91.85%；过火温度较低的7/D、5/H及4/A钢柱，自然冷却后的极限强度高于Q345钢材极限强度设计值。

根据力学性能试验的结果，可依据文献[9]中详细鉴定的方法，对各个构件的残余承载力进行分析，并与相关规范进行对比，对各个受损构件进行详细鉴定评级。

3.3 鉴定结果及分析

根据文献[9]，该厂房火灾后钢结构构件的初步鉴定评级：Ⅱa级构件89件，Ⅱb级构件25件，Ⅲ级构件22件，Ⅳ级构件9件。火灾后钢结构连接的初步鉴定评级：A、B区域连接损伤等级为Ⅲ级，C区域连接损伤等级为IIb级，D区域连接损伤等级为IIa级。结合受火钢构件的力学性能实验结果和结构分析承载力验算结果，火灾后钢构件详细鉴定评级：c级构件2件，d级构件6件。

通过对部分过火构件力学性能试验结果进行分析可知，虽然火灾现场的最高过火温度无法确定，但结合火场温度分布情况可以发现：钢材在过火温度较低的情况下，其屈服强度和极限强度相比常温下会略有升高；然而当过火温度不断上升到一定程度后，钢材的屈服强度和极限强度开始发生降低，且随着温度越高降低幅度越大。

4 结语

钢结构的耐火性能差，一旦发生火灾容易造成生命和财产的损失，火灾后钢结构损伤识别、安全性鉴定以及过火后钢材性能变化研究是目前建筑工程鉴定领域的新课题。而《火灾后建筑结构鉴定标准》（CECS 252—2009）中关于钢结构部分的鉴定内容还需细化和完善，火灾后钢结构构件的残余承载力计算还要深入研究。火灾后钢结构的修复、加固措施都依赖于对钢结构构件的检测和鉴定。如何将检测、鉴定结果与合理、有效的加固措施进行联系，如何加强钢结构构件材料的耐火性，都是建筑科研人员和工程施工人员需要深入探讨的课题。