倒锥壳水塔耐久性评定及剩余寿命预测

王猛　徐驰

摘 要：目前，我国大多数的倒三锥壳水塔已经普遍使用了20～30年，由于长期暴露在外，部分水塔混凝土结构未到设计使用寿命便出现了严重的耐久性问题。对使用一定年限的钢筋混凝土结构进行结构检测，并对其耐久性评定和剩余寿命预测是十分必要的，不仅可以揭示潜在危险，及时做出维修，加固或拆除决策，避免重大事故的发生，做到防范于未然。

关键词：倒锥壳水塔；耐久性评定；剩余寿命；结构检测

当前，我国大多数的倒锥壳水塔已使用了20～30年，由于长期暴露在外，混凝土碳化十分严重，同时由于钢筋保护层的失效导致水箱壳体钢筋严重锈蚀，水箱壳体的漏水问题普遍存在，亟需通过结构检测，综合评定其混凝土结构的耐久性，并对其剩余使用年限进行预测。文章以湖南某倒锥壳水塔为研究对象，通过分析该结构的混凝土碳化深度、保护层厚度、混凝土强度退化、钢筋锈蚀状况和环境温度进行了详细的现场勘察和检测；结合现行混凝土结构耐久性评定规范，对该倒锥壳水塔的剩余寿命进行预测，并给出了加固和改造建议。

1 工程概况

某倒锥壳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。该水塔为钢筋混凝土结构，支筒高30m，最大蓄水体积200m3，支筒混凝土为C35，水箱、人井及人井平台混凝土为C30，水箱下环梁混凝土为C25，按国家相关标准图集建造。

2 现场检测结果

在进行现场检测时，主要采用无损检测方法、局部破损方法以及观察法进行检测。现场调查了该水塔结构形式及布局，水塔处于露天大气污染环境中，水塔周围地基稳定，周围无经常性、明显影响结构安全的振动。检查了水塔基础、支筒及水箱、下壳环梁、人井及人井平台等主要承重结构，水塔基础、支筒及水箱、下壳环梁、人井及人井平台无明显变形，水塔无明显倾斜及沉降裂缝，性能目前表现良好；但水箱下壳发现多处明显裂缝，出现长期渗漏现象，最大裂缝宽度达到2.0mm，受力钢筋多处出现锈蚀，部分钢筋锈蚀严重；支筒发现多处明显裂缝，特别是在孔洞附近，最大裂缝宽度达到2.2mm。水箱上壳混凝土保护层崩落，出现明显的主筋锈蚀；支筒混凝土环向出现多处混凝土保护层崩落，环向钢筋出现锈蚀；每层的人井平台钢筋外露，出现明显锈蚀。具体本次检测得到的检测数据见表1。

3 水塔建成至钢筋开始锈蚀的计算

结合《混凝土结构耐久性评定标准》[10]（CECS220：2007），钢筋开始锈蚀时间应考虑碳化速率、保护层厚度和局部环境的影响，可按式（1）估算：

式中：ti-结构建成至钢筋开始锈蚀的时间；Kk、Kc、Km-碳化速率、保护层厚度、局部环境对钢筋开始锈蚀时间的影响系数。

3.1 碳化系数k的确定

式中：xc-实测碳化深度（mm）；t0-结构建成之检测时的时间。

根据检测结果和公式（2），求得k=3.65。

3.2 碳化速率、保护层厚度和局部环境影响系数的确定

根据本次检测结果，结合《工业建筑可靠性鉴定标准》[9]（GB 50144-2008）和《混凝土结构耐久性评定标准》[10]（CECS220：2007）得出各耐久性影响系数见表2。

表2 碳化速率、保护层厚度和局部环境影响系数

根据式（1）和表2的结果，可求得结构建成至钢筋开始锈蚀的时间ti=16.0年。

4 保护层锈胀开裂的时间的计算

保护层锈胀开裂时间应考虑保护层厚度、混凝土强度、钢筋直径、环境温度、环境湿度以及局部环境的影响，可按下式估算：

式中：tcr-保护层锈胀开裂的时间；tc-钢筋开始锈蚀至保护层锈胀开裂的时间；A-对室外墙板取A=4.9；Hc、Hf、Hd、HT、HRH、Hm-保护层厚度、混凝土强度、钢筋直径、环境温度、环境湿度、局部环境对保护层锈胀开裂时间的影响系数。

根据本次检测结果表1，结合《工业建筑可靠性鉴定标准》[9]（GB 50144-2008）和《混凝土结构耐久性评定标准》[10]（CECS220：2007）得出各影响系数见表3。

表3 各对保护层锈胀开裂时间的影响系数

根据表3和公式（3）和（4），可求得保护层锈胀开裂的时间tcr=34.5年。

5 混凝土表面出现可接受最大外观损伤的时间的计算

混凝土表面出現可接受最大外观损伤的时间应考虑保护层厚度、混凝土强度、钢筋直径、环境温度、环境湿度以及局部环境的影响，可按下式估算：

式中：td-混凝土表面出现可接受最大外观损伤的时间；tcl-钢筋开始锈蚀至混凝土表面出现可接受最大外观损伤的时间；B-室外墙、板取B=8.09；Fc、Ff、Fd、FT、FRH、Fm-保护层厚度、混凝土强度、钢筋直径、环境温度、环境湿度、局部环境对混凝土表面出现可接受最大外观损伤时间的影响系数。

根据本次检测结果表1，结合《工业建筑可靠性鉴定标准》[9]（GB 50144-2008）和《混凝土结构耐久性评定标准》[10]（CECS220：2007）得出各影响系数见表4。

表4 各对混凝土表面出现可接受最大外观损伤时间的影响系数

根据表4和公式（5）和（6），可求得混凝土表面出现可接受最大外观损伤的时间td=48.6年。

从计算结果分析，水箱下壳发现多处明显裂缝，出现长期渗漏现象，受力钢筋多处出现锈蚀，部分钢筋锈蚀严重。水箱上壳混凝土保护层崩落，出现明显的主筋锈蚀。当前的使用时间是30年，预测结构建成至保护层锈胀开裂时间是34.5年，这与实际调查情况比较符合。虽然最后预测混凝土表面出现可接受最大外观损伤的时间在18年后，但结构构件的承载力已不满足要求，为预防潜在风险，建议进行加固维修处理。

6 结束语

随着一大批混凝土建筑进入老化阶段，越来越多的业主在对既有建筑物的检测和鉴定过程中，提出耐久性评定和剩余寿命预测的要求。可以说，如何对这些建筑进行科学的耐久性、经济性评定以及剩余寿命的预测，是当今土木工程领域的研究热点。通过对实际案例的检测分析，可对其他钢筋混凝土建筑的耐久性鉴定，提供一定参考作用。

参考文献

[1]卢木，等.混凝土耐久性研究现状和研究方向[J].工业建筑，1997.

[2]钟大鸣，等.结构可靠性鉴定与耐久性评估[J].建筑结构学报，1999.

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[4]GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[5]GB50144-2008.工业建筑可靠性鉴定标准[S].北京：中国计划出版社，2009.

[6]CECS220：2007.混凝土结构耐久性评定标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[7]牛荻涛，王艳，连晖，等.工业厂房耐久性评定及剩余寿命预测[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

作者简介：王猛（1982，3-），男，湖南桃江人，硕士，工程师，一级注册结构工程师，研究方向：建筑结构设计。