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備支架電桿等處發現小裂縫。隨著時間推移，新的裂縫會不斷出現并不斷發展。變電站房屋結構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，重者會降低構件承載力，影響結構耐久性，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 磚墻開裂滲水風化

1）關鍵因素是使用和環境 作為一種經濟可靠的結構形式，變電站早期建造的建筑物大多采用磚混結構體系。2008年據鄭州地區130座房屋調查結果可知，除了設計、施工因素外，使用和環境因素是造成磚混結構房屋損傷的主要原因［1］。在環境溫差作用下，由于變電站高壓配電樓采用長條形磚混結構，溫差變形會使其兩端靠近屋蓋下檐的縱橫墻面上出現水平或斜裂縫；對于繼電器室等方型大開間的磚混結構建筑物，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裂縫。

2）主要原因是熱膨脹不同 溫差裂縫屬穩定型裂縫，縫隙一般較小。溫差裂縫產生的主要原因是混凝土構件與磚砌體的熱膨脹性不同，混凝土結構屋面的伸縮變形引起其下磚砌體內部應力超過其材料抗拉強度的結果。溫差裂縫一般不會進一步發展，短期內不會影響構件安全，但裂縫會影響建筑物的美觀和結構的耐久性。

3）上海地區屬于軟土地基 變電站大多采用對變形比較敏感的墻下條形基礎，多年運行后墻腳會因基礎不均勻沉降而出現由下往上發展，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。

4）外墻開裂和風化機理 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效應被輸送到砂漿表面，隨著外墻滲水停止，砂漿表面水分蒸發后氫氧化鈣便被析出，形成一層粉末。當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作用滲透到磚塊表面，水分蒸發時該物質會重新結晶并殘留在磚塊表面成為“墻硝”。當這種溶鹽屬于硫酸鹽類物質時，在結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，這種風化作用最終導致外墻截面積減少，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改造中，必須關注磚混建筑物外墻的開裂和風化問題。

1.2 混凝土結構鋼筋銹脹開裂

以變電站室外構架中常見的混凝土電桿為例，由于長期處于日曬雨淋，風霜雪雨的戶外環境中，經過數十年運行，難免在其表面不同程度地出現縱橫裂紋、蜂窩麻面等破損現象，這主要源于混凝土的碳化、堿骨料反應及鹽類侵蝕作用［2］。

1）混凝土碳化 由于大氣中的酸性介質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生體積膨脹，引起保護層順筋脹裂甚至脫落，導致構件混凝土截面積減小；另一方面銹脹也破壞了鋼筋與混凝土之間的黏結，導致鋼筋混凝土構件表面裂縫間距增大、寬度增大、剛度降低，不僅降低了構件的承載力，而且銹蝕也使構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生收縮現象，導致混凝土表面產生收縮裂縫。

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

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，還會導致電桿順筋開裂和鋼筋保護層脫落。因此，鹽類侵蝕會使鋼筋腐蝕加速，電桿表面裂紋不斷擴展。雖然混凝土構件鋼筋銹蝕開裂的過程是逐漸發展的，但受彎梁、板和受壓混凝土柱的對比試驗，均證實銹蝕后構件的破壞過程極其短暫，脆性破壞前無明顯預兆［5］。

4）其他方面 除了室外混凝土構架會出現耐久性問題外，由于設計施工時混凝土保護層厚度偏小，也會引起室內構件中鋼筋過早銹蝕而產生耐久性問題。總之，影響混凝土構件耐久性的因素，既有材料品種、強度、施工質量和保護層厚度等內部因素，也有環境、氣候和荷載等外部因素。因此，除了設計施工單位要在新建工程中預防出現耐久性問題外，電網運行單位也要隨時巡查混凝土結構使用情況，避免鋼筋銹脹開裂對變電站安全運行產生不利的影響。

1.3 鋼結構銹蝕

隨著現代工業的不斷發展，大氣污染嚴重，鋼結構的防腐問題十分嚴峻，這也是工程結構中鋼結構的三大隱患之一。據統計，我國1995年因鋼結構腐蝕造成的經濟損失超過1 500億元，約占國民生產總值的4%。目前，全世界每年因鋼結構腐蝕造成的經濟損失超過數千億美元，而且因鋼結構腐蝕造成的事故，引起停工停產所造成的間接經濟損失，可能超過直接經濟損失的若干倍［6］。

由于變電站雨篷、輸電塔等鋼結構的使用環境比較惡劣，而上海地區的濕度經常超過鋼材臨界腐蝕濕度的60%，在露天日曬雨淋、風吹、酸雨侵蝕等環境條件下，如果設計、施工、管理等方面防腐措施不當，就很可能使鋼結構在短期內發生銹蝕。如果鋼構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，構件就會失穩，甚至引起結構垮塌［7］。由于均勻腐蝕、孔蝕、電偶腐蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕形式和成因各有不同，再加上每個鋼構件所處的環境條件可能存在差異，故在無法準確預測構件銹蝕的前提下，日常巡查鋼結構的銹蝕情況對維護變電站正常運行十分重要。

2 應對方案

針對變電站既有建筑物目前存在的耐久性問題，在梳理近年國內外結構加固修復技術研究最新成果的基礎上，提出以下應對方案。

2.1 磚混結構

在變電站日常運行中，磚混結構房屋墻體常因溫差和地基不均勻沉降而發生開裂。在明確這類裂縫發展已經穩定的前提下，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到破壞之前的水平［8］。如果發現外墻磚塊風化和砂漿粉化，在調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，即在清除表面風化層的基礎上，采用聚合物砂漿嵌補風化部位，然后對墻面重新抹灰粉刷或涂刷防水保護涂料。

2.2 框架結構

在變電站日常運行中，如果發現混凝土構件表面存在銹脹開裂現象，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構耐久性能，即先清除銹脹部位已經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件［9］。在局部修補的基礎上，對同一幢建筑物同期澆筑的其他混凝土構件，采用表面噴涂鋼筋阻銹劑的方法進行處理。對銹脹變形嚴重的室外混凝土環形電桿，可用熱浸鍍鋅防腐鋼管替換以確保電網安全運行［10］。

2.3 鋼結構

為了避免鋼結構腐蝕影響變電站安全運行，除了設計和施工單位要采取防銹措施外，電網運行單位還要密切關注鋼結構的使用情況，一旦發現構件表面出現銹斑或其他銹蝕跡象，應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.環境因素對既有磚混結構房屋影響的調查分析［J］.中州大學學報，2008，25（2）：117－119.

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

［3］張偉平，商登峰，顧祥林.銹蝕鋼筋應力－應變關系研究［J］.同濟大學學報（自然科學版），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］.既有輸配電工程結構檢測評定與加固技術研究報告，2007.

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

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

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

［8］姚秋來，王忠海，王亞勇，等.玻璃纖維－聚合物砂漿復合面層對開裂墻體的加固補強試驗研究［C］.中國建筑學會第五屆建筑結構分會學術交流會，長春，2006：446－452.

［9］上海市電力公司，同濟大學，上海大學.既有輸配電工程結構加固試驗研究 ［R］.《既有輸配電工程結構可靠性檢測評定與加固技術 TJBE－ASNS－04》，2007.

［10］許菁.鋼結構構架在220千伏變電站中的應用［J］.上海電力，2005，（4）：420－421.

［11］劉勇.淺析建筑鋼結構涂層的應用［J］.安徽建筑，2008，161（4）：110－111.