基于混凝土鋼筋銹蝕下既有建筑的加固方案研究

石佳樂 高波 董瑩

（徐州工程學(xué)院，江蘇徐州 221018）

0 引言

對于建筑結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕所造成的耐久性不足，在世界各國都十分重視。既有建筑混凝土的鋼筋銹蝕，其危害主要有三個方面：①降低結(jié)構(gòu)承載力，安全性下降；②降低結(jié)構(gòu)剛性，變形率增大，甚至使混凝土保護(hù)層剝落，影響其正常使用；③降低結(jié)構(gòu)延展性，改變其破壞形態(tài)，從而導(dǎo)致傷亡事故[1]。因此，鋼筋的銹蝕是影響既有結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素，對既有建筑加固方案的研究成為此領(lǐng)域研究最多的內(nèi)容之一。

近年來，我國對既有建筑加固設(shè)計、維修和改造的投資比重越來越大，加固技術(shù)水平發(fā)展速度迅猛，已成為結(jié)構(gòu)工程加固修復(fù)研究中的重點領(lǐng)域[2-3]。既有建筑結(jié)構(gòu)加固的研究方法包括結(jié)構(gòu)可靠性鑒定、質(zhì)量檢測、耐久性評估、加固設(shè)計和施工等多個技術(shù)環(huán)節(jié)，涉及多方面的因素。

1 鋼筋銹蝕對既有建筑結(jié)構(gòu)性能的影響

1.1 鋼筋銹蝕機(jī)理

混凝土結(jié)構(gòu)隨著時間的遷移不斷產(chǎn)生鋼筋銹蝕，是影響建筑物正常使用的病害?；炷帘Ｗo(hù)層不夠，混凝土結(jié)構(gòu)有裂縫，建筑結(jié)構(gòu)中有外露的鋼筋頭，加上與水、空氣的滲透作用，混凝土未滿足密實要求、有空洞；混凝土標(biāo)號太低，使得鋼筋周圍堿度降低；由于氯化物介入，鋼筋周圍的氯離子較高，進(jìn)而引起鋼筋周圍的氧化膜破壞，鋼筋中鐵離子與侵入混凝土中的氧氣、水分發(fā)生銹蝕反應(yīng)，從而生成氫氧化鐵銹蝕物[4]。

此外，混凝土中鐵銹產(chǎn)生同樣也是一個電化學(xué)過程，它是由鋼筋表面的電阻，與水泥漿的pH、電解質(zhì)（氯化物）向混凝土的擴(kuò)散所控制。加上在荷載作用下，結(jié)構(gòu)受彎引起的混凝土的裂縫，導(dǎo)致氯離子及其他離子更快地擴(kuò)散，這樣個別地方的銹蝕因銹蝕產(chǎn)物的聚集，再次帶來更深層的開裂。

1.2 鋼筋銹蝕對既有建筑結(jié)構(gòu)性能的影響

1.2.1 銹蝕鋼筋的強(qiáng)度

鋼筋銹蝕以后：①造成截面面積減??；②力學(xué)性能發(fā)生變化，最明顯的就是鋼筋屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度的降低。但是，隨著侵蝕過程的不同，強(qiáng)度的降低水平也不同。從宏觀上看，銹蝕的鋼筋強(qiáng)度下降的主要原因：①鋼筋銹蝕導(dǎo)致有效截面減小，從而其抵抗拉力減小；②鋼筋受侵蝕后，表面產(chǎn)生凹凸不平，受到應(yīng)力后，使抗拉力進(jìn)一步減小[5]。

1.2.2 銹蝕鋼筋的變形

鋼筋銹蝕后，臨界伸長率顯著下降，塑性降低，通過大量試驗研究發(fā)現(xiàn)，正常工藝水平和化學(xué)成分控制范圍內(nèi)，所生產(chǎn)出來的熱軋鋼筋都有明顯的屈服點和相應(yīng)的屈服臺階，而且鋼的屈強(qiáng)比一般在0.67以內(nèi)。但隨著鋼筋銹蝕的持續(xù)加劇，鋼筋的極限抗拉強(qiáng)度下降比屈服強(qiáng)度更快，屈服臺階急劇縮短，屈服點趨于不明顯甚至消失，進(jìn)而屈強(qiáng)比不斷增大，容易引起建筑結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的突然破壞。

2 鋼筋銹蝕的檢測方法

2.1 混凝土破型檢測

檢測過程考慮破型檢測的目的和必要性，在多方見證人員見證下通過對鋼筋銹蝕后的直徑進(jìn)行測量。此外，在檢測過程中應(yīng)采用錄像、拍照，留存過程資料，確保檢測數(shù)據(jù)真實有效。此方法較為直觀地測量各項技術(shù)參數(shù)，缺點在于費時、費力，對既有建筑外觀造成一定程度的損壞。

2.2 鋼筋侵蝕電位、電阻評定方法[6]

正常情況下鋼筋的電動勢與處于腐蝕狀態(tài)下鋼筋的電動勢是不同的，混凝土鋼筋表面的鈍化膜是完整的，但是鋼筋銹蝕的電化學(xué)過程是與帶電離子在混凝土內(nèi)部的微觀運動有關(guān)。因為電離子的同方向運動會讓混凝土內(nèi)部為帶電導(dǎo)體，通過測量其電阻，可以反映出侵蝕電流的難易性，進(jìn)而判斷保護(hù)層下鋼筋銹蝕的狀態(tài)。但是電阻率法判斷很模糊，侵蝕電位、測量電阻容易受混凝土種類、干濕度和氯鹽等摻合料含量等因素影響，也和操作人員的施工水平有關(guān)，因此，鋼筋侵蝕電位、電阻評定方法更適合于定性研究。

2.3 半電池電位法檢測技術(shù)

為了得到不同混凝土強(qiáng)度下的銹蝕試塊，通過反陰極保護(hù)法來快速銹蝕混凝土中的鋼筋。定量地比較混凝土含水量、保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度和鐵離子含量等相關(guān)技術(shù)參數(shù)，判斷混凝土鋼筋受侵蝕的位置和程度，為制定行而有效地加固方法提供依據(jù)。

3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)

3.1 預(yù)應(yīng)力加固法

通過施加預(yù)應(yīng)力改變結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，在原有結(jié)構(gòu)上增加預(yù)應(yīng)力構(gòu)件以承載部分荷載，提高整體結(jié)構(gòu)的承載能力、降低鋼筋疲勞應(yīng)力、杜絕已有裂縫開展，能有效地滿足載荷和使用要求，增加其結(jié)構(gòu)使用年限和耐久性，但加固后對原結(jié)構(gòu)外觀有一定影響，同時需考慮鋼筋防腐問題。因此，適用于大跨度和重型構(gòu)件加固，或者是基于高應(yīng)力、高應(yīng)變下的混凝土結(jié)構(gòu)加固，不適用于混凝土收縮徐變較大的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件。

3.2 增大截面加固法

通過外側(cè)新澆筑混凝土以增大結(jié)構(gòu)截面，以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和抗裂性，也可以通過修補(bǔ)裂縫，加固混凝土受彎和受壓性能。適用于對梁、板、柱等一般構(gòu)件，成本要求較低，其缺點在于現(xiàn)場濕作業(yè)施工較長，特別在加固節(jié)點時，鋼筋密集而使混凝土澆筑、振搗困難，增加結(jié)構(gòu)自重，同時建筑可利用空間降低。

3.3 改變受力體系加固法

通常在結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）中部增設(shè)支點（剛性支點或彈性支點），將多跨簡支結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)結(jié)構(gòu)體系等方法。改變結(jié)構(gòu)受力體系，可以有效地降低計算彎矩，提高結(jié)構(gòu)承載力和耐久性，達(dá)到加固既有結(jié)構(gòu)的目的。適用于整體既有建筑的結(jié)構(gòu)加固，但工作量較大，易影響既有建筑物原貌和使用性，也會限制既有建筑的使用空間。

3.4 粘鋼加固法

既有結(jié)構(gòu)外部粘貼鋼板，鋼板通過原結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）與膠粘劑共同作用，可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪性能，提高既有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。一般工程中采用圓形加固方案，用鋼量少，更可以提高承載力。適用于承受靜力或者受彎構(gòu)件，其優(yōu)點是施工方便，但需要卸載和除銹，即可組織施工，對現(xiàn)場濕作業(yè)工程量較少，在加固24h后可投入使用，對原有結(jié)構(gòu)外觀和空間均無明顯影響，可顯著提高既有結(jié)構(gòu)剛度和承載力。但加固水平取決于膠粘劑質(zhì)量和施工工藝，一旦粘鋼后發(fā)現(xiàn)空鼓，補(bǔ)救過程十分困難。

3.5 外包鋼加固法

通過對角鋼間用焊接形成整體鋼構(gòu)套，提高結(jié)構(gòu)承載能力和韌性，一般是在不要求增大構(gòu)件截面，同時，還需要大幅度提高結(jié)構(gòu)承載能力。適用于對混凝土柱、梁、屋架以及煙囪等建筑物加固，結(jié)構(gòu)受力可靠，現(xiàn)場工作量較小，主要缺點是鋼材用量較大，施工成本大大增加，此外在節(jié)點處理上施工難度較大，不利于工期緊張的加固工程。

3.6 碳纖維材料（FRP）加固修補(bǔ)法

碳纖維材料（FRP）作為一種新型復(fù)合材料，近年來在既有結(jié)構(gòu)加固及修復(fù)工程中應(yīng)用越來越廣泛，被認(rèn)為是最有前途和經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)加固方法。碳纖維材料具有質(zhì)輕、易施工及較好的耐久性等優(yōu)點，因此受到了各國的普遍關(guān)注[7]。

通過樹脂類膠結(jié)材料將碳纖維織物（布）粘貼于鋼筋混凝土表面，從而達(dá)到對結(jié)構(gòu)加固和改善結(jié)構(gòu)受力性能的目的。碳纖維材料（FRP）加固修補(bǔ)法雖價格略貴于鋼材修補(bǔ)法，同時耗費較多的人工與機(jī)械設(shè)備，但應(yīng)用FRP材料加固具有投資少、見效快和效率高等優(yōu)點[8]。

4 結(jié)語

（1）加固設(shè)計前期階段，應(yīng)對既有建筑的結(jié)構(gòu)形態(tài)、建筑尺寸、材料性能和使用過程的損壞情況進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查和檢測，綜合考慮安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性，為前期設(shè)計方案提供合理依據(jù)。

（2）加固設(shè)計階段，應(yīng)考慮既有結(jié)構(gòu)的使用現(xiàn)狀和功能要求，選擇技術(shù)可行、施工便捷和經(jīng)濟(jì)合理的加固方案。尤其是對于地方保護(hù)性建筑物的加固優(yōu)化設(shè)計，在充分滿足受力要求和保護(hù)范圍的要求下，盡可能地保留和利用原有建筑結(jié)構(gòu)，合理發(fā)揮結(jié)構(gòu)可塑性，采取切實可靠的施工工藝，保證新舊結(jié)構(gòu)間實現(xiàn)相互粘連，緊密配合，提高結(jié)構(gòu)耐久性。

（3）加固施工階段，應(yīng)全面論證加固設(shè)計方案，指出與之相應(yīng)的施工處理對策，合理套作，組織加固施工。同時，應(yīng)定期對加固修復(fù)后的建筑進(jìn)行日常維護(hù)，從而避免二次裂縫對既有建筑造成進(jìn)一步的損害。