房屋建筑受腐蝕多層鋼筋混凝土框架改造設計研究

摘 要：鋼筋混凝土結構在長期使用過程中受環境因素影響，鋼筋腐蝕問題尤為突出，嚴重威脅建筑物的安全性與耐久性。腐蝕導致鋼筋截面減小，力學性能下降，進而影響整個結構的承載能力，特別是多層鋼筋混凝土框架建筑，其復雜性使得問題更加嚴峻。針對受腐蝕框架結構的改造設計，鋼筋腐蝕機理與抗彎承載力的計算成為關鍵。通過建立科學的腐蝕計算模型，結合多種加固技術，能夠有效恢復和提升結構的整體性能，延長建筑使用壽命，保障居住安全。

關鍵詞：建筑腐蝕；多層鋼筋；混凝土框架；改造設計

1 前言

在現代建筑中，鋼筋混凝土作為主要結構材料，廣泛應用于多層框架建筑。然而，隨著使用年限的增加，尤其是處于潮濕、鹽堿等惡劣環境下的建筑，鋼筋腐蝕問題頻發，結構安全備受挑戰。腐蝕機理揭示了鋼筋表面氧化、電化學反應等多重作用如何導致鋼筋劣化，而腐蝕過程更是一個復雜的多階段演變。掌握鋼筋平均腐蝕深度的計算公式，不僅為結構安全性評估提供了依據，更為改造設計奠定了基礎。受腐蝕鋼筋混凝土梁的抗彎承載力顯著下降，直接影響建筑整體穩定性。因此，針對受腐蝕多層鋼筋混凝土框架的改造設計，必須在科學計算和合理加固方法之間找到平衡，確保建筑結構的長期安全與穩定。

2理論基礎

2.1鋼筋腐蝕計算模型

2.1.1鋼筋腐蝕機理

鋼筋的腐蝕過程本質上是一個復雜的電化學反應，其發生及發展與周圍環境及混凝土自身的物理化學特性密切相關。在初始狀態下，鋼筋被包裹于高堿性的混凝土中，孔隙水通常呈現為飽和的氫氧化鈣溶液，其pH值維持在12.5左右。這種強堿性環境促使鋼筋表面生成一層致密的鈍化膜，主要成分為水化氧化物，該鈍化膜有效隔絕了鋼筋與外界環境的進一步接觸，從而防止了鋼筋的快速腐蝕。然而，隨著時間的推移，外部環境中的氯離子逐漸滲透進入混凝土內部，這一過程可能因海洋氣候、除冰鹽使用或工業環境等因素而加速。氯離子的侵入破壞了鈍化膜的穩定性，使得鋼筋表面部分區域失去保護，暴露于電化學腐蝕的風險之中。

鋼筋腐蝕的電化學過程主要在陽極區和陰極區分別進行。在陽極區，鐵原子失去電子，形成鐵離子，其電化學腐蝕過程的反應如下：

陽極區化學方程式為：

Fe→Fe2++2e

陰極區化學方程式為：

2H2O+O2+4e→4OH-

3Fe+2H2O+O2→2Fe2+4OH-→2Fe（OH）2

4Fe（OH）2+2H2O+O2→4Fe（OH）3

這一系列反應的產物包括氫氧化亞鐵等，它們在進一步氧化后形成鐵銹，其體積較原始鋼材增大1～3倍。體積膨脹產生的內應力作用于鋼筋周圍的混凝土，導致其承受額外的拉應力[1]。當該拉應力超過混凝土的抗拉強度極限時，就會引發沿鋼筋方向的裂縫，通常稱為順筋裂縫。

裂縫的產生不僅削弱了混凝土對鋼筋的保護作用，還進一步加速了腐蝕過程，因為裂縫增加了環境中的有害物質（如氧氣、水分和氯離子）侵入的通道。

2.1.2鋼筋腐蝕過程

從鋼筋開始腐蝕到混凝土保護層出現可見裂縫，整個過程大致可劃分為三個關鍵階段，每個階段均有其獨特的物理和化學特征。鋼筋腐蝕大致要經過如圖1所示的3個階段。

第一階段：腐蝕產物的自由膨脹階段起到初始作用。由于混凝土內部存在大量的毛細孔以及鋼筋與混凝土之間的界面空隙，初期生成的腐蝕產物并不會立即對混凝土結構產生顯著影響，而是首先填充這些孔隙。

第二階段：混凝土保護層受拉應力階段。此時，腐蝕產物的體積逐漸增大，開始對周圍的混凝土基體施加膨脹力。由于混凝土的抗壓強度較高但抗拉強度相對較低，當膨脹應力超過其抗拉強度極限時，混凝土保護層開始承受拉應力。

第三階段：在混凝土保護層開裂階段，肉眼可見的裂縫開始出現并逐漸擴展，最終貫穿整個保護層厚度。裂縫的形成不僅削弱了結構的承載能力，還為環境中的有害物質（如氧氣、水分和氯離子）提供了更為直接的侵入通道，從而進一步加速鋼筋的腐蝕。

根據圖1所示的鋼筋腐蝕模型，混凝土表面出現裂縫時的鋼筋腐蝕深度，即鋼筋初始銹蝕深度Δ的表達式為（1）：

Δr=Δl-Δm-c （1）

式中，Δl是鋼筋腐蝕產物厚度，Δm是鋼筋與混凝土界面空隙層厚度，Δc是混凝土邊界膨脹位移。

2.1.3鋼筋腐蝕理論模型

在建立鋼筋腐蝕計算模型的過程中，必須充分考慮不同腐蝕形態對結構性能的影響，尤其以鋼筋的均勻腐蝕與局部腐蝕為主要研究對象。Rodriguez等人曾提出如圖2所示的鋼筋腐蝕計算模型，該模型通過圖形化方式直觀展示了腐蝕對鋼筋截面的影響，其中，陰影部分代表腐蝕后鋼筋的剩余有效截面積，而空白區域則表示已被腐蝕掉的鋼筋部分。該模型的核心在于定量評估鋼筋在不同腐蝕程度下的有效承載能力，尤其關注腐蝕深度與鋼筋剩余截面面積之間的數學關系。

根據Rodriguez模型，鋼筋銹蝕深度x與鋼筋直徑φ的關系可用式（2）表示：

φ= φ0-αx（2）

式中，φ0表示鋼筋腐蝕前直徑（mm），α表示腐蝕系數，鋼筋均腐蝕α=2，局部腐蝕4＜α＜8。

2.2受腐蝕鋼筋混凝土梁正截面抗彎承載力計算模型

受腐蝕鋼筋混凝土梁的正截面抗彎承載力受到多種因素的復雜影響，基于實驗結果可以明確，鋼筋腐蝕主要通過兩個核心途徑削弱梁的承載性能[2]：其一，鋼筋的腐蝕直接導致混凝土保護層可能出現裂縫甚至剝落，從而引發截面損傷；其二，腐蝕過程還會導致鋼筋與周圍混凝土之間的粘結性能退化，削弱了兩者協同工作的能力。

在建立受腐蝕鋼筋混凝土梁的抗彎承載力計算模型時，必須全面考慮以下關鍵因素：（1）腐蝕引發的鋼筋截面面積縮減及其對屈服強度和彈性模量的影響需被精確量化；（2））鋼筋與混凝土之間粘結強度的退化對整體結構抗彎承載力的削弱效應不可忽視。

這些因素的綜合作用可通過特定的計算方法進行評估，如圖3所示。

3受腐蝕多層鋼筋混凝土框架結構改造設計

3.1改造設計原則

受腐蝕多層鋼筋混凝土框架結構的改造設計是一項復雜且需高度謹慎的工程任務，其核心原則在于確保結構安全性、耐久性以及使用功能的可持續性。改造設計不僅要考慮腐蝕對鋼筋和混凝土力學性能的削弱，還需綜合評估整體結構的剩余承載能力與潛在風險[3]。在此過程中，關鍵在于通過詳細的現場檢測與結構分析，精確定位腐蝕損傷的部位和程度，并據此制定針對性的修復與加固方案。設計中應優先恢復和提升結構的抗腐蝕性能，選擇耐腐蝕材料或增加保護層厚度，以延長結構使用壽命。在具體實施過程中，任何加固措施均應確保新舊結構間的有效協同工作，以恢復并提升整體框架的力學性能和抗震能力。

3.2改造加固方法

在受腐蝕多層鋼筋混凝土框架結構的輕量化改造過程中，采用先進材料如碳纖維布和玻璃纖維筋進行加固，已成為一種高效且具有廣泛應用前景的技術手段。碳纖維布加固通過高強度碳纖維材料的應用，顯著提升結構的抗拉能力和整體剛度，同時因其自重較輕，不會對原結構施加額外負荷。加固效果可通過公式（3）進行估算：

FRP = fcf·Acf" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （3）

式中，fcf為碳纖維布的抗拉強度，Acf為碳纖維布的有效粘貼面積。

玻璃纖維筋作為另一種輕量化加固材料，因其優異的抗腐蝕性能，常用于替代傳統鋼筋以提升結構的耐久性。玻璃纖維筋的應用不僅能夠有效減緩進一步腐蝕的風險，還能通過其較高的抗拉強度改善結構的受力狀態。在實際操作過程中，需根據具體腐蝕程度和受力分析，精確選擇和配置這些輕質材料，以確保改造加固方案的有效性和經濟性[4]。

4改造加固后的結構承載力驗算

改造加固后的多層鋼筋混凝土框架結構，其承載力驗算是一項復雜且至關重要的環節，直接關系到結構的安全性能與使用性能。承載力驗算不僅要考慮加固材料的力學性能，還需綜合評估新舊材料的協同工作效果以及結構在長期使用中的耐久性[5]。

為確保計算結果的準確性與可靠性，不同加固方案下的承載力驗算需通過對比分析加以驗證。典型加固方案下梁構件的承載力驗算結果對比如表1所示，數據來源于多個實際工程案例的綜合分析。

由表1數據可見，不同加固方案對結構抗彎承載力的提升效果各異。外包鋼加固在提升承載力方面表現尤為突出，而碳纖維布加固則因其輕質高強的特性，適用于對自重增加敏感的結構。

5結論

腐蝕對多層鋼筋混凝土框架結構的破壞性影響不可小覷，但通過科學合理的加固改造設計，建筑的使用壽命和安全性得以顯著延長。無論是對框架柱、框架梁，還是對板的加固設計，改造方案的實施為建筑物提供了新的生命力。這不僅僅是對已有結構的修復，更是對其性能的提升與強化。然而，改造設計的成功實施離不開對材料性能、力學特性的精確分析和綜合考量。隨著新材料和新技術的不斷涌現，未來的建筑加固技術將朝著更高效、更可持續的方向發展。可以預見，面對日益嚴峻的環境挑戰，工程師們需要更加深入地探索腐蝕與結構的關系，推動建筑技術的持續創新，以確保建筑在長久使用中依然堅固可靠。

參考文獻

[1]時言，裘子銘.高層建筑鋼筋混凝土剪力墻結構的設計研究[J].中國住宅設施，2022（10）：1-3.

[2]馬德群，莫燁強.混凝土鋼筋腐蝕狀態在線監測傳感器的設計[J].中國建筑金屬結構，2024，23（2）：33-35.

[3]枚東華.低循環反復荷載下腐蝕鋼筋混凝土柱抗震行為[J].山西建筑，2023，49（24）：34-36，45.

[4]錢新文，杜玉芬.高層建筑鋼筋混凝土樁復合地基施工技術[J].科技創新與應用，2023，13（30）：177-180.

[5]高曉然.防腐設計在工業建筑結構設計中的應用分析[J].工程管理，2022，2（4）：24-25.