第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 某超限高层建筑工程火灾后结构修复设计 穆为，汪大绥，姜文伟 （华东建筑设计研究总院，上海200002)） 摘要：某超限高层建筑工程地上由主楼、裙房和空间折面网架组成，共分为7个主体结构单元和11个网架结构单元 主体结构单元为建筑形体和结构布置均特别不规则的超限混合结构，其中主楼采用带巨型交叉支撑的框架一剪力墙混 合结构，结构高度为158.2n.
本工程施工过程中，2009年2月9日发生了火灾.
本文以火灾后主楼结构修复设计为主 线，介绍了结构的检测和力学性能评估概况，归纳了结构修复设计的原则、要求和方案，总结了整体修复结构受力性 能验算的方法，并简述了火灾后网架结构的修复措施.
本文可为类似工程火灾后的结构修复设计提供参考.
关键词：超限混合结构：空间折面网架结构：施工过程中火灾：结构的检测和力学性能评估：结构修复设计 0概况 0.1工程概况 某超限高层建筑工程位于北京市朝阳区东三环中路以东，地处北京市中央商务区（CBD）的核心区，由高 层主楼（五星级酒店）、多层裙房及其下的两层整体地下室组成，裙房包括舞台塔和后舞台、数码电影院、剧 院看台、视像室、大小录音棚和音控室、展览大厅、主楼的底层前厅等建筑物.
本工程总建筑面积105868m²，其中地下部分 35156m²，地上部分70712m㎡²”.
基本与各建筑物对应，本工程主体结构地上共分 为主楼和6个裙房单元，7个结构单元的平面投影关 系见图1.
主楼地上共设34个结构层，采用带巨型交叉钢 支撑的框架-剪力墙混合结构，结构高度158.2m.
主 楼标准层层高4m，为开口朝西的C形平面，由南北两 侧的单跨框架、四个角部的筒体和东侧中部的大筒体 组成，平面西侧的开口部位设地下1层至29结构层 图1主楼、裙房单元与网架结构的平面投影关系 间沿折面布置的巨型交叉钢支撑系统.
在主楼上部的 C形平面凹口区域布置层高8m、由屋顶钢桁架结构及其下的悬挂钢楼盖结构支承的4个楼层，钢桁架的最大跨 度为38.34m.
主楼的框架柱，以及连接巨型交叉钢支撑系统和钢桁架的筒体采用型钢混凝土构件.
主楼标准层、上部悬 挂钢楼盖结构支承楼层的典型建筑平面见图2、图3，本工程的建筑三维立面图见图4.
各裙房单元均为由钢结构、钢筋混凝土结构和型钢混凝土结构以不同组合形式组成的混合结构.
为满足建筑功能和体型效果，本工程设置了覆盖于主楼和各裙房结构单元以上或外围的焊接球节点空间折 面网架结构，其总展开面积为20761m²，最高高度为158.2m.
网架结构由A~G区共11个单元组成，其中A 区单元支承于数码电影院、舞台塔和后舞台及地下室结构，B~E区共8个单元支承于主楼结构，F区单元支承 于主楼和展览大厅结构，G区单元支承于展览大厅和地下室结构.
网架结构与主楼、裙房单元的平面投影关 作者摘介：棉为（1959-），男，工学学士.
高级工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 系见图1，网架结构的三维组合模型见图5.
T. : 图2主楼标准层建筑平面 图3主楼悬挂钢楼盖结构支承楼层的典型建筑平面 图4建筑三维立面图 图5网架结构的三维组合模型 本工程的结构设计标准和采用的主要结构材料分别见表1和表2.
表1本工程的结构设计标准 表2本工程采用的主要结构材料 结构设计使用年限 50年 地基基确设计等级甲级 材料种类 强度等级或牌号 适用构件 结构安全等级 二级 060 （地下二层~十三层） 主楼框架柱、剪力墙 主楼、地下室 丙类 混凝土 C50 （十四层及以上各层） 主楼框架柱、剪力墙 建筑抗震设防类别 裙房 乙类 其他构件 抗震设防烈度 8度（0.20g） 设计地震分组 第一组 HRB400、 HRB335 抗侧力构件、长悬臂构件 特一级 钢筋 主楼的剪力境、钢筋混凝土框架梁 HRB335、HPB235 其他构件 上部结构抗震等级 主楼的型钢混凝土柱、裙房结构 一级 抗侧力构件、桁架、昂柱 钢材 构件的防火涂层符合建筑耐火等级为一级的要求 Q345C、Q235B 网架结构、非框架梁 本工程属建筑形体和结构布置均特别不规则，且主楼高度超过规定的复杂超限建筑工程，2003年1月通 过结构抗震设防专项审查，2004年开始施工图设计，2005年3月开始结构施工，2006年年底主体结构封顶.
本工程依据当时执行的相关国家标准和国家行业标准、北京市地方标准、风致结构响应研究报告 屋顶雪荷载评价报告（结构修复设计阶段统称为原设计规范）及结构抗震设防专项审查意见进行结构设计.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 0.2火灾概况 2009年2月9日，本工程发生火灾.
火灾由施工现 场燃放的礼花弹掉进主楼顶部D区网架单元的擦窗机开 孔后，引燃网架建筑面层内的防水和保温材料引起.
火势 沿主楼东西侧网架单元和南侧幕墙迅速向下蔓延，主楼、 展览大厅和剧院看台单元内部也发生大面积过火，过火表 面积约10余万平方米，整个火灾持续时间约6小时.
火 灾现场见图6.
火灾发生时，本工程主体结构、网架结构及钢结构的 防腐、防火涂层已施工完毕，建筑的外立面和部分内部装 修施工，以及机电设备安装已完成.
本文以火灾后主楼结构修复设计为主线，介绍了结构 检测、力学性能评估概况，归纳了结构修复设计的原则、 要求和方案，总结了整体修复结构受力性能验算的方法， 并简述了火灾后网架结构的修复措施.
图6火灾现场 1结构检测 火灾后结构检测（以下简称检测）的范围为过火的主体结构和网架结构.
1.1检测原则和要求 （1）检测遵循的原则：检测方法符合国家相关标准：检测的项目齐全、数据翔实、结论可靠.
（2）检测要求：通过现场检查和测试，确定火灾导致结构受损的范围、详细部位和损伤程度，以及过火 结构材料火灾后的力学性能，并掌握原结构的施工质量，为火灾后受损结构的力学性能评估和修复设计提供依 据.
1.2检测结论 火灾后的现场应急排查结果表明：主体结构在火灾中总体损伤较轻，但局部损伤较重，在现有条件下不 会有整体坍塌危险：网架结构在现有状态下不会整体坍塌，但存在严重安全隐患.
上述排查结果为火灾后的现 场应急处置及后续的结构修复设计提供了方向性依据.
后续的检测查明主楼、展览大厅、剧院看台单元和A区～G区的网架单元存在火损.
以下以主楼 结构为例，介绍主要火损检测结论.
（1）混凝土结构构件的损伤分级定义： 1级：构件无（明显）损伤，仅为烟火熏黑.
2级：构件有轻微损伤，如混凝土表面龟裂、剥落等，但构 件的承载力未受到明显影响.
3级：构件表面有明显损伤，包括开裂、混凝土裂缝较多或（和）宽度较大、钢 筋外露等，构件的承载力受到一定影响.
4级：构件变形过大，其承载力受到严重影响，变形难于恢复.
（2）钢结构构件的损伤分级定义： 1级：构件无（明显）损伤，防火涂层仅为烟火熏黑.
2级：构件防火涂层熏烤发黄、变色.
3级：构件 防火涂层碳化、开裂、剥落.
4级：构件明显弯曲变形，或焊缝开裂.
5级：构件扭曲、屈曲、变形过大或局 部坍场.
（3）除屋顶钢桁架结构以外的主要检测结论： 地下部分、14层、16层、18层、21层、22层、23层、25层、26B层、26C层、29层、30层和30夹层 未过火，未见结构构件遭受火灾损伤.
1层、3层、4层、6层、26E层和28层中有达到损伤等级1级的构件.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 19层、20层、24层、26A层中有达到损伤等级2级的 构件.
2层、5层、7层~13层、15层、17层和26D层中有达 到损伤等级3级的构件.
27层中除北侧无楼板区域的一跨水平钢管支撑的中间 交叉节点断裂，其损伤等级为4级外，其他受损构件的损伤 等级不高于3级.
所测结构过火最严重部位暴露钢筋的力学性能满足国 家规范要求，火灾对混凝土构件内钢筋的力学性能无明显影 响.
抽检过火最严重的典型高强度螺栓摩擦型连接节点，未 发现屈服、变形过大、破坏等现象.
所测的受损混凝土构件，其损伤部位的表层混凝土强度 有不同程度的降低.
典型楼层火灾损伤分布情况见图7. 图7典型楼层火灾损伤分布示意图 （4）屋顶钢桁架结构（含上部悬挂钢楼盖结构的吊柱）的检测结论： 未发现火灾后屋顶钢桁架结构有严重变形和期塌，其构件未见明显弯曲变形、扭曲、屈曲等情况，所测钢 桁架的浇度满足原设计规范要求.
钢桁架结构的损伤主要为其防火涂层熏黑、发黄、碳化、开裂或脱落，受损构件的本体基本仍为金属色， 未见明显损伤，构件损伤等级不超过3级.
里氏硬度法测试结果表明，过火钢材的抗拉极限强度均达到Q345等级钢材的要求.
对现场安装焊缝进行超声波复检，未发现超标缺陷，所检测 焊缝全部合格.
钢桁架结构与混凝土筒体连接位置的混凝土基本仅存在表 面熏黑，未发现有开裂、剥落、疏松等情况，混凝土未见损伤.
屋顶钢桁架布置及主要钢桁架详图见图8、图9. 图8星项钢桁架结构布置示意图 图9主要钢桁架（HJ31-3）详图 2结构力学性能评估 检测结论客观地反映了火灾后过火结构的损伤状况和所测过火部位结构材料火灾后的力学性能，但尚不能 反映火灾后受损结构的初始受力状态和受力性能.
为此需进行受损结构的力学性能评估（以下简称评估）.以 下选取主楼、展览大厅和剧院看台单元，介绍评估原则和要求，并以主楼结构为例介绍评估方法和主要评估结 论.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 2.1评估原则和要求 （1）评估遵循的原则：火场调查及数据模拟分析技术 建筑设计及施工 现场资科收集 大灾现场调查 典型情提试治 先进：评估方法科学、准确：评估内容全面，结论可靠.
（2）评估要求：针对不同类型、形体和布置的结构的 火灾数值换报 受火特点和火灾后的受力性状，提出竖向荷载效应组合下评 建筑火灾理度场 估的总体思路和方法：分析受损结构或构件在火灾全过程中 和火灾后的受力状态：按给定的结构修复设计方案，评估修 适度分析方法验证 复结构或构件的受力性能，为受损结构的修复设计提供依 构件温度场 据.
全过程分析方法验证 2.2评估方法 火灾与有会 全证程分析 后力学性能试验 构件遗度及火安 按检测报告，损伤等级为1级的构件无（明显）损伤， 仅为烟火熏黑，无需评估.
因此评估只针对损伤等级高于1 火灾后结构及构 级的混凝土构件或存在损伤的混凝土结构及过火的钢结构.
件录输力、刚度 和变形等 主楼结构评估的总体思路见图10.
该评估思路与实际情况 最接近，保证了评估结果的正确可靠.
图10主楼结构力学性能评估的总体思路 基于结构修复设计单位事先给定的结构修复设计方案和非线性有限元软件平台，主楼结构评估过程中分别 建立了受损混凝土构件（柱、梁、墙、板）、上部悬挂钢楼盖结构、屋顶钢桁架结构等的有限元模型，进行力 与温度耦合的火灾全过程分析和评估.
2.3评估结论 主楼结构的主要评估结论如下： （1）损伤等级为2级、3级的框架柱（当设计轴向荷载比为0~0.4时），其极限抗弯承载力和抗弯刚度 的损失率或提高幅度的评估结论见表3.
表3柱的极限抗弯承载力和抗弯刚度评估结论 （2）原混凝土强度等级为C60和C50的框架 极限抗弯承裁力 抗弯刚度 柱，其火灾后损伤截面的混凝土等效抗压强度评估 修复方法和构 损伤 件 等级 结论见表4.
典型框架柱火灾前后的N/NO~M/MO 绕强轴 绕弱轴 绕强轴 绕弱轴 相关曲线见图11.
3级 减 7% 减5% 减15% 减18% 表4柱的混凝土等效抗压强度评估结论 按原 凝土柱 2级 减6% 减 4% 减9% 减 11% 损伤构件 损伤等级 混凝土的等效抗压强度 截面 (MPa) 修复 钢筋混 3级 减 11% 减 15% 减17% 减 18% 凝土柱 3级 95~55 2级 减6% 减13% 减10% 减 11% 原 C60 的框架柱 2级 56~57 3级 3.8%~ 增 采用增大截面 增 增 9% 7%~10% 6. 7% 增8% 加固法修复的 3级 46 型钢混凝土柱 原C50的框架柱 2级 提高幅度比损伤等级3级更大 2级 47 （3）损伤等级为2级、3级的钢筋混凝土梁，其极限抗弯承载力和抗弯刚度的损失率或提高幅度的评估 结论见表5.
（4）原混凝土强度等级为C40的梁，其火灾后损伤截面的混凝土等效抗压强度为36MPa.
（5）受损混凝土柱、梁的钢筋和柱内型钢，其屈服强度可取常温下的相应数值.
（6）受损剪力墙墙肢按原截面修复或整层加固后，其弹性刚度降低4%～26%：在整体修复结构受力性能 验算的组合轴向压力设计值作用下，其抗弯、抗剪承载力设计值分别损失1.1%~11%和1.3%~14.7%.
（7）受损混凝土板按原截面修复后，其可承担的最大均布荷载设计值的降幅为3%~26%和29%～37%的分 别约占98%和2%
