2022年砌体结构火灾分析 .pdf

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1、南 京 建 筑 工 程 学 院 学 报2 0 0 1年Jou rnal of N anjing A rchitectu ral and第3期Civil EngineeringInstitu teSum N o. 58文章编号: 10032711X (2001)0320055205砌体房屋灾损分析及修复加固方法叶燕华,徐秀丽,孙伟民(南京建筑工程学院土木系,江苏 南京210009 )摘要:砌体房屋在正常使用期,常常会遭受各种自然和人为的灾害作用,使结构发生不同程度的损伤和破坏,从而降低房屋的使用质量、 功能和抗力,甚至造成房屋倒塌而丧失结构的承载能力 。 文中基于砌体房屋受灾情况下的破坏机理及破

2、坏现象,介绍灾损砌体房屋的修复加固方法 。 关键词:砌体房屋;灾害作用;修复加固;灾损 中图分类号: TU 36文献标识码:A砌体房屋在正常的使用生命周期内完成其预定功能的过程中, 除了结构材料随时间的自然老化外 , 还会遭受来自外界的各种自然和人为的灾害作用。 如: 地震、 爆炸、 火灾、 风振、 洪水、滑坡 、 地基沉陷 ,以及结构自身损伤积累导致突然失效的突变灾害。 这些灾害无论是发生的特性、 时间、 空间还是作用强度都具有较强的随机性和偶然性。 灾害荷载作用于砌体房屋, 必然导致砌体结构内部产生不同程度的损伤、 破坏 , 使房屋的抗力 、 刚度随时间衰减, 降低了结构的安全性 、 适应

3、性和耐久性, 严重影响到房屋的使用质量、 性能和功效 ,甚至使房屋完全丧失承载能力。 因此研究各种灾害的损伤破坏和修复加固的问题十分重要。 在此 , 基于砌体房屋受地震、火灾 、 爆作作用的损伤机理分析,提出砌体房屋修复加固的常用方法。1砌体房屋受灾损伤机理据统计 , 国内外无数次灾害中, 砌体房屋的灾后损伤相当严重, 这主要与砌体房屋的抗灾能力有关 。 为使砌体房屋的灾后损伤控制在限定范围, 有必要正确认识砌体结构在灾害环境下的破坏机理 。砌体是由块材和砂浆两种材料复合而成的, 其房屋的抗灾性能远不如混凝土结构 1。在我国,目前使用的砌体房屋中大量的块材仍然是以实心粘土砖和混凝土砌块为主。

4、粘土砖具有较好的稳定性和抗火灾的能力, 但其抗震和抗爆的能力却很弱; 混凝土砌块结构的抗火灾性能与混凝土结构相近 。 砌体房屋在未受灾害荷载作用时, 砂浆在砌体内部一般不易碳化, 表现出较收稿日期: 2001204215作者简介:叶燕华(19562) ,女,江西人,副教授,学士 1? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - -

5、- - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 稳定的特性 ; 一旦遭遇灾害, 砌体结构内部块材和砂浆的性能改变, 这时砂浆的抗灾性能则决定了砌体房屋的抗灾性能。111火灾作用机理以砖为块材的砌体房屋, 在常温及正常高温的情况下, 砂浆有较好的密集性, 砖和砂浆两种材料间的粘结作用较大, 在火灾发生时 , 砖和砂浆在火灾温度作用下材料性能发生变化, 导致砌体强度的损伤。 砂浆的弹性模量比砖的弹性模量小,热膨胀比砖大, 故砂浆在高温受压时产生的横向变形比砖大, 此时砂浆和砖之间的粘结作用增大了砖块的横向受拉使砌体产生竖向裂缝 2 。 随着温度升高 , 砂浆开始疏松

6、 ,强度下降较快 , 砂浆产生的脱水和相应的化学变化降低了它对砖的粘结约束作用, 减小了由于砌体竖向受压而产生的横向拉应力, 改变了砌体的内部结构 。混凝土砌块受火灾作用时, 表面受火处温度升高较快, 而内部温度升高较慢, 二者间的温差会引起墙体开裂,温差导致混凝土砌块中应力集中并开展微裂缝,从而使混凝土砌块强度、弹性模量及塑性降低。 火灾时由于砌体温度的不均匀, 使整体结构内产生温度应力, 结构构件之间约束越大 , 温度应力也越大,对结构的损伤也越大。112地震 、 爆炸作用机理砌块、 砂浆等材料抗剪强度低, 墙体抗剪能力差 ; 结构刚度大 ,变形小 ,延性差 ; 构造上转角处无连接 , 多

7、层砌体房屋无圈梁,无构造柱等 , 则在地震作用下使房屋震害加重。 若砌体房屋未经抗震设计 , 或抗震能力很差, 是造成地震后结构损伤最主要的直接原因。爆炸也是砌体房屋常见的灾害荷载,由于爆炸超压的无方向性, 泄压不利时会使某些构件出现反向受力的可能, 致使构件超过承载能力并产生较大变形, 结构因损伤或破坏而无法继续使用 。2砌体房屋受灾破损现象砌体房屋受火灾 、 地震、 燃爆等灾害荷载作用在时间、 空间和强度上都有很大的随机性。 一般而言 , 砌体房屋在使用的生命周期内, 无论是只受一种灾害作用, 还是同时受多种灾害共同作用 , 各种灾害引起的破坏和损伤都非常严重。 灾害实例调查表明, 砌体结

8、构受灾的破坏形式主要有 ,超越极限承载力的破坏和累积损伤破坏。 前者意味着房屋在强烈的燃爆、 冲击和振动作用下 , 结构的强度 、 位移等力学性能指标超过限值; 后者则是结构和构件的材料力学性能发生劣化 ,终将导致结构破坏。在火灾作用下, 虽然由于结构倒塌而导致死亡的事例较少, 但客观来看 , 由于材料在高温下的物理 、 化学变化 , 使材料力学性能降低, 导致结构构件产生较大程度损伤的情况较多。 对整个结构而言 , 火灾作用时结构的变形、 内力分布和承载力与火灾范围、 温度、 持续时间及升降温历程等许多因素密切相关 3。 由于高温使砌体裂缝、 砂浆失效 、 结构承载力降低以致于屋盖坍塌或墙体

9、倒塌的危险依然存在。 火灾对砌体损伤的程度取决于: 温度升高的速率 、 最高温度及火灾持续作用时间, 温度升高越快 , 温度越高 , 火灾持续时间越长, 损伤越严重 。爆炸使承重墙体支撑的楼盖受到破坏和削弱,产生较大的变形和较宽的裂缝,以及房屋的局部在受冲击力时砸碎坍塌。 若砌体房屋的抗爆设计充分, 结构的整体性和延性较好, 可吸收部分能量 , 即使爆作发生, 通常也被局限在较小的空间内, 不会对结构的其它部分产生很大影65南 京 建 筑 工 程 学 院 学 报2001年? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House

10、. All rights reserved. http:/名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 响; 但当结构节点构造措施不足时, 会导致竖向结构构件损伤而倒塌, 并由于结构某一部分爆炸退出工作 , 使上部结构失去支承而塌落, 下部结构受塌落堆积而造成坍塌, 最终导致整个结构在冲击作用下连续倒塌。 爆炸造成砌体房屋的损伤和破坏是严重的, 如在楼、 屋盖中 , 轻则梁板上拱 、 开裂 , 重则梁板炸飞 、 炸断、 塌落以

11、及承重墙体炸烂、 门窗框变形等等 。 4地震中的砌体房屋, 常常因强度不足而遭到损伤、 破坏甚至倒塌的现象较为普遍, 且大部分以剪切破坏为主, 如构造柱水平裂缝或错动, 墙体的斜裂缝 、 交叉裂缝 、 水平裂缝 、 竖向裂缝等 5。多层砌体房屋 , 在地震作用时有的是屋盖破坏, 导致整个房屋倒塌; 也有的是墙体丧失承载力而导致结构破坏。 砌体房屋的震害程度和破坏部位通常因房屋的体形、 平面布局 、 楼盖类型不同而异 。 如体形复杂的房屋比体形简单的房屋破坏重,圈梁少的房屋比圈梁多的房屋破坏重, 楼、 屋盖刚度小的比刚度大的破坏重。 此外 , 外墙外闪 、 内外墙竖向拉脱 、 墙体碰撞压碎 、

12、房屋四角墙体V 性裂缝 、 楼梯间墙体破坏等等均为砌体房屋在地震中常见的灾损现象。综上 , 砌体房屋在遭遇火灾、 地震、 爆炸等灾害时破损或倒塌现象的主要原因可归结如下:结构丧失整体性; 结构截面承载能力严重不足; 结构变形过大 。3灾损砌体房屋的修复加固方法采取何种加固方法来修复灾损砌体房屋, 取决于结构破坏损伤的现状。 砌体结构在地震 、火灾 、 爆炸作用下的受灾等级及损伤情况的描述详见下表。表 1砌体房屋结构受灾破坏等级及破坏程度描述受灾破坏等级损伤程度描述基本完好结构承重体系完好,表面状态变化不明显,个别墙体有细微裂缝,屋盖完好,房屋附属构件有不同程度破坏,稍加修复即可使用轻微破坏部分

13、承重墙体轻微裂缝,屋盖完好或轻微损坏,出屋面小建筑 、 楼梯间墙体明显裂缝,个别非承重构件明显破坏,附属构件开裂或倒塌,较易修复加固中等破坏部分承重构件严重裂缝或倒塌,墙体明显裂缝,个别屋盖构件塌落,个别非承重构件严重裂缝或局部酥碎,较难修复加固严重破坏多数承重墙体明显裂缝,部分墙体严重裂缝,局部酥碎或倒塌,部分楼 、 屋盖塌落,非承重构件墙体成片倒塌,难以修复倒塌结构主体破坏,房屋倒塌或整体倾到,结构完全丧失承载能力灾害作用后任何未倒塌的砌体房屋,构件抵抗倒塌的能力即为结构的残余承载力。 对受灾砌体房屋 , 无论是受地震 、 火灾或爆炸作用均可视其残余承载力的大小, 决定结构是修复 、 加固

14、或重建 。 如果有足够的残余承载力, 能够维持结构的使用荷载, 仅需根据结构或构件损伤的部位和损伤的程度进行修复加固, 来增强结构抵御外界各种灾害荷载的能力即可。 由上表的受灾等级和损伤程度描述可见, 当灾损砌体房屋处于基本完好至严重破坏之间时, 能够进行修复加固的构件主要为墙体和楼、 屋盖。 由于篇幅所限, 这里主要介绍灾损墙体的修复加固方法, 其它构件的修复加固方法另文发表。 1) 开裂墙体的修复加固墙体有细微或不重的裂缝时,可采用压力灌浆法或化学灌浆法进行修复加固。 压力灌浆法一般采用水玻璃砂浆或107 胶聚合水泥砂浆作粘合剂, 用空气压缩机将粘合剂或各种化学浆75第3期叶燕华等:砌体房

15、屋灾损分析及修复加固方法? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 液灌入或注入墙体裂缝内, 将开裂的墙体重新粘合成一个整体 5 。这种方法简单 、 方便 , 适于砌体裂缝不严重时的修复。 墙体裂缝较严重时, 可采用水泥砂浆 、 钢筋网水泥砂浆面

16、层法, 钢筋混凝土面层法进行加固, 也可同时采用压力灌浆和化学灌浆对裂缝进行修复加固的方法。这里介绍采用玻璃纤维水泥砂浆(GFCM) 加固墙体的方法 : 对于墙体裂缝较严重的情况,可用GFCM材料对墙体进行抹面加固, 加固前应对砌块灰缝先勾缝, 再加固抹面层, 厚度不小于 20 25 mm。 试验表明CFCM加固 , 对于砌体墙的抗剪能力和阻裂性能有较大潜力, 经GFCM修复加固后的墙体承载力提高很大。近几年 , 国内一些受火灾 、 地震灾害的房屋在加固中采用了钢丝网片及GFCM 面层, 不仅施工简便 , 而且效果良好 。此外 , 利用碳纤维布(CFR P) 修补墙体裂缝是目前国内外采用的一种

17、加固新方法, 它可充分发挥 CFR P 高强、 高效的特性 , 且施工便捷 , 不增加墙体厚度 。 CFR P 对墙体加固一般采用在墙的一面粘贴CFR P 带的方式 , 国外一些研究资料建议采用框架式和X 式两种粘贴方案。研究表明,CFR P加固后的墙体对垂直于墙面荷载的承载力和延性有明显的改善,其整体抗震性能也得到提高。 2) 外墙转角墙体的修复加固外墙转角有明显裂缝歪闪时, 可根据歪闪情况用拉杆单面拉结或双面拉结。有明显裂缝时, 可采用钢筋混凝土外包角方法进行加固; 仅有局部裂缝歪闪时,可用钢筋混凝土局部加固。 3) 横墙连接处墙体的修复加固纵横墙连接处 , 受灾后脱开出现裂缝时, 可采用

18、钢拉杆或其它增强拉结强度的措施。 拉杆可根据房屋的进深尺寸和歪闪情况采取沿房屋宽度拉通或局部锚固在横墙内的方法设置。 4) 局部受压墙体的修复加固屋架或大梁支座下墙体开裂, 当裂缝少而细时, 可用填缝的方法, 填缝前应先将缝内的散灰、 碎砖用水冲刷干净。当裂缝少而宽时, 可把裂缝两旁的砖拆去, 用水泥砂浆嵌砌新砖。砌新砖时 , 一定要保证与旧砖墙有可靠的粘结,并沿砖缝适当配筋。 或在梁端换设支撑垫块, 以使支承处砌体具有足够的强度并将荷载传于下部墙体。 其具体实施为 ,先在梁端安设好临时支撑,然后把梁底已挤压破碎或有破坏迹象的砌体, 进行掏挖清除 , 然后用高强度砂浆和块体砌筑新砌体以代换损伤

19、的砌体,并在梁底用高强度干硬砂浆塞实、 榫紧 , 待砂浆有足够强度后, 拆除临时支撑 ,使梁端荷载全部传于新换砌的支承面上。 对支承反力较大的梁, 应在梁端补设梁垫, 通过梁垫扩大承压面, 相应地降低梁垫下砌体的局部压应力。 通常采用预制钢筋混凝土梁垫较为普遍 。 先按设计规定的尺寸和构造预制好梁垫, 再按上述步骤把梁端有破坏痕迹的砌体掏除后, 把预制梁垫换入, 安设在紧贴梁端底面, 并予以嵌实 。 如掏除的破损砌体厚度较大时, 应先在梁垫下换砌好一定厚度的新砌体, 再在上面安放梁垫。 5) 整体倾斜墙体的修复加固倾斜墙体 , 如其有保存价值且灾损程度又不十分严重时, 可采用相应的工程措施,

20、制止变形的进一步发展,同时提高其强度和稳定性, 恢复或提高其抗震能力。 若墙体变形严重, 砂浆或块材的耐久性差,则宜局部或整体进行拆除重砌。 对于墙体开裂外倾, 预制板缝拉开 , 房屋的整85南 京 建 筑 工 程 学 院 学 报2001年吴智深1FPR复合材料在基础工程设施的增强和加固方面的现状与发展.中国首届纤维增强塑料(FR P)混凝土结构学术交流会论文集, 200016: 5220? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/名师资料总结 - - -精

21、品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 体性较差 , 则可采用加设圈梁的方法进行加固。 原楼已有圈梁 , 但仅沿外墙设置 、 横向很少拉通时, 尚应采用加设拉杆进行加固, 屋顶层最好每道横墙均设拉杆拉通, 下层横墙较密时可隔间拉通 。 当横墙较密时通常可采用型钢圈梁, 横墙较少时可采用钢筋混凝土圈梁。4结语随着我国经济建设和人类社会的快速发展, 灾害带来的损失和房屋的破坏越来越受到人们的重视 。 针对砌体房屋受灾破坏机理和灾损程度, 采用不同的修

22、复加固方法, 来达到改善和提高砌体房屋的使用质量, 恢复房屋的功能要求, 使结构具有抵御各种灾害的能力, 应成为我们共同关注的方向。参考文献: 1 丁大钧 1 砌体结构学M1 北京:中国建筑工业出版社, 19971 2 朱伯龙,刘祖华 1 建筑改造工程学M 1 上海:同济大学出版社, 19981 3 闵明保,李延和,高本立,等 1 建筑物火灾后诊断与处理M 1 南京:江苏科学技术出版社, 19941 4 郭文军,江见鲸,崔京浩 1 民用建筑结构燃爆事故及防灾措施J 1 灾害学, 1999, (9) : 79282. 5 王广军 1 震损建筑修复加固的设计与施工M 1 北京:地震出版社, 199

23、4.A nalysis of D isaster D amage and M ethods of Resto ringand Strengthen ing M asonry B uildingsYE Yan2hua, X U X iu2li, SUNW ei2m in(D ept. of C ivil Engineering, N anjing A rchitecturaland Civil EngineeringInstitute, N anjing 210009, China)Abs tract:M asonry buildings often m eet w ith variou s n

24、atu ral or artificialcalamities intheir service term. D amage and destructi on happen in varying degrees . The qualityand func2tion and load resistance of the building w ould be w eakened so that bearing capacity w ould belost collap sew ould be caused . B ased on destructi on mechanism and phenomen

25、on of masonrybu ildings , the methods of resto ring and strengthen ing are introduced in this paper.Key w ords: masonry buildings ; resto ring and strengthen ing; disaster damage95第3期叶燕华等:砌体房屋灾损分析及修复加固方法? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -