變電站既有建筑物的安全耐久性問題分析

薛曉峰

（上海送變電工程公司，上海 200235）

0 引言

變電站建成運行5～6年后，會在屋面、混凝土樓板、磚墻及鋼筋混凝土設(shè)備支架電桿等處發(fā)現(xiàn)小裂縫。隨著時間推移，新的裂縫會不斷出現(xiàn)并不斷發(fā)展。變電站房屋結(jié)構(gòu)少量裂縫是個值得注意的問題，輕者會影響變電站美觀、造成滲漏水，重者會降低構(gòu)件承載力，影響結(jié)構(gòu)耐久性，大大縮短房屋使用壽命。因此，需要及時處理變電站既有建筑物的安全性和耐久性問題。

1 變電站建筑物的耐久性問題

1.1 磚墻開裂滲水風(fēng)化

1）關(guān)鍵因素是使用和環(huán)境 作為一種經(jīng)濟(jì)可靠的結(jié)構(gòu)形式，變電站早期建造的建筑物大多采用磚混結(jié)構(gòu)體系。2008年據(jù)鄭州地區(qū)130座房屋調(diào)查結(jié)果可知，除了設(shè)計、施工因素外，使用和環(huán)境因素是造成磚混結(jié)構(gòu)房屋損傷的主要原因［1］。在環(huán)境溫差作用下，由于變電站高壓配電樓采用長條形磚混結(jié)構(gòu)，溫差變形會使其兩端靠近屋蓋下檐的縱橫墻面上出現(xiàn)水平或斜裂縫；對于繼電器室等方型大開間的磚混結(jié)構(gòu)建筑物，溫差裂縫主要分布在四周靠近屋蓋下檐的縱橫墻面上，主要為水平裂縫；此外在窗洞四角和窗下也可能出現(xiàn)裂縫。

2）主要原因是熱膨脹不同 溫差裂縫屬穩(wěn)定型裂縫，縫隙一般較小。溫差裂縫產(chǎn)生的主要原因是混凝土構(gòu)件與磚砌體的熱膨脹性不同，混凝土結(jié)構(gòu)屋面的伸縮變形引起其下磚砌體內(nèi)部應(yīng)力超過其材料抗拉強度的結(jié)果。溫差裂縫一般不會進(jìn)一步發(fā)展，短期內(nèi)不會影響構(gòu)件安全，但裂縫會影響建筑物的美觀和結(jié)構(gòu)的耐久性。

3）上海地區(qū)屬于軟土地基 變電站大多采用對變形比較敏感的墻下條形基礎(chǔ)，多年運行后墻腳會因基礎(chǔ)不均勻沉降而出現(xiàn)由下往上發(fā)展，呈八字形或倒八字形的斜裂縫，主要集中在底層房屋四角和沉降縫兩側(cè)。

4）外墻開裂和風(fēng)化機理 變電站的外墻開裂滲水，會使砂漿中水溶性氫氧化鈣通過毛細(xì)效應(yīng)被輸送到砂漿表面，隨著外墻滲水停止，砂漿表面水分蒸發(fā)后氫氧化鈣便被析出，形成一層粉末。當(dāng)外墻滲水不能得到及時有效處理，磚墻表面的粉刷層便會逐漸粉化。當(dāng)黏土磚浸水時，水溶性無機礦物材料便會從磚塊中溶出并通過毛細(xì)作用滲透到磚塊表面，水分蒸發(fā)時該物質(zhì)會重新結(jié)晶并殘留在磚塊表面成為“墻硝”。當(dāng)這種溶鹽屬于硫酸鹽類物質(zhì)時，在結(jié)晶過程中硫酸鹽晶體的體積會增大，從而引起磚塊表面膨脹破壞，這種風(fēng)化作用最終導(dǎo)致外墻截面積減少，荷載偏心距增加，墻體承載力和安全度顯著降低。

考慮到磚墻長期開裂滲水，不僅會影響房屋外觀及其正常使用，還會加快磚墻外表風(fēng)化和剝落速度。為了確保變電站的安全運行，在日常巡視和變電站技術(shù)改造中，必須關(guān)注磚混建筑物外墻的開裂和風(fēng)化問題。

1.2 混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹脹開裂

以變電站室外構(gòu)架中常見的混凝土電桿為例，由于長期處于日曬雨淋，風(fēng)霜雪雨的戶外環(huán)境中，經(jīng)過數(shù)十年運行，難免在其表面不同程度地出現(xiàn)縱橫裂紋、蜂窩麻面等破損現(xiàn)象，這主要源于混凝土的碳化、堿骨料反應(yīng)及鹽類侵蝕作用［2］。

1）混凝土碳化 由于大氣中的酸性介質(zhì)和水通過各種微孔道及裂縫滲入混凝土，使混凝土的堿度降低，為鋼筋銹蝕創(chuàng)造了條件。鋼筋銹蝕后，隨著截面積逐漸減小，屈服強度與極限強度下降，屈服平臺縮短甚至消失［3］。銹蝕生成的氧化物一方面會發(fā)生體積膨脹，引起保護(hù)層順筋脹裂甚至脫落，導(dǎo)致構(gòu)件混凝土截面積減??；另一方面銹脹也破壞了鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)，導(dǎo)致鋼筋混凝土構(gòu)件表面裂縫間距增大、寬度增大、剛度降低，不僅降低了構(gòu)件的承載力，而且銹蝕也使構(gòu)件的變形能力顯著下降［4］。因此，混凝土碳化是主要原因，而且混凝土碳化還會發(fā)生收縮現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生收縮裂縫。

2）堿骨料反應(yīng) 骨料中的活性礦物與混凝土中的堿性細(xì)孔溶液間的內(nèi)部膨脹會產(chǎn)生裂縫。

3）鹽類侵蝕 鹽類尤其是氯鹽，不僅會破壞鋼筋表面的鈍化膜引起鋼筋銹蝕，還會導(dǎo)致電桿順筋開裂和鋼筋保護(hù)層脫落。因此，鹽類侵蝕會使鋼筋腐蝕加速，電桿表面裂紋不斷擴展。雖然混凝土構(gòu)件鋼筋銹蝕開裂的過程是逐漸發(fā)展的，但受彎梁、板和受壓混凝土柱的對比試驗，均證實銹蝕后構(gòu)件的破壞過程極其短暫，脆性破壞前無明顯預(yù)兆［5］。

4）其他方面 除了室外混凝土構(gòu)架會出現(xiàn)耐久性問題外，由于設(shè)計施工時混凝土保護(hù)層厚度偏小，也會引起室內(nèi)構(gòu)件中鋼筋過早銹蝕而產(chǎn)生耐久性問題?？傊绊懟炷翗?gòu)件耐久性的因素，既有材料品種、強度、施工質(zhì)量和保護(hù)層厚度等內(nèi)部因素，也有環(huán)境、氣候和荷載等外部因素。因此，除了設(shè)計施工單位要在新建工程中預(yù)防出現(xiàn)耐久性問題外，電網(wǎng)運行單位也要隨時巡查混凝土結(jié)構(gòu)使用情況，避免鋼筋銹脹開裂對變電站安全運行產(chǎn)生不利的影響。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)銹蝕

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，大氣污染嚴(yán)重，鋼結(jié)構(gòu)的防腐問題十分嚴(yán)峻，這也是工程結(jié)構(gòu)中鋼結(jié)構(gòu)的三大隱患之一。據(jù)統(tǒng)計，我國1995年因鋼結(jié)構(gòu)腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失超過1 500億元，約占國民生產(chǎn)總值的4%。目前，全世界每年因鋼結(jié)構(gòu)腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失超過數(shù)千億美元，而且因鋼結(jié)構(gòu)腐蝕造成的事故，引起停工停產(chǎn)所造成的間接經(jīng)濟(jì)損失，可能超過直接經(jīng)濟(jì)損失的若干倍［6］。

由于變電站雨篷、輸電塔等鋼結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境比較惡劣，而上海地區(qū)的濕度經(jīng)常超過鋼材臨界腐蝕濕度的60%，在露天日曬雨淋、風(fēng)吹、酸雨侵蝕等環(huán)境條件下，如果設(shè)計、施工、管理等方面防腐措施不當(dāng)，就很可能使鋼結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)發(fā)生銹蝕。如果鋼構(gòu)件表面防銹涂層破壞，銹蝕量就會逐漸增加，一旦超過臨界點，截面就會屈服，構(gòu)件就會失穩(wěn)，甚至引起結(jié)構(gòu)垮塌［7］。由于均勻腐蝕、孔蝕、電偶腐蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕形式和成因各有不同，再加上每個鋼構(gòu)件所處的環(huán)境條件可能存在差異，故在無法準(zhǔn)確預(yù)測構(gòu)件銹蝕的前提下，日常巡查鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕情況對維護(hù)變電站正常運行十分重要。

2 應(yīng)對方案

針對變電站既有建筑物目前存在的耐久性問題，在梳理近年國內(nèi)外結(jié)構(gòu)加固修復(fù)技術(shù)研究最新成果的基礎(chǔ)上，提出以下應(yīng)對方案。

2.1 磚混結(jié)構(gòu)

在變電站日常運行中，磚混結(jié)構(gòu)房屋墻體常因溫差和地基不均勻沉降而發(fā)生開裂。在明確這類裂縫發(fā)展已經(jīng)穩(wěn)定的前提下，對寬度大于5mm的裂縫可用水泥砂漿填實，對寬度介于0.3～5mm之間的裂縫可用壓力灌漿修補，然后沿裂縫方向粘貼纖維復(fù)合材料，最后用水泥砂漿抹面。這樣，墻體抗剪承載力基本可以恢復(fù)到破壞之前的水平［8］。如果發(fā)現(xiàn)外墻磚塊風(fēng)化和砂漿粉化，在調(diào)查確定磚墻損傷程度較輕的前提下，可以采取局部修補的方法，即在清除表面風(fēng)化層的基礎(chǔ)上，采用聚合物砂漿嵌補風(fēng)化部位，然后對墻面重新抹灰粉刷或涂刷防水保護(hù)涂料。

2.2 框架結(jié)構(gòu)

在變電站日常運行中，如果發(fā)現(xiàn)混凝土構(gòu)件表面存在銹脹開裂現(xiàn)象，在確定損傷原因和損傷程度的前提下，可以采取局部修補和阻銹的方法以確保結(jié)構(gòu)耐久性能，即先清除銹脹部位已經(jīng)疏松的混凝土和鋼筋表面浮銹，然后用聚合物砂漿修補，最后視鋼筋銹蝕量用外貼玄武巖纖維的方法加固混凝土構(gòu)件［9］。在局部修補的基礎(chǔ)上，對同一幢建筑物同期澆筑的其他混凝土構(gòu)件，采用表面噴涂鋼筋阻銹劑的方法進(jìn)行處理。對銹脹變形嚴(yán)重的室外混凝土環(huán)形電桿，可用熱浸鍍鋅防腐鋼管替換以確保電網(wǎng)安全運行［10］。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)

為了避免鋼結(jié)構(gòu)腐蝕影響變電站安全運行，除了設(shè)計和施工單位要采取防銹措施外，電網(wǎng)運行單位還要密切關(guān)注鋼結(jié)構(gòu)的使用情況，一旦發(fā)現(xiàn)構(gòu)件表面出現(xiàn)銹斑或其他銹蝕跡象，應(yīng)立即除銹并涂刷防腐涂料，涂料宜選擇氟碳漆以確保其耐候性能［11］。

［1］蘇煒，汪菁.環(huán)境因素對既有磚混結(jié)構(gòu)房屋影響的調(diào)查分析［J］.中州大學(xué)學(xué)報，2008，25（2）：117－119.

［2］孫長昊.淺析變電站建構(gòu)筑物常見裂縫及防治措施［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2009，115（4）：105－106.

［3］張偉平，商登峰，顧祥林.銹蝕鋼筋應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，34（5）：586－592.

［4］顧祥林，等.銹蝕鋼筋混凝土梁受彎性能研究［R］.既有輸配電工程結(jié)構(gòu)檢測評定與加固技術(shù)研究報告，2007.

［5］潘毅，陳朝暉.鋼筋混凝土基本構(gòu)件腐蝕后性能的試驗研究［J］.四川建筑科學(xué)研究，2004，30（3）：71－74.

［6］王興強，楊建軍，姜斌.鋼結(jié)構(gòu)的隱患及應(yīng)對措施［J］.山東建材，2006，27（3）：28－31.

［7］張欣.異常因素對單層鋼結(jié)構(gòu)廠房安全性影響的分析研究［D］.西安建筑科技大學(xué)碩士論文，2005.

［8］姚秋來，王忠海，王亞勇，等.玻璃纖維－聚合物砂漿復(fù)合面層對開裂墻體的加固補強試驗研究［C］.中國建筑學(xué)會第五屆建筑結(jié)構(gòu)分會學(xué)術(shù)交流會，長春，2006：446－452.

［9］上海市電力公司，同濟(jì)大學(xué)，上海大學(xué).既有輸配電工程結(jié)構(gòu)加固試驗研究 ［R］.《既有輸配電工程結(jié)構(gòu)可靠性檢測評定與加固技術(shù) TJBE－ASNS－04》，2007.

［10］許菁.鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架在220千伏變電站中的應(yīng)用［J］.上海電力，2005，（4）：420－421.

［11］劉勇.淺析建筑鋼結(jié)構(gòu)涂層的應(yīng)用［J］.安徽建筑，2008，161（4）：110－111.