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

（徐州工程學院，江蘇徐州 221018）

0 引言

對于建筑結構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降低結構承載力，安全性下降；②降低結構剛性，變形率增大，甚至使混凝土保護層剝落，影響其正常使用；③降低結構延展性，改變其破壞形態，從而導致傷亡事故[1]。因此，鋼筋的銹蝕是影響既有結構耐久性的重要因素，對既有建筑加固方案的研究成為此領域研究最多的內容之一。

近年來，我國對既有建筑加固設計、維修和改造的投資比重越來越大，加固技術水平發展速度迅猛，已成為結構工程加固修復研究中的重點領域[2-3]。既有建筑結構加固的研究方法包括結構可靠性鑒定、質量檢測、耐久性評估、加固設計和施工等多個技術環節，涉及多方面的因素。

1 鋼筋銹蝕對既有建筑結構性能的影響

1.1 鋼筋銹蝕機理

混凝土結構隨著時間的遷移不斷產生鋼筋銹蝕，是影響建筑物正常使用的病害。混凝土保護層不夠，混凝土結構有裂縫，建筑結構中有外露的鋼筋頭，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、水分發生銹蝕反應，從而生成氫氧化鐵銹蝕物[4]。

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

1.2 鋼筋銹蝕對既有建筑結構性能的影響

1.2.1 銹蝕鋼筋的強度

鋼筋銹蝕以后：①造成截面面積減小；②力學性能發生變化，最明顯的就是鋼筋屈服強度、極限強度的降低。但是，隨著侵蝕過程的不同，強度的降低水平也不同。從宏觀上看，銹蝕的鋼筋強度下降的主要原因：①鋼筋銹蝕導致有效截面減小，從而其抵抗拉力減小；②鋼筋受侵蝕后，表面產生凹凸不平，受到應力后，使抗拉力進一步減小[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現，正常工藝水平和化學成分控制范圍內，所生產出來的熱軋鋼筋都有明顯的屈服點和相應的屈服臺階，而且鋼的屈強比一般在0.67以內。但隨著鋼筋銹蝕的持續加劇，鋼筋的極限抗拉強度下降比屈服強度更快，屈服臺階急劇縮短，屈服點趨于不明顯甚至消失，進而屈強比不斷增大，容易引起建筑結構或構件的突然破壞。

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行測量。此外，在檢測過程中應采用錄像、拍照，留存過程資料，確保檢測數據真實有效。此方法較為直觀地測量各項技術參數，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過程是與帶電離子在混凝土內部的微觀運動有關。因為電離子的同方向運動會讓混凝土內部為帶電導體，通過測量其電阻，可以反映出侵蝕電流的難易性，進而判斷保護層下鋼筋銹蝕的狀態。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，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

為了得到不同混凝土強度下的銹蝕試塊，通過反陰極保護法來快速銹蝕混凝土中的鋼筋。定量地比較混凝土含水量、保護層厚度、混凝土強度和鐵離子含量等相關技術參數，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。

3 鋼筋混凝土結構加固技術

3.1 預應力加固法

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

3.2 增大截面加固法

通過外側新澆筑混凝土以增大結構截面，以提高結構強度、剛度和抗裂性，也可以通過修補裂縫，加固混凝土受彎和受壓性能。適用于對梁、板、柱等一般構件，成本要求較低，其缺點在于現場濕作業施工較長，特別在加固節點時，鋼筋密集而使混凝土澆筑、振搗困難，增加結構自重，同時建筑可利用空間降低。

3.3 改變受力體系加固法

通常在結構（構件）中部增設支點（剛性支點或彈性支點），將多跨簡支結構轉變為連續結構體系等方法。改變結構受力體系，可以有效地降低計算彎矩，提高結構承載力和耐久性，達到加固既有結構的目的。適用于整體既有建筑的結構加固，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

既有結構外部粘貼鋼板，鋼板通過原結構（構件）與膠粘劑共同作用，可以增強結構抗彎、抗剪性能，提高既有結構穩定性。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件，其優點是施工方便，但需要卸載和除銹，即可組織施工，對現場濕作業工程量較少，在加固24h后可投入使用，對原有結構外觀和空間均無明顯影響，可顯著提高既有結構剛度和承載力。但加固水平取決于膠粘劑質量和施工工藝，一旦粘鋼后發現空鼓，補救過程十分困難。

3.5 外包鋼加固法

通過對角鋼間用焊接形成整體鋼構套，提高結構承載能力和韌性，一般是在不要求增大構件截面，同時，還需要大幅度提高結構承載能力。適用于對混凝土柱、梁、屋架以及煙囪等建筑物加固，結構受力可靠，現場工作量較小，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）加固修補法

碳纖維材料（FRP）作為一種新型復合材料，近年來在既有結構加固及修復工程中應用越來越廣泛，被認為是最有前途和經濟的結構加固方法。碳纖維材料具有質輕、易施工及較好的耐久性等優點，因此受到了各國的普遍關注[7]。

通過樹脂類膠結材料將碳纖維織物（布）粘貼于鋼筋混凝土表面，從而達到對結構加固和改善結構受力性能的目的。碳纖維材料（FRP）加固修補法雖價格略貴于鋼材修補法，同時耗費較多的人工與機械設備，但應用FRP材料加固具有投資少、見效快和效率高等優點[8]。

4 結語

（1）加固設計前期階段，應對既有建筑的結構形態、建筑尺寸、材料性能和使用過程的損壞情況進行詳細的調查和檢測，綜合考慮安全性、適用性和經濟性，為前期設計方案提供合理依據。

（2）加固設計階段，應考慮既有結構的使用現狀和功能要求，選擇技術可行、施工便捷和經濟合理的加固方案。尤其是對于地方保護性建筑物的加固優化設計，在充分滿足受力要求和保護范圍的要求下，盡可能地保留和利用原有建筑結構，合理發揮結構可塑性，采取切實可靠的施工工藝，保證新舊結構間實現相互粘連，緊密配合，提高結構耐久性。

（3）加固施工階段，應全面論證加固設計方案，指出與之相應的施工處理對策，合理套作，組織加固施工。同時，應定期對加固修復后的建筑進行日常維護，從而避免二次裂縫對既有建筑造成進一步的損害。