房屋建筑受腐蝕多層鋼筋混凝土框架改造設(shè)計研究

摘 要：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在長期使用過程中受環(huán)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的改造設(shè)計，鋼筋腐蝕機理與抗彎承載力的計算成為關(guān)鍵。通過建立科學的腐蝕計算模型，結(jié)合多種加固技術(shù)，能夠有效恢復和提升結(jié)構(gòu)的整體性能，延長建筑使用壽命，保障居住安全。

關(guān)鍵詞：建筑腐蝕；多層鋼筋；混凝土框架；改造設(shè)計

1 前言

在現(xiàn)代建筑中，鋼筋混凝土作為主要結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)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(huán)境下的建筑，鋼筋腐蝕問題頻發(fā)，結(jié)構(gòu)安全備受挑戰(zhàn)。腐蝕機理揭示了鋼筋表面氧化、電化學反應(yīng)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(jié)構(gòu)安全性評估提供了依據(jù)，更為改造設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。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(wěn)定性。因此，針對受腐蝕多層鋼筋混凝土框架的改造設(shè)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(jié)構(gòu)的長期安全與穩(wěn)定。

2理論基礎(chǔ)

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(zhì)上是一個復雜的電化學反應(yīng)，其發(fā)生及發(fā)展與周圍環(huán)境及混凝土自身的物理化學特性密切相關(guān)。在初始狀態(tài)下，鋼筋被包裹于高堿性的混凝土中，孔隙水通常呈現(xiàn)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(huán)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(huán)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(huán)境中的氯離子逐漸滲透進入混凝土內(nèi)部，這一過程可能因海洋氣候、除冰鹽使用或工業(yè)環(huán)境等因素而加速。氯離子的侵入破壞了鈍化膜的穩(wěn)定性，使得鋼筋表面部分區(qū)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(qū)和陰極區(qū)分別進行。在陽極區(qū)，鐵原子失去電子，形成鐵離子，其電化學腐蝕過程的反應(yīng)如下：

陽極區(qū)化學方程式為：

Fe→Fe2++2e

陰極區(qū)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(yīng)的產(chǎn)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(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力作用于鋼筋周圍的混凝土，導致其承受額外的拉應(yīng)力[1]。當該拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度極限時，就會引發(fā)沿鋼筋方向的裂縫，通常稱為順筋裂縫。

裂縫的產(chǎn)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(huán)境中的有害物質(zhì)（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(xiàn)可見裂縫，整個過程大致可劃分為三個關(guān)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(jīng)過如圖1所示的3個階段。

第一階段：腐蝕產(chǎn)物的自由膨脹階段起到初始作用。由于混凝土內(nèi)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(chǎn)物并不會立即對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(yīng)力階段。此時，腐蝕產(chǎn)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(yīng)力超過其抗拉強度極限時，混凝土保護層開始承受拉應(yīng)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(xiàn)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(jié)構(gòu)的承載能力，還為環(huán)境中的有害物質(zhì)（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(jù)圖1所示的鋼筋腐蝕模型，混凝土表面出現(xiàn)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(chǎn)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(tài)對結(jié)構(gòu)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(qū)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(guān)注腐蝕深度與鋼筋剩余截面面積之間的數(shù)學關(guān)系。

根據(jù)Rodriguez模型，鋼筋銹蝕深度x與鋼筋直徑φ的關(guān)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(shù)，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(jié)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(xiàn)裂縫甚至剝落，從而引發(fā)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(jié)性能退化，削弱了兩者協(xié)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(guān)鍵因素：（1）腐蝕引發(fā)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(jié)強度的退化對整體結(jié)構(gòu)抗彎承載力的削弱效應(yīng)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(jié)構(gòu)改造設(shè)計

3.1改造設(shè)計原則

受腐蝕多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的改造設(shè)計是一項復雜且需高度謹慎的工程任務(wù)，其核心原則在于確保結(jié)構(gòu)安全性、耐久性以及使用功能的可持續(xù)性。改造設(shè)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(jié)構(gòu)的剩余承載能力與潛在風險[3]。在此過程中，關(guān)鍵在于通過詳細的現(xiàn)場檢測與結(jié)構(gòu)分析，精確定位腐蝕損傷的部位和程度，并據(jù)此制定針對性的修復與加固方案。設(shè)計中應(yīng)優(yōu)先恢復和提升結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)使用壽命。在具體實施過程中，任何加固措施均應(yīng)確保新舊結(jié)構(gòu)間的有效協(xié)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(jié)構(gòu)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(yīng)用前景的技術(shù)手段。碳纖維布加固通過高強度碳纖維材料的應(yīng)用，顯著提升結(jié)構(gòu)的抗拉能力和整體剛度，同時因其自重較輕，不會對原結(jié)構(gòu)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(yōu)異的抗腐蝕性能，常用于替代傳統(tǒng)鋼筋以提升結(jié)構(gòu)的耐久性。玻璃纖維筋的應(yīng)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(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。在實際操作過程中，需根據(jù)具體腐蝕程度和受力分析，精確選擇和配置這些輕質(zhì)材料，以確保改造加固方案的有效性和經(jīng)濟性[4]。

4改造加固后的結(jié)構(gòu)承載力驗算

改造加固后的多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其承載力驗算是一項復雜且至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)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(xié)同工作效果以及結(jié)構(gòu)在長期使用中的耐久性[5]。

為確保計算結(jié)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(gòu)件的承載力驗算結(jié)果對比如表1所示，數(shù)據(jù)來源于多個實際工程案例的綜合分析。

由表1數(shù)據(jù)可見，不同加固方案對結(jié)構(gòu)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(xiàn)尤為突出，而碳纖維布加固則因其輕質(zhì)高強的特性，適用于對自重增加敏感的結(jié)構(gòu)。

5結(jié)論

腐蝕對多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的破壞性影響不可小覷，但通過科學合理的加固改造設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)的修復，更是對其性能的提升與強化。然而，改造設(shè)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(shù)的不斷涌現(xiàn)，未來的建筑加固技術(shù)將朝著更高效、更可持續(xù)的方向發(fā)展?？梢灶A見，面對日益嚴峻的環(huán)境挑戰(zhàn)，工程師們需要更加深入地探索腐蝕與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，推動建筑技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，以確保建筑在長久使用中依然堅固可靠。

參考文獻

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