王猛　徐馳

摘 要：目前，我國(guó)大多數(shù)的倒三錐殼水塔已經(jīng)普遍使用了20～30年，由于長(zhǎng)期暴露在外，部分水塔混凝土結(jié)構(gòu)未到設(shè)計(jì)使用壽命便出現(xiàn)了嚴(yán)重的耐久性問(wèn)題。對(duì)使用一定年限的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測(cè)，并對(duì)其耐久性評(píng)定和剩余壽命預(yù)測(cè)是十分必要的，不僅可以揭示潛在危險(xiǎn)，及時(shí)做出維修，加固或拆除決策，避免重大事故的發(fā)生，做到防范于未然。

關(guān)鍵詞：倒錐殼水塔；耐久性評(píng)定；剩余壽命；結(jié)構(gòu)檢測(cè)

當(dāng)前，我國(guó)大多數(shù)的倒錐殼水塔已使用了20～30年，由于長(zhǎng)期暴露在外，混凝土碳化十分嚴(yán)重，同時(shí)由于鋼筋保護(hù)層的失效導(dǎo)致水箱殼體鋼筋嚴(yán)重銹蝕，水箱殼體的漏水問(wèn)題普遍存在，亟需通過(guò)結(jié)構(gòu)檢測(cè)，綜合評(píng)定其混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，并對(duì)其剩余使用年限進(jìn)行預(yù)測(cè)。文章以湖南某倒錐殼水塔為研究對(duì)象，通過(guò)分析該結(jié)構(gòu)的混凝土碳化深度、保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度退化、鋼筋銹蝕狀況和環(huán)境溫度進(jìn)行了詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)勘察和檢測(cè)；結(jié)合現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定規(guī)范，對(duì)該倒錐殼水塔的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，并給出了加固和改造建議。

1 工程概況

某倒錐殼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。該水塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，支筒高30m，最大蓄水體積200m3，支筒混凝土為C35，水箱、人井及人井平臺(tái)混凝土為C30，水箱下環(huán)梁混凝土為C25，按國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)圖集建造。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，主要采用無(wú)損檢測(cè)方法、局部破損方法以及觀察法進(jìn)行檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查了該水塔結(jié)構(gòu)形式及布局，水塔處于露天大氣污染環(huán)境中，水塔周?chē)鼗€(wěn)定，周?chē)鸁o(wú)經(jīng)常性、明顯影響結(jié)構(gòu)安全的振動(dòng)。檢查了水塔基礎(chǔ)、支筒及水箱、下殼環(huán)梁、人井及人井平臺(tái)等主要承重結(jié)構(gòu)，水塔基礎(chǔ)、支筒及水箱、下殼環(huán)梁、人井及人井平臺(tái)無(wú)明顯變形，水塔無(wú)明顯傾斜及沉降裂縫，性能目前表現(xiàn)良好；但水箱下殼發(fā)現(xiàn)多處明顯裂縫，出現(xiàn)長(zhǎng)期滲漏現(xiàn)象，最大裂縫寬度達(dá)到2.0mm，受力鋼筋多處出現(xiàn)銹蝕，部分鋼筋銹蝕嚴(yán)重；支筒發(fā)現(xiàn)多處明顯裂縫，特別是在孔洞附近，最大裂縫寬度達(dá)到2.2mm。水箱上殼混凝土保護(hù)層崩落，出現(xiàn)明顯的主筋銹蝕；支筒混凝土環(huán)向出現(xiàn)多處混凝土保護(hù)層崩落，環(huán)向鋼筋出現(xiàn)銹蝕；每層的人井平臺(tái)鋼筋外露，出現(xiàn)明顯銹蝕。具體本次檢測(cè)得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

3 水塔建成至鋼筋開(kāi)始銹蝕的計(jì)算

結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[10]（CECS220：2007），鋼筋開(kāi)始銹蝕時(shí)間應(yīng)考慮碳化速率、保護(hù)層厚度和局部環(huán)境的影響，可按式（1）估算：

式中：ti-結(jié)構(gòu)建成至鋼筋開(kāi)始銹蝕的時(shí)間；Kk、Kc、Km-碳化速率、保護(hù)層厚度、局部環(huán)境對(duì)鋼筋開(kāi)始銹蝕時(shí)間的影響系數(shù)。

3.1 碳化系數(shù)k的確定

式中：xc-實(shí)測(cè)碳化深度（mm）；t0-結(jié)構(gòu)建成之檢測(cè)時(shí)的時(shí)間。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果和公式（2），求得k=3.65。

3.2 碳化速率、保護(hù)層厚度和局部環(huán)境影響系數(shù)的確定

根據(jù)本次檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[9]（GB 50144-2008）和《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[10]（CECS220：2007）得出各耐久性影響系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 碳化速率、保護(hù)層厚度和局部環(huán)境影響系數(shù)

根據(jù)式（1）和表2的結(jié)果，可求得結(jié)構(gòu)建成至鋼筋開(kāi)始銹蝕的時(shí)間ti=16.0年。

4 保護(hù)層銹脹開(kāi)裂的時(shí)間的計(jì)算

保護(hù)層銹脹開(kāi)裂時(shí)間應(yīng)考慮保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度、鋼筋直徑、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度以及局部環(huán)境的影響，可按下式估算：

式中：tcr-保護(hù)層銹脹開(kāi)裂的時(shí)間；tc-鋼筋開(kāi)始銹蝕至保護(hù)層銹脹開(kāi)裂的時(shí)間；A-對(duì)室外墻板取A=4.9；Hc、Hf、Hd、HT、HRH、Hm-保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度、鋼筋直徑、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、局部環(huán)境對(duì)保護(hù)層銹脹開(kāi)裂時(shí)間的影響系數(shù)。

根據(jù)本次檢測(cè)結(jié)果表1，結(jié)合《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[9]（GB 50144-2008）和《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[10]（CECS220：2007）得出各影響系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 各對(duì)保護(hù)層銹脹開(kāi)裂時(shí)間的影響系數(shù)

根據(jù)表3和公式（3）和（4），可求得保護(hù)層銹脹開(kāi)裂的時(shí)間tcr=34.5年。

5 混凝土表面出現(xiàn)可接受最大外觀損傷的時(shí)間的計(jì)算

混凝土表面出現(xiàn)可接受最大外觀損傷的時(shí)間應(yīng)考慮保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度、鋼筋直徑、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度以及局部環(huán)境的影響，可按下式估算：

式中：td-混凝土表面出現(xiàn)可接受最大外觀損傷的時(shí)間；tcl-鋼筋開(kāi)始銹蝕至混凝土表面出現(xiàn)可接受最大外觀損傷的時(shí)間；B-室外墻、板取B=8.09；Fc、Ff、Fd、FT、FRH、Fm-保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度、鋼筋直徑、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、局部環(huán)境對(duì)混凝土表面出現(xiàn)可接受最大外觀損傷時(shí)間的影響系數(shù)。

根據(jù)本次檢測(cè)結(jié)果表1，結(jié)合《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[9]（GB 50144-2008）和《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[10]（CECS220：2007）得出各影響系數(shù)見(jiàn)表4。

表4 各對(duì)混凝土表面出現(xiàn)可接受最大外觀損傷時(shí)間的影響系數(shù)

根據(jù)表4和公式（5）和（6），可求得混凝土表面出現(xiàn)可接受最大外觀損傷的時(shí)間td=48.6年。

從計(jì)算結(jié)果分析，水箱下殼發(fā)現(xiàn)多處明顯裂縫，出現(xiàn)長(zhǎng)期滲漏現(xiàn)象，受力鋼筋多處出現(xiàn)銹蝕，部分鋼筋銹蝕嚴(yán)重。水箱上殼混凝土保護(hù)層崩落，出現(xiàn)明顯的主筋銹蝕。當(dāng)前的使用時(shí)間是30年，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)建成至保護(hù)層銹脹開(kāi)裂時(shí)間是34.5年，這與實(shí)際調(diào)查情況比較符合。雖然最后預(yù)測(cè)混凝土表面出現(xiàn)可接受最大外觀損傷的時(shí)間在18年后，但結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力已不滿足要求，為預(yù)防潛在風(fēng)險(xiǎn)，建議進(jìn)行加固維修處理。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著一大批混凝土建筑進(jìn)入老化階段，越來(lái)越多的業(yè)主在對(duì)既有建筑物的檢測(cè)和鑒定過(guò)程中，提出耐久性評(píng)定和剩余壽命預(yù)測(cè)的要求?？梢哉f(shuō)，如何對(duì)這些建筑進(jìn)行科學(xué)的耐久性、經(jīng)濟(jì)性評(píng)定以及剩余壽命的預(yù)測(cè)，是當(dāng)今土木工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通過(guò)對(duì)實(shí)際案例的檢測(cè)分析，可對(duì)其他鋼筋混凝土建筑的耐久性鑒定，提供一定參考作用。

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作者簡(jiǎn)介：王猛（1982，3-），男，湖南桃江人，碩士，工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。