房屋建筑受腐蚀多层钢筋混凝土框架改造设计研究

摘 要：钢筋混凝土结构在长期使用过程中受环境因素影响，钢筋腐蚀问题尤为突出，严重威胁建筑物的安全性与耐久性。腐蚀导致钢筋截面减小，力学性能下降，进而影响整个结构的承载能力，特别是多层钢筋混凝土框架建筑，其复杂性使得问题更加严峻。针对受腐蚀框架结构的改造设计，钢筋腐蚀机理与抗弯承载力的计算成为关键。通过建立科学的腐蚀计算模型，结合多种加固技术，能够有效恢复和提升结构的整体性能，延长建筑使用寿命，保障居住安全。

关键词：建筑腐蚀；多层钢筋；混凝土框架；改造设计

1 前言

在现代建筑中，钢筋混凝土作为主要结构材料，广泛应用于多层框架建筑。然而，随着使用年限的增加，尤其是处于潮湿、盐碱等恶劣环境下的建筑，钢筋腐蚀问题频发，结构安全备受挑战。腐蚀机理揭示了钢筋表面氧化、电化学反应等多重作用如何导致钢筋劣化，而腐蚀过程更是一个复杂的多阶段演变。掌握钢筋平均腐蚀深度的计算公式，不仅为结构安全性评估提供了依据，更为改造设计奠定了基础。受腐蚀钢筋混凝土梁的抗弯承载力显著下降，直接影响建筑整体稳定性。因此，针对受腐蚀多层钢筋混凝土框架的改造设计，必须在科学计算和合理加固方法之间找到平衡，确保建筑结构的长期安全与稳定。

2理论基础

2.1钢筋腐蚀计算模型

2.1.1钢筋腐蚀机理

钢筋的腐蚀过程本质上是一个复杂的电化学反应，其发生及发展与周围环境及混凝土自身的物理化学特性密切相关。在初始状态下，钢筋被包裹于高碱性的混凝土中，孔隙水通常呈现为饱和的氢氧化钙溶液，其pH值维持在12.5左右。这种强碱性环境促使钢筋表面生成一层致密的钝化膜，主要成分为水化氧化物，该钝化膜有效隔绝了钢筋与外界环境的进一步接触，从而防止了钢筋的快速腐蚀。然而，随着时间的推移，外部环境中的氯离子逐渐渗透进入混凝土内部，这一过程可能因海洋气候、除冰盐使用或工业环境等因素而加速。氯离子的侵入破坏了钝化膜的稳定性，使得钢筋表面部分区域失去保护，暴露于电化学腐蚀的风险之中。

钢筋腐蚀的电化学过程主要在阳极区和阴极区分别进行。在阳极区，铁原子失去电子，形成铁离子，其电化学腐蚀过程的反应如下：

阳极区化学方程式为：

Fe→Fe2++2e

阴极区化学方程式为：

2H2O+O2+4e→4OH-

3Fe+2H2O+O2→2Fe2+4OH-→2Fe（OH）2

4Fe（OH）2+2H2O+O2→4Fe（OH）3

这一系列反应的产物包括氢氧化亚铁等，它们在进一步氧化后形成铁锈，其体积较原始钢材增大1～3倍。体积膨胀产生的内应力作用于钢筋周围的混凝土，导致其承受额外的拉应力[1]。当该拉应力超过混凝土的抗拉强度极限时，就会引发沿钢筋方向的裂缝，通常称为顺筋裂缝。

裂缝的产生不仅削弱了混凝土对钢筋的保护作用，还进一步加速了腐蚀过程，因为裂缝增加了环境中的有害物质（如氧气、水分和氯离子）侵入的通道。

2.1.2钢筋腐蚀过程

从钢筋开始腐蚀到混凝土保护层出现可见裂缝，整个过程大致可划分为三个关键阶段，每个阶段均有其独特的物理和化学特征。钢筋腐蚀大致要经过如图1所示的3个阶段。

第一阶段：腐蚀产物的自由膨胀阶段起到初始作用。由于混凝土内部存在大量的毛细孔以及钢筋与混凝土之间的界面空隙，初期生成的腐蚀产物并不会立即对混凝土结构产生显著影响，而是首先填充这些孔隙。

第二阶段：混凝土保护层受拉应力阶段。此时，腐蚀产物的体积逐渐增大，开始对周围的混凝土基体施加膨胀力。由于混凝土的抗压强度较高但抗拉强度相对较低，当膨胀应力超过其抗拉强度极限时，混凝土保护层开始承受拉应力。

第三阶段：在混凝土保护层开裂阶段，肉眼可见的裂缝开始出现并逐渐扩展，最终贯穿整个保护层厚度。裂缝的形成不仅削弱了结构的承载能力，还为环境中的有害物质（如氧气、水分和氯离子）提供了更为直接的侵入通道，从而进一步加速钢筋的腐蚀。

根据图1所示的钢筋腐蚀模型，混凝土表面出现裂缝时的钢筋腐蚀深度，即钢筋初始锈蚀深度Δ的表达式为（1）：

Δr=Δl-Δm-c （1）

式中，Δl是钢筋腐蚀产物厚度，Δm是钢筋与混凝土界面空隙层厚度，Δc是混凝土边界膨胀位移。

2.1.3钢筋腐蚀理论模型

在建立钢筋腐蚀计算模型的过程中，必须充分考虑不同腐蚀形态对结构性能的影响，尤其以钢筋的均匀腐蚀与局部腐蚀为主要研究对象。Rodriguez等人曾提出如图2所示的钢筋腐蚀计算模型，该模型通过图形化方式直观展示了腐蚀对钢筋截面的影响，其中，阴影部分代表腐蚀后钢筋的剩余有效截面积，而空白区域则表示已被腐蚀掉的钢筋部分。该模型的核心在于定量评估钢筋在不同腐蚀程度下的有效承载能力，尤其关注腐蚀深度与钢筋剩余截面面积之间的数学关系。

根据Rodriguez模型，钢筋锈蚀深度x与钢筋直径φ的关系可用式（2）表示：

φ= φ0-αx（2）

式中，φ0表示钢筋腐蚀前直径（mm），α表示腐蚀系数，钢筋均腐蚀α=2，局部腐蚀4＜α＜8。

2.2受腐蚀钢筋混凝土梁正截面抗弯承载力计算模型

受腐蚀钢筋混凝土梁的正截面抗弯承载力受到多种因素的复杂影响，基于实验结果可以明确，钢筋腐蚀主要通过两个核心途径削弱梁的承载性能[2]：其一，钢筋的腐蚀直接导致混凝土保护层可能出现裂缝甚至剥落，从而引发截面损伤；其二，腐蚀过程还会导致钢筋与周围混凝土之间的粘结性能退化，削弱了两者协同工作的能力。

在建立受腐蚀钢筋混凝土梁的抗弯承载力计算模型时，必须全面考虑以下关键因素：（1）腐蚀引发的钢筋截面面积缩减及其对屈服强度和弹性模量的影响需被精确量化；（2））钢筋与混凝土之间粘结强度的退化对整体结构抗弯承载力的削弱效应不可忽视。

这些因素的综合作用可通过特定的计算方法进行评估，如图3所示。

3受腐蚀多层钢筋混凝土框架结构改造设计

3.1改造设计原则

受腐蚀多层钢筋混凝土框架结构的改造设计是一项复杂且需高度谨慎的工程任务，其核心原则在于确保结构安全性、耐久性以及使用功能的可持续性。改造设计不仅要考虑腐蚀对钢筋和混凝土力学性能的削弱，还需综合评估整体结构的剩余承载能力与潜在风险[3]。在此过程中，关键在于通过详细的现场检测与结构分析，精确定位腐蚀损伤的部位和程度，并据此制定针对性的修复与加固方案。设计中应优先恢复和提升结构的抗腐蚀性能，选择耐腐蚀材料或增加保护层厚度，以延长结构使用寿命。在具体实施过程中，任何加固措施均应确保新旧结构间的有效协同工作，以恢复并提升整体框架的力学性能和抗震能力。

3.2改造加固方法

在受腐蚀多层钢筋混凝土框架结构的轻量化改造过程中，采用先进材料如碳纤维布和玻璃纤维筋进行加固，已成为一种高效且具有广泛应用前景的技术手段。碳纤维布加固通过高强度碳纤维材料的应用，显著提升结构的抗拉能力和整体刚度，同时因其自重较轻，不会对原结构施加额外负荷。加固效果可通过公式（3）进行估算：

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

式中，fcf为碳纤维布的抗拉强度，Acf为碳纤维布的有效粘贴面积。

玻璃纤维筋作为另一种轻量化加固材料，因其优异的抗腐蚀性能，常用于替代传统钢筋以提升结构的耐久性。玻璃纤维筋的应用不仅能够有效减缓进一步腐蚀的风险，还能通过其较高的抗拉强度改善结构的受力状态。在实际操作过程中，需根据具体腐蚀程度和受力分析，精确选择和配置这些轻质材料，以确保改造加固方案的有效性和经济性[4]。

4改造加固后的结构承载力验算

改造加固后的多层钢筋混凝土框架结构，其承载力验算是一项复杂且至关重要的环节，直接关系到结构的安全性能与使用性能。承载力验算不仅要考虑加固材料的力学性能，还需综合评估新旧材料的协同工作效果以及结构在长期使用中的耐久性[5]。

为确保计算结果的准确性与可靠性，不同加固方案下的承载力验算需通过对比分析加以验证。典型加固方案下梁构件的承载力验算结果对比如表1所示，数据来源于多个实际工程案例的综合分析。

由表1数据可见，不同加固方案对结构抗弯承载力的提升效果各异。外包钢加固在提升承载力方面表现尤为突出，而碳纤维布加固则因其轻质高强的特性，适用于对自重增加敏感的结构。

5结论

腐蚀对多层钢筋混凝土框架结构的破坏性影响不可小觑，但通过科学合理的加固改造设计，建筑的使用寿命和安全性得以显著延长。无论是对框架柱、框架梁，还是对板的加固设计，改造方案的实施为建筑物提供了新的生命力。这不仅仅是对已有结构的修复，更是对其性能的提升与强化。然而，改造设计的成功实施离不开对材料性能、力学特性的精确分析和综合考量。随着新材料和新技术的不断涌现，未来的建筑加固技术将朝着更高效、更可持续的方向发展。可以预见，面对日益严峻的环境挑战，工程师们需要更加深入地探索腐蚀与结构的关系，推动建筑技术的持续创新，以确保建筑在长久使用中依然坚固可靠。

参考文献

[1]时言，裘子铭.高层建筑钢筋混凝土剪力墙结构的设计研究[J].中国住宅设施，2022（10）：1-3.

[2]马德群，莫烨强.混凝土钢筋腐蚀状态在线监测传感器的设计[J].中国建筑金属结构，2024，23（2）：33-35.

[3]枚东华.低循环反复荷载下腐蚀钢筋混凝土柱抗震行为[J].山西建筑，2023，49（24）：34-36，45.

[4]钱新文，杜玉芬.高层建筑钢筋混凝土桩复合地基施工技术[J].科技创新与应用，2023，13（30）：177-180.

[5]高晓然.防腐设计在工业建筑结构设计中的应用分析[J].工程管理，2022，2（4）：24-25.