倒錐殼水塔耐久性評定及剩余壽命預測

王猛　徐馳

摘 要：目前，我國大多數的倒三錐殼水塔已經普遍使用了20～30年，由于長期暴露在外，部分水塔混凝土結構未到設計使用壽命便出現了嚴重的耐久性問題。對使用一定年限的鋼筋混凝土結構進行結構檢測，并對其耐久性評定和剩余壽命預測是十分必要的，不僅可以揭示潛在危險，及時做出維修，加固或拆除決策，避免重大事故的發生，做到防范于未然。

關鍵詞：倒錐殼水塔；耐久性評定；剩余壽命；結構檢測

當前，我國大多數的倒錐殼水塔已使用了20～30年，由于長期暴露在外，混凝土碳化十分嚴重，同時由于鋼筋保護層的失效導致水箱殼體鋼筋嚴重銹蝕，水箱殼體的漏水問題普遍存在，亟需通過結構檢測，綜合評定其混凝土結構的耐久性，并對其剩余使用年限進行預測。文章以湖南某倒錐殼水塔為研究對象，通過分析該結構的混凝土碳化深度、保護層厚度、混凝土強度退化、鋼筋銹蝕狀況和環境溫度進行了詳細的現場勘察和檢測；結合現行混凝土結構耐久性評定規范，對該倒錐殼水塔的剩余壽命進行預測，并給出了加固和改造建議。

1 工程概況

某倒錐殼水塔位于湖南省湘潭市，建于1984年，建成并投入使用至今已近30年。該水塔為鋼筋混凝土結構，支筒高30m，最大蓄水體積200m3，支筒混凝土為C35，水箱、人井及人井平臺混凝土為C30，水箱下環梁混凝土為C25，按國家相關標準圖集建造。

2 現場檢測結果

在進行現場檢測時，主要采用無損檢測方法、局部破損方法以及觀察法進行檢測。現場調查了該水塔結構形式及布局，水塔處于露天大氣污染環境中，水塔周圍地基穩定，周圍無經常性、明顯影響結構安全的振動。檢查了水塔基礎、支筒及水箱、下殼環梁、人井及人井平臺等主要承重結構，水塔基礎、支筒及水箱、下殼環梁、人井及人井平臺無明顯變形，水塔無明顯傾斜及沉降裂縫，性能目前表現良好；但水箱下殼發現多處明顯裂縫，出現長期滲漏現象，最大裂縫寬度達到2.0mm，受力鋼筋多處出現銹蝕，部分鋼筋銹蝕嚴重；支筒發現多處明顯裂縫，特別是在孔洞附近，最大裂縫寬度達到2.2mm。水箱上殼混凝土保護層崩落，出現明顯的主筋銹蝕；支筒混凝土環向出現多處混凝土保護層崩落，環向鋼筋出現銹蝕；每層的人井平臺鋼筋外露，出現明顯銹蝕。具體本次檢測得到的檢測數據見表1。

3 水塔建成至鋼筋開始銹蝕的計算

結合《混凝土結構耐久性評定標準》[10]（CECS220：2007），鋼筋開始銹蝕時間應考慮碳化速率、保護層厚度和局部環境的影響，可按式（1）估算：

式中：ti-結構建成至鋼筋開始銹蝕的時間；Kk、Kc、Km-碳化速率、保護層厚度、局部環境對鋼筋開始銹蝕時間的影響系數。

3.1 碳化系數k的確定

式中：xc-實測碳化深度（mm）；t0-結構建成之檢測時的時間。

根據檢測結果和公式（2），求得k=3.65。

3.2 碳化速率、保護層厚度和局部環境影響系數的確定

根據本次檢測結果，結合《工業建筑可靠性鑒定標準》[9]（GB 50144-2008）和《混凝土結構耐久性評定標準》[10]（CECS220：2007）得出各耐久性影響系數見表2。

表2 碳化速率、保護層厚度和局部環境影響系數

根據式（1）和表2的結果，可求得結構建成至鋼筋開始銹蝕的時間ti=16.0年。

4 保護層銹脹開裂的時間的計算

保護層銹脹開裂時間應考慮保護層厚度、混凝土強度、鋼筋直徑、環境溫度、環境濕度以及局部環境的影響，可按下式估算：

式中：tcr-保護層銹脹開裂的時間；tc-鋼筋開始銹蝕至保護層銹脹開裂的時間；A-對室外墻板取A=4.9；Hc、Hf、Hd、HT、HRH、Hm-保護層厚度、混凝土強度、鋼筋直徑、環境溫度、環境濕度、局部環境對保護層銹脹開裂時間的影響系數。

根據本次檢測結果表1，結合《工業建筑可靠性鑒定標準》[9]（GB 50144-2008）和《混凝土結構耐久性評定標準》[10]（CECS220：2007）得出各影響系數見表3。

表3 各對保護層銹脹開裂時間的影響系數

根據表3和公式（3）和（4），可求得保護層銹脹開裂的時間tcr=34.5年。

5 混凝土表面出現可接受最大外觀損傷的時間的計算

混凝土表面出現可接受最大外觀損傷的時間應考慮保護層厚度、混凝土強度、鋼筋直徑、環境溫度、環境濕度以及局部環境的影響，可按下式估算：

式中：td-混凝土表面出現可接受最大外觀損傷的時間；tcl-鋼筋開始銹蝕至混凝土表面出現可接受最大外觀損傷的時間；B-室外墻、板取B=8.09；Fc、Ff、Fd、FT、FRH、Fm-保護層厚度、混凝土強度、鋼筋直徑、環境溫度、環境濕度、局部環境對混凝土表面出現可接受最大外觀損傷時間的影響系數。

根據本次檢測結果表1，結合《工業建筑可靠性鑒定標準》[9]（GB 50144-2008）和《混凝土結構耐久性評定標準》[10]（CECS220：2007）得出各影響系數見表4。

表4 各對混凝土表面出現可接受最大外觀損傷時間的影響系數

根據表4和公式（5）和（6），可求得混凝土表面出現可接受最大外觀損傷的時間td=48.6年。

從計算結果分析，水箱下殼發現多處明顯裂縫，出現長期滲漏現象，受力鋼筋多處出現銹蝕，部分鋼筋銹蝕嚴重。水箱上殼混凝土保護層崩落，出現明顯的主筋銹蝕。當前的使用時間是30年，預測結構建成至保護層銹脹開裂時間是34.5年，這與實際調查情況比較符合。雖然最后預測混凝土表面出現可接受最大外觀損傷的時間在18年后，但結構構件的承載力已不滿足要求，為預防潛在風險，建議進行加固維修處理。

6 結束語

隨著一大批混凝土建筑進入老化階段，越來越多的業主在對既有建筑物的檢測和鑒定過程中，提出耐久性評定和剩余壽命預測的要求。可以說，如何對這些建筑進行科學的耐久性、經濟性評定以及剩余壽命的預測，是當今土木工程領域的研究熱點。通過對實際案例的檢測分析，可對其他鋼筋混凝土建筑的耐久性鑒定，提供一定參考作用。

參考文獻

[1]盧木，等.混凝土耐久性研究現狀和研究方向[J].工業建筑，1997.

[2]鐘大鳴，等.結構可靠性鑒定與耐久性評估[J].建筑結構學報，1999.

[3]GB/T50344-2004.建筑結構檢測技術標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2004.

[4]GB50010-2010.混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[5]GB50144-2008.工業建筑可靠性鑒定標準[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[6]CECS220：2007.混凝土結構耐久性評定標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[7]牛荻濤，王艷，連暉，等.工業廠房耐久性評定及剩余壽命預測[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

作者簡介：王猛（1982，3-），男，湖南桃江人，碩士，工程師，一級注冊結構工程師，研究方向：建筑結構設計。