基于混凝土钢筋锈蚀下既有建筑的加固方案研究

石佳乐 高波 董莹

（徐州工程学院，江苏徐州 221018）

0 引言

对于建筑结构中钢筋锈蚀所造成的耐久性不足，在世界各国都十分重视。既有建筑混凝土的钢筋锈蚀，其危害主要有三个方面：①降低结构承载力，安全性下降；②降低结构刚性，变形率增大，甚至使混凝土保护层剥落，影响其正常使用；③降低结构延展性，改变其破坏形态，从而导致伤亡事故[1]。因此，钢筋的锈蚀是影响既有结构耐久性的重要因素，对既有建筑加固方案的研究成为此领域研究最多的内容之一。

近年来，我国对既有建筑加固设计、维修和改造的投资比重越来越大，加固技术水平发展速度迅猛，已成为结构工程加固修复研究中的重点领域[2-3]。既有建筑结构加固的研究方法包括结构可靠性鉴定、质量检测、耐久性评估、加固设计和施工等多个技术环节，涉及多方面的因素。

1 钢筋锈蚀对既有建筑结构性能的影响

1.1 钢筋锈蚀机理

混凝土结构随着时间的迁移不断产生钢筋锈蚀，是影响建筑物正常使用的病害。混凝土保护层不够，混凝土结构有裂缝，建筑结构中有外露的钢筋头，加上与水、空气的渗透作用，混凝土未满足密实要求、有空洞；混凝土标号太低，使得钢筋周围碱度降低；由于氯化物介入，钢筋周围的氯离子较高，进而引起钢筋周围的氧化膜破坏，钢筋中铁离子与侵入混凝土中的氧气、水分发生锈蚀反应，从而生成氢氧化铁锈蚀物[4]。

此外，混凝土中铁锈产生同样也是一个电化学过程，它是由钢筋表面的电阻，与水泥浆的pH、电解质（氯化物）向混凝土的扩散所控制。加上在荷载作用下，结构受弯引起的混凝土的裂缝，导致氯离子及其他离子更快地扩散，这样个别地方的锈蚀因锈蚀产物的聚集，再次带来更深层的开裂。

1.2 钢筋锈蚀对既有建筑结构性能的影响

1.2.1 锈蚀钢筋的强度

钢筋锈蚀以后：①造成截面面积减小；②力学性能发生变化，最明显的就是钢筋屈服强度、极限强度的降低。但是，随着侵蚀过程的不同，强度的降低水平也不同。从宏观上看，锈蚀的钢筋强度下降的主要原因：①钢筋锈蚀导致有效截面减小，从而其抵抗拉力减小；②钢筋受侵蚀后，表面产生凹凸不平，受到应力后，使抗拉力进一步减小[5]。

1.2.2 锈蚀钢筋的变形

钢筋锈蚀后，临界伸长率显著下降，塑性降低，通过大量试验研究发现，正常工艺水平和化学成分控制范围内，所生产出来的热轧钢筋都有明显的屈服点和相应的屈服台阶，而且钢的屈强比一般在0.67以内。但随着钢筋锈蚀的持续加剧，钢筋的极限抗拉强度下降比屈服强度更快，屈服台阶急剧缩短，屈服点趋于不明显甚至消失，进而屈强比不断增大，容易引起建筑结构或构件的突然破坏。

2 钢筋锈蚀的检测方法

2.1 混凝土破型检测

检测过程考虑破型检测的目的和必要性，在多方见证人员见证下通过对钢筋锈蚀后的直径进行测量。此外，在检测过程中应采用录像、拍照，留存过程资料，确保检测数据真实有效。此方法较为直观地测量各项技术参数，缺点在于费时、费力，对既有建筑外观造成一定程度的损坏。

2.2 钢筋侵蚀电位、电阻评定方法[6]

正常情况下钢筋的电动势与处于腐蚀状态下钢筋的电动势是不同的，混凝土钢筋表面的钝化膜是完整的，但是钢筋锈蚀的电化学过程是与带电离子在混凝土内部的微观运动有关。因为电离子的同方向运动会让混凝土内部为带电导体，通过测量其电阻，可以反映出侵蚀电流的难易性，进而判断保护层下钢筋锈蚀的状态。但是电阻率法判断很模糊，侵蚀电位、测量电阻容易受混凝土种类、干湿度和氯盐等掺合料含量等因素影响，也和操作人员的施工水平有关，因此，钢筋侵蚀电位、电阻评定方法更适合于定性研究。

2.3 半电池电位法检测技术

为了得到不同混凝土强度下的锈蚀试块，通过反阴极保护法来快速锈蚀混凝土中的钢筋。定量地比较混凝土含水量、保护层厚度、混凝土强度和铁离子含量等相关技术参数，判断混凝土钢筋受侵蚀的位置和程度，为制定行而有效地加固方法提供依据。

3 钢筋混凝土结构加固技术

3.1 预应力加固法

通过施加预应力改变结构的内力，在原有结构上增加预应力构件以承载部分荷载，提高整体结构的承载能力、降低钢筋疲劳应力、杜绝已有裂缝开展，能有效地满足载荷和使用要求，增加其结构使用年限和耐久性，但加固后对原结构外观有一定影响，同时需考虑钢筋防腐问题。因此，适用于大跨度和重型构件加固，或者是基于高应力、高应变下的混凝土结构加固，不适用于混凝土收缩徐变较大的结构或构件。

3.2 增大截面加固法

通过外侧新浇筑混凝土以增大结构截面，以提高结构强度、刚度和抗裂性，也可以通过修补裂缝，加固混凝土受弯和受压性能。适用于对梁、板、柱等一般构件，成本要求较低，其缺点在于现场湿作业施工较长，特别在加固节点时，钢筋密集而使混凝土浇筑、振捣困难，增加结构自重，同时建筑可利用空间降低。

3.3 改变受力体系加固法

通常在结构（构件）中部增设支点（刚性支点或弹性支点），将多跨简支结构转变为连续结构体系等方法。改变结构受力体系，可以有效地降低计算弯矩，提高结构承载力和耐久性，达到加固既有结构的目的。适用于整体既有建筑的结构加固，但工作量较大，易影响既有建筑物原貌和使用性，也会限制既有建筑的使用空间。

3.4 粘钢加固法

既有结构外部粘贴钢板，钢板通过原结构（构件）与胶粘剂共同作用，可以增强结构抗弯、抗剪性能，提高既有结构稳定性。一般工程中采用圆形加固方案，用钢量少，更可以提高承载力。适用于承受静力或者受弯构件，其优点是施工方便，但需要卸载和除锈，即可组织施工，对现场湿作业工程量较少，在加固24h后可投入使用，对原有结构外观和空间均无明显影响，可显著提高既有结构刚度和承载力。但加固水平取决于胶粘剂质量和施工工艺，一旦粘钢后发现空鼓，补救过程十分困难。

3.5 外包钢加固法

通过对角钢间用焊接形成整体钢构套，提高结构承载能力和韧性，一般是在不要求增大构件截面，同时，还需要大幅度提高结构承载能力。适用于对混凝土柱、梁、屋架以及烟囱等建筑物加固，结构受力可靠，现场工作量较小，主要缺点是钢材用量较大，施工成本大大增加，此外在节点处理上施工难度较大，不利于工期紧张的加固工程。

3.6 碳纤维材料（FRP）加固修补法

碳纤维材料（FRP）作为一种新型复合材料，近年来在既有结构加固及修复工程中应用越来越广泛，被认为是最有前途和经济的结构加固方法。碳纤维材料具有质轻、易施工及较好的耐久性等优点，因此受到了各国的普遍关注[7]。

通过树脂类胶结材料将碳纤维织物（布）粘贴于钢筋混凝土表面，从而达到对结构加固和改善结构受力性能的目的。碳纤维材料（FRP）加固修补法虽价格略贵于钢材修补法，同时耗费较多的人工与机械设备，但应用FRP材料加固具有投资少、见效快和效率高等优点[8]。

4 结语

（1）加固设计前期阶段，应对既有建筑的结构形态、建筑尺寸、材料性能和使用过程的损坏情况进行详细的调查和检测，综合考虑安全性、适用性和经济性，为前期设计方案提供合理依据。

（2）加固设计阶段，应考虑既有结构的使用现状和功能要求，选择技术可行、施工便捷和经济合理的加固方案。尤其是对于地方保护性建筑物的加固优化设计，在充分满足受力要求和保护范围的要求下，尽可能地保留和利用原有建筑结构，合理发挥结构可塑性，采取切实可靠的施工工艺，保证新旧结构间实现相互粘连，紧密配合，提高结构耐久性。

（3）加固施工阶段，应全面论证加固设计方案，指出与之相应的施工处理对策，合理套作，组织加固施工。同时，应定期对加固修复后的建筑进行日常维护，从而避免二次裂缝对既有建筑造成进一步的损害。