李毅鋒，葉詞福，涂 敏

（1、廣州市建設(shè)科技中心 廣州 510006；2、廣東工業(yè)大學(xué)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 廣州 510006）

0 引言

建筑火災(zāi)會導(dǎo)致混凝土構(gòu)件產(chǎn)生損傷，可能會導(dǎo)致構(gòu)件承載力下降甚至是結(jié)構(gòu)坍塌，進而給人民生命財產(chǎn)安全帶來嚴重威脅［1］。因此，有必要對火災(zāi)后的建筑結(jié)構(gòu)安全性進行檢測和評定［2-3］。目前，對于火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全評估方式是在建筑結(jié)構(gòu)安全性未確定的情況下開展現(xiàn)場檢測。常用的回彈法［4-5］、錘擊法［6］、鉆芯法［7-8］等可能對災(zāi)后建筑造成二次影響。采用超聲［9］、紅外熱成像［10］等無損檢測方式，則由于鑒定周期較長無法達到快速評估的效果。此外，采用大型的有限元模擬軟件如FDS、ANSYS 和ABAQUS 等可以得到更精確的評估結(jié)果［11-14］，但這些方法同樣存在建模復(fù)雜且評估報告耗時較長等不足。

為實現(xiàn)對火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)的損傷程度進行快速而較為準確的評估，本文基于CFAST快速火災(zāi)模擬軟件對火災(zāi)后鋼筋混凝土構(gòu)件損傷的快速評估方法，并進行了案例研究，為火災(zāi)后鋼筋混凝土構(gòu)件的損傷評估提供參考。

1 評估系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計的評估系統(tǒng)考慮混凝土構(gòu)件的數(shù)據(jù)庫模塊、計算模塊及損傷評估模塊3個部分，具體框架結(jié)構(gòu)如1 所示。該系統(tǒng)軟件采用C#語言進行編制，采用SQLite 數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)庫管理，可在windows 2000、windows XP、windows NT等環(huán)境下工作。

該系統(tǒng)軟件構(gòu)建思路如下：

圖1 評估系統(tǒng)設(shè)計框架Fig.1 Design of Evaluation System

數(shù)據(jù)庫模塊主要有存儲和內(nèi)置參數(shù)2 個功能，存儲功能包括存儲用于損傷計算和評估的相關(guān)規(guī)范和標準及其計算、評估結(jié)果；內(nèi)置的參數(shù)則有相關(guān)計算值、評估規(guī)范及標準，供計算模塊和評估模塊調(diào)用。

計算模塊的主要功能是在輸入數(shù)據(jù)后，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫模塊的內(nèi)置參數(shù)，并對進行分析后，重新將計算得到的結(jié)果儲存到數(shù)據(jù)庫中。

損傷評估模塊的主要功能是計算混凝土和鋼筋的材料性能退化以及混凝土構(gòu)件火災(zāi)損傷深度，將計算結(jié)果與相應(yīng)的評估準則進行比較，并存儲到數(shù)據(jù)庫中。

該評估系統(tǒng)軟件主要功能如下：

⑴通過快速建模重現(xiàn)火災(zāi)過程，快速獲取建筑內(nèi)部火災(zāi)溫度變化情況，進而快速獲得關(guān)鍵混凝土構(gòu)件所處火災(zāi)溫度場；

⑵計算得到火災(zāi)后混凝土構(gòu)件截面溫度場，實現(xiàn)材料損傷程度和深度的理論依據(jù)；

⑶基于CFAST模擬結(jié)果獲取構(gòu)件不同溫度歷史下的材料性能退化，快速評估火災(zāi)后的鋼筋混凝土構(gòu)件損傷程度；

⑷基于系統(tǒng)軟件得到的混凝土構(gòu)件截面溫度分布，快速評估構(gòu)件的受損深度；

⑸系統(tǒng)軟件界面操作簡單，建模高效，可實現(xiàn)火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)損傷應(yīng)急鑒定。

1.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與計算系統(tǒng)

1.1.1 數(shù)據(jù)庫

該系統(tǒng)通過SQLite 數(shù)據(jù)庫進行管理，包括靜態(tài)與動態(tài)數(shù)據(jù)庫。靜態(tài)數(shù)據(jù)庫用于存儲損傷計算和評估的相關(guān)規(guī)范和標準及其計算、評估結(jié)果；而動態(tài)數(shù)據(jù)庫則為火災(zāi)損傷計算和評估提供相關(guān)參數(shù)和標準值。

1.1.2 計算系統(tǒng)

計算系統(tǒng)主要用于計算混凝土構(gòu)件截面溫度場和混凝土、鋼材等損傷情況。

⑴ 構(gòu)件截面溫度場以熱傳導(dǎo)原理進行計算分析，通過有限差分法建立差分方程，以CFAST 輸出的構(gòu)件表面溫度曲線為邊界條件，對混凝土構(gòu)件的溫度場進行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果存儲于數(shù)據(jù)庫中；

⑵ 材料損傷計算部分考慮構(gòu)件平均溫度為CFAST 模擬得到的表面最高溫度，在此基礎(chǔ)上進行混凝土構(gòu)件的損傷評估。通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中相關(guān)的規(guī)程及標準，可計算出混凝土剩余強度、熱膨脹應(yīng)變、高溫下鋼筋屈服強度彈性模量，并在相應(yīng)結(jié)果存儲于數(shù)據(jù)庫中。

1.2 材料損傷評估設(shè)計

構(gòu)件材料損傷主要考慮混凝土材料和鋼筋材料的損傷以及構(gòu)件損傷深度。具體的評估設(shè)計如下：

1.2.1 混凝土材料損傷評估設(shè)計

混凝土材料損傷評估包括混凝土剩余抗壓強度、熱膨脹應(yīng)變2個參數(shù)。計算依據(jù)如下：

⑴混凝土剩余抗壓強度

通過構(gòu)件表面最高溫度對混凝土剩余抗壓強度進行計算，見式⑴：

式中：D為火災(zāi)后混凝土強度的折減系數(shù)，取值如表1［15］所示。fc和fc′分別為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值和高溫后混凝土剩余抗壓強度，取值如表2［16］所示。

表1 不同冷卻方式下混凝土抗壓強度折減系數(shù)Tab.1 Compressive Strength Reduction Factor of Concrete after Natural or Water Cooling

表2 混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值Tab.2 Design Value of Concrete Axial Compressive Strength

⑵混凝土的熱膨脹應(yīng)變

參考《建筑混凝土結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計技術(shù)規(guī)程：廣東省標準DBJ/T 15-81—2011》［17］，混凝土的熱膨脹應(yīng)變主要考慮混凝土的骨料類型和構(gòu)件最高溫度，計算分別見式⑵和⑶。

1.2.2 鋼筋材料損傷評估設(shè)計

鋼筋材料的損傷評估考慮高溫下鋼筋的屈服強度、彈性模量，計算依據(jù)如下：

⑴高溫下鋼筋的屈服強度

基于混凝土構(gòu)件表面最高溫度來計算高溫下鋼筋屈服強度，見式⑷：

式中：ηyT為普通鋼筋的屈服強度折減系數(shù)，見式⑸［17］；fyk和fyk′分別為鋼筋屈服強度標準值和高溫后鋼筋剩余屈服強度，取值如表3［15］所示。

表3 鋼筋強度標準值Tab.3 Strength Standard Values of Steel Bar

普通鋼筋屈服強度折減系數(shù)見式⑸：

⑵高溫下鋼筋的彈性模量

同樣基于混凝土構(gòu)件表面最高溫度來計算高溫下鋼筋彈性模量，見式⑹：

式中：ηsT為高溫下普通鋼筋的彈性模量，見式⑺［14］；EsT和Es分別為鋼筋高溫下的彈性模量及普通鋼筋的彈性模量，見表3［17］。

普通鋼筋的彈性模量折減系數(shù)：

1.2.3 鋼筋混凝土損傷深度評估設(shè)計

文獻［17］指出溫度大于500 ℃后的混凝土將不再參與承載，即混凝土構(gòu)件截面中500 ℃等溫線與構(gòu)件表面的深度可視為火災(zāi)影響的損傷層厚度。因此，本文基于有限差分法得到的混凝土構(gòu)件溫度分布情況，以500 ℃等溫線為依據(jù)，對火災(zāi)后鋼筋混凝土的損傷深度進行評估。

2 評估過程與評估結(jié)果

為了驗證評估系統(tǒng)的可行性，以火災(zāi)后的洗衣店為研究對象，對其鋼筋混凝土樓板損傷進行了快速評估。案例工況如下：

洗衣房的鋼筋混凝土樓板厚度為100 mm；強度等級為C30；骨料為鈣質(zhì)骨料；材料密度為501 kg/m3；常溫下彈性模量為39 GPa；鋼筋型號為HRB400。在火災(zāi)出現(xiàn)后，現(xiàn)場經(jīng)消防隊員噴水處理很快控制火情［18］。

通過CFAST軟件模擬了洗衣房的火災(zāi)情況，得到的混凝土樓板表面溫度如圖2所示。通過模擬得到的表面溫度，進而可計算得到樓板內(nèi)部的溫度場分布情況。通過在軟件中設(shè)置△t=0.005 min，△x=1 mm，可自動獲得數(shù)值分析結(jié)果，如圖3所示。

圖3 樓板截面溫度分布Fig.3 Temperature Distribution of the Floor

基于CFAST模擬結(jié)果中樓板表面的最高溫和熱傳遞原理得到的構(gòu)件截面溫度，評估得到在火災(zāi)后的混凝土剩余強度為10.05 MPa；火災(zāi)導(dǎo)致的混凝土熱膨脹應(yīng)變?yōu)?.004 63；火災(zāi)影響后的鋼筋屈服強度為163.1 MPa；火災(zāi)影響后的鋼筋彈性模量為1.07×105MPa。此外根據(jù)本系統(tǒng)得到的樓板截面500 ℃等溫線分布，發(fā)現(xiàn)樓板損傷深度為1 mm，表明樓板幾乎沒有損傷。

3 結(jié)論

本文基于CFAST平臺開發(fā)了能夠快速建模、火災(zāi)模擬及損傷評估的火災(zāi)后鋼筋混凝土構(gòu)件損傷快速評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過SQLite 數(shù)據(jù)庫進行管理。通過對某洗衣房火災(zāi)后混凝土樓板的快速評估，可以得到如下結(jié)論：

⑴相比與傳統(tǒng)評估方法，本基于CFAST 平臺的系統(tǒng)能簡單建立模擬建筑火災(zāi)后的模型，簡單的操作方式提高了評估效率。

⑵文中模擬的建筑經(jīng)計算后無明顯損傷，說明了該評估系統(tǒng)能夠有效評估火災(zāi)后混凝土和鋼筋材料的損傷情況以及混凝土構(gòu)件的損傷深度。