浅析钢框架平台过火后的加固修复

摘要：随着钢结构在国外已被广泛采用，钢结构防火日益重要，本文对过火后钢结构表观、力学参数、承载力分析等方面做了综合介绍，并对过火后钢结构加固修复提出自己观点。

关键词：钢结构 修复

某公司一套炼化装置框架的三层平台发生过火，原因是在三层的管道段出现介质泄漏，由于其温度和压力均很高，喷出后迅速燃烧，其后火势在区域内蔓延，后经消防泼水才最终扑灭。据了解钢结构平台过火持续时间大约40min，过火造成东西跨与南北轴区域内的钢梁、钢柱、柱间支撑、楼梯及栏杆等严重变形和毁坏。过火后景象见图1所示。

1、过火后情况与过火温度判定

1.1 现场情况调查

根据现场情况判断，过火发生区域主要为框架的3～4层。一层结构基本无影响。二层地面有少数钢板发生翘曲，框架柱有较小的倾斜，支撑发生局部屈曲破坏，过火区域内颜色以黄色为主，有部分黑色。三层地面的过火区域内地面钢板全部发生翘曲，破坏比较严重，支撑发生比较严重的扭曲破坏。受支撑的影响，框架梁也有一定程度的弯曲。设备基础梁有较大弯曲，最大挠度约80mm左右，过火区域内其它梁也有不同程度的弯曲。外边梁几乎全部破坏。过火区域颜色以黄色为主，有部分黑色三层至四层楼梯严重扭曲，破坏严重。四层地面破坏严重，梁有部分弯曲，外边梁全部破坏。总体而言，破坏比较严重的区域为三四层之间。

1.2 过火温度判定

通过过火现场调查和勘察，可以确定大火燃烧范围和重度燃烧位置，根据现场勘察资料，结合以下几种方法可以判定过火曾经产生的最高温度。

（1）根据现场燃烧残留物判定经过一定过火温度后，一部分材料被烧毁，一部分材料会变形。大火温度在200～250℃时，钢结构表面油漆涂装层被烧坏；过火温度在300～500℃时，引起钢构件翘曲。

（2）根据标准升温曲线判定

目前我国较多采用的升温曲线，是国际标准组织制定的ISO834标准升温曲线，表达式为：

式中，为标准温度（℃）；为自然温度（℃）；t为过火经历的时间（min）。

（3）根据钢结构损坏现象推算过火温度

对过火的钢结构，过火已经发生，要想确定过火发生当时的温度场分布己经有一定的难度。因此，可根据过火后现场的结构损伤情况，以及可燃物经过火高温之后的残留物推断过火发生当时的温度场。

综上所述：如根据标准升温曲线判定，根据过火情况：

假设取t=10min，=30℃，则=688℃；

假设取t=20min，=30℃，则=791℃；

假设取t=30min，=30℃，则=851℃；

假设取t=40min，=30℃，则=894℃。

根据现场调查情况，如34层的楼梯（T1-6000A）在过火中已完全毁坏，表明过火时此处温度很高，有可能达到851℃（t=30min）；东北角的框架柱上的防火砂浆脱落严重，部分有外露。表明所经历的过火温度较高。

2.2 高温过火后结构钢材的弹性模量

高温过火自然冷却后结构钢材的弹性模量与常温下的相差甚微，一般认为与受热前结构钢材的弹性模量相同，即按常温下的弹性模量值来取。

查阅有关钢结构资料和参考有关文献后，修复加固设计时屈服强度折减系数取0.75；高温过火后结构钢材的弹性模量即按常温下的弹性模量值来取。

3、钢结构过火后剩余承载力的计算与分析

众所周知，抗火性能差是钢结构的一个致命缺点。结构经过火高温作用之后，材料的屈服强度、弹性模量等基本力学性能将有所下降，结构中部分构件可能发生较大的变形，甚至破坏，但结构的整体承载力并没有完全丧失，结构仍然具有一定的剩余承载力。因此，充分利用过火后建筑结构的剩余承载力可大大地减少灾后建筑物的修复难度和间接经济损失，从而对建筑结构的损伤评估和加固修复设计具有较大的实际意义。下面分别介绍过火后钢结构的整体剩余承载力和过火后单元的剩余承载力计算与分析。

3.1 钢结构过火后整体剩余承载力的计算与分析

钢结构经过火高温作用之后，结构中各杆件单元形式可能发生较大的变化。同时，结构中各构件经高温作用之后，其受力性能也发生了较大的变化。钢结构杆件单元受过火高温作用之后，可能发生弯曲变形。通常情况下，当过火后杆件的跨中挠度小于或等于l/1000（l为单元长度）时，可将杆件单元仍取为结构力学中的直梁单元来计算；当过火后杆件的跨中挠度大于l/1000（l为单元长度）时，杆件单元不能取为直梁单元，应将杆件单元作为曲梁单元来计算。对钢结构梁单元来说，经过火高温作用后其两端可能会变成塑性铰，这时钢结构梁单元可被视为轴心受力杆单元。

因此，采用有限元方法来对过火后钢结构剩余承载力进行整体分析时，通常有三种杆单元模型：轴力杆单元、直梁单元、曲梁单元。

3.2 过火后钢结构构件剩余承载力计算分析

上面介绍的计算方法是从整体的角度来对高温下钢结构进行剩余承载力的计算，但实际过火有时仅发生在建筑结构的局部，造成结构中为数不多的构件（如梁、柱等）受到过火的损坏，因此在钢结构的灾后加固修复设计中有时要利用单个构件的剩余承载力，因此下面简单地介绍一下几种过火后钢结构构件的剩余承载力计算方法。

3.2.1 轴心受压构件过火后剩余承载力计算

对轴心受压构件，当截面无削弱时，其承载力一般是由整体稳定来控制的。但由于材料屈服强度和轴压构件稳定系数受过火时的温度影响较大，因此在轴心受压构件过火后的剩余承载力计算中主要考虑材料强度的下降和轴压构件稳定系数的改变。

3.2.2 受弯构件（钢梁）过火后剩余承载力的计算与分析

对受弯构件——钢梁，当截面无削弱时，其承载力也是由整体稳定来控制的。由于材料屈服强度和受弯构件整体稳定系数受过火时的最高温度影响较大，因此在钢梁过火后的剩余承载力计算中主要考虑材料强度的下降和材料整体稳定系数的改变。

3.2.3 压弯构件（钢柱）过火后剩余承载力计算

偏心受压构件——钢柱.当截面无削弱时，其承载力一般还是由整体稳定来控制的。我国现行《钢结构设计规范》中，将常温下的钢柱整体稳定分为两大类：平面内整体稳定和平面外整体稳定。由于偏心受压构件的受力状态为轴心压力和弯矩共同作用，故要确定其过火后的剩余承载力比较困难。在实际加固修复设计过程中，设计人员是根据构件的受力大小来验算其整体稳定性。

4、钢结构过火后加固修复设计原则及方法

结构的加固与修复工作包括对结构进行矫正变形，更换或补强原结构损坏严重的局部结构和构件。对一般受损结构来说，通常包括加固与修复两部分，因此过火后受损的钢结构通常也包括这两部分。

4.1 过火后钢结构加固修复原则

过火后钢结构的加固通常采用卸荷加固和带负荷加固。为了不影响生产，一般系在原位置上，利用原有结构在负荷状态或卸荷、部分卸荷情况下进行，不得己时才将原有结构拆除卸下进行加固。

4.1.1 卸荷状态下补强加固原则

在原位置上使构件完全卸荷，或将构件拆下进行补强加固时，构件的承载能力应按补强或加固后的截面进行计算。其计算方法与新结构相同。

4.1.2 在负荷状态下补强加固原则

应先根据加固时的实际荷载设计值，按强度和稳定验算原构件承载力，仅当承载力富余20%以上时，才允许在负荷状态下进行加固。加固计算分别按下列两种情况进行：

（1）补强加固后，对承受静荷载（或间接承受动荷载），且整体和局部稳定有可靠保证的构件，可按原有构件和加固零部件之间产生的塑性内力重分布的原则进行计算。其广义表达式可写成：

式中，S为考虑荷载分项系数后的荷载效应；a为加固后构件截面的几何特性； 为加固后按整个构件计算的构件稳定系数； 为钢材的强度设计值；为加固折减系数。

（2）补强加固后，对直接承受动荷载，或不符合（1）中要求的构件，应按弹性阶段进行计算，其广义表达式为：

式中，为加固时作用在原有结构上实际荷载所产生的荷载效应设计值；为加固时原有构件截面的几何特性；为加固后增加的荷载效应，考虑荷载分项系数。

4.2 过火后钢结构加固修复方法

4.2.1 过火后钢结构加固修复方法

对过火后钢结构进行加固修复设计通常可采用以下几种方法：

（1）改变原结构计算图形的加固方法。

通过一些辅助的措施来改变原有结构的受力和支座情况，使原结构的受力性能更趋于合理化，从而使材料能充分被利用起来。主要有以下具体方法：1）增大原结构或个别构件刚度的加固方法。可采用在原结构上增加支撑、围护部分或改变结构支座约束情况（将简支端改为固接端）来提高结构的整体刚度，使过火后的结构能够满足使用功能要求。同时对一些个别不满足要求的杆件，可通过采用粘钢或增设支撑来增大其刚度。2）改变原结构受力状况的加固方法。改变过火后钢结构的受力情况主要是为了让结构能满足强度和稳定要求，使结构的受力更合理化。由于钢结构的稳定性能较差，因此应尽量使原结构中受压构件变为受拉构件，从而更能充分发挥钢材的优越性。改变原有结构的受力性能通常采用的方法有：改变结构的荷载分布，如使集中荷载分散；改变或增加支座约束情况，如将简支梁改为两端固接梁，则梁的跨中弯矩可大大降低；在原结构上施加一定预应力，可大大改变结构的受力性能。3）采用其它一些材料与钢材组合来改变结构受力性能的加固方法。通过在钢材上外加一些其它材料与钢材组合形成一些混合结构来承受外荷载，通常方法为：采用混凝土来与钢材形成组合结构（如组合混凝土楼板，钢管混凝土柱等）；在钢结构中采用预应力索；采用碳纤维布与混凝土组合。

（2）增大构件截面的加固方法。

增大钢结构截面方法是钢结构加固学中最常采用的一种方法，该方法施工简便，涉及领域少，尤其在满足一定前提条件下，还可以在原结构负荷状态下进行施工。因此，对过火后钢结构进行加固设计时也常常采用这种方法。

采用增大构件截面方法来对过火钢结构进行加固设计时，若过火后的钢结构整体剩余承载力小于有原承载力的20%，则宜采用将原结构完全卸荷来进行加固，构件的强度和稳定性均以增大后的截面按一个新结构的设计方法进行设计；若过火后的钢结构整体剩余承载力不少于原承载力的20%，则可以在原结构处于负荷状态下来进行加固，但原结构构件和加固部件之间存在着内力重分布，这时按新截面来计算，必须将原构件材料的强度乘以一个加固折减系数。

4.2.2 过火后钢结构修复方法

当构件的变形不大时，可以在部分卸荷的情况下予以修整。杆件的修整一般采用冷加工处理。若用热加工处理来修复，其加热温度一般为500～700℃，修复时必要的承载力。当构件变形较大而又很难校正时，则应按变形的实际情况进行强度验算，必要时需采取加固措施，或者更换新的构件。