某钢筋锈蚀框架结构安全性评估及加固措施研究

某钢筋锈蚀框架结构安全性评估及加固措施研究

余智强[1]

东莞市大业建筑技术咨询有限公司 广东 东莞 523000

摘要：对某梁、柱、板钢筋锈蚀、混凝土开裂的在役老楼的受损情况进行了调查，基于现场复核及材料试验结果分析了引起钢筋锈蚀的原因；对该房屋承载能力进行了验算，并给出了结构的安全评级，最后提出了针对性的加固修复方案。

关键词：钢筋；锈蚀；安全；评估；加固

1引言

钢筋混凝土结构广泛用于建筑房屋、桥梁、道路、水利工程等基础设施中，是世界上使用最广泛的结构。近年来，越来越多的钢筋混凝土结构在远未达到其设计使用寿命时就发生了钢筋锈蚀等导致力学性能明显退化的现象，这在很大程度上削弱了结构的可靠性和安全性[1]。

钢筋混凝土内部钢筋锈蚀产物体积是原锈蚀钢筋的2~4倍，锈蚀产物体积膨胀将导致混凝土保护层开裂，裂缝的存在加速有害物质对钢筋的侵蚀，进一步促使锈蚀的产生[2]。针对钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构力学行为的影响，李城[3]建立了某在役箱梁桥的有限元模型，对底板纵向钢筋锈蚀后的保护层应力分布规律进行了研究。结果表明，钢筋锈蚀将导致钢筋周围混凝土应力增大，从而引起混凝土开裂或脱落。李永珑等[4]通过设置不同钢筋锈胀过盈量表征均匀锈蚀和非均匀锈蚀，并结合保护层表面产生裂缝时的钢筋锈蚀率，研究骨料参数、保护层厚度、界面层强度对混凝土均匀和非均匀锈胀开裂时锈蚀率的影响。陈香蓉等[5]对有限元软件中模拟钢筋混凝土锈蚀开裂所采用方法的优缺点进行了分析，结果表明，几何剖分+Cohesive单元法在一定程度上更能模拟钢筋锈胀致裂的过程。徐进等[6]针对钢筋锈蚀膨胀对钢筋-混凝土抗拔性能的影响，建立了钢筋-混凝土试块拉拔的三维模型，分析不同锈胀程度下钢筋-混凝土的抗拔性能。结果表明，钢筋锈蚀膨胀引起了初始混凝土损伤,引起钢筋-混凝土抗拔性能的降低。张鑫等[7]采用概率法对锈胀开裂寿命模型下保护层厚度与可靠度的关系进行分析研究，得出提高保护层厚度对耐久性的影响明显的结论。江钰[8]以锈蚀钢筋混凝土柱为研究对象，采用试验研究与理论推导相结合的研究方法，从多因素耦合（环境-荷载）的研究角度出发开展钢筋混凝土柱耐久性试验，并建立锈蚀钢筋混凝土柱承载力退化模型，用于定量计算锈蚀钢筋混凝土柱的残余承载力。

本文以某1995年建成的在役老楼为背景，研究了钢筋锈蚀、混凝土开裂的原因，并根据现场检测结果及承载力验算结果对房屋安全性进行了评估，最后，给出了相应的加固修复措施。

2工程背景

某商住楼为8层钢筋混凝土框架结构（首层为商铺、二～八层为住宅），平面形状为矩形，建筑面积约2500m2，建筑高度25.7m（层高4.5 m+3.0 m×7）。楼面荷载设计值为1.5 kN/m2（实际使用荷载≤1.5kN/m2），1995年建成后正常使用至今。框架柱尺寸为350mm×350mm、350 mm×400mm、400mm×400mm、400mm×450mm，最大跨度8.30m.框架梁尺寸为250mm×600mm、200 mm×600mm、250mm×700mm、180mm×600mm、180 mm×700mm。板厚95mm～109mm，墙体为180厚砂浆砌筑红砖。

该商住楼位于平坦的一般地段，无暗沟、边坡等不稳定因素，采用Φ1000人工挖孔桩，桩端持力层为中风化岩层，单桩容许承载力为1200 kN～3400 kN。整体垂直度良好，上部结构未发现有基础不均匀沉降的迹象或变形（最大倾斜值为4.58‰），梁、板、柱未发现明显的挠度变形。在使用期间，该房屋2楼部分钢筋混凝土柱出现了明显的开裂现象，初期对开裂柱进行了面层抹灰修复，但不久后这部分柱又重新出现了开裂。为了解钢筋混凝土柱的开裂原因，对部分开裂柱进行了开凿，开凿后发现柱内钢筋存在不同程度的锈蚀现象。

3房屋构件钢筋锈蚀情况及成因

3.1 房屋构件钢筋锈蚀情况及成因

经勘察，整栋房屋主体结构的个别梁、板、柱等结构构件均存在不同程度的钢筋锈蚀及混凝土胀裂等现象，且钢筋锈蚀构件主要集中在二层，柱钢筋锈蚀范围主要集中在根部位置（柱脚到柱高1.0 m范围内）。除上述锈蚀缺陷外，少数楼板或墙体出现了以收缩为主的非受力性裂缝，部分照片如图1所示。

图1 构件钢筋锈蚀情况

为探明构件钢筋锈蚀的原因，首先复核了构件截面尺寸，并采用局部开凿检查法和扫描法梁、板、柱构件内的钢筋配置情况进行了复核，结果表明，构件截面及配筋与设计基本相符。其次，采用钻芯法检测柱、梁、板的砼强度，按随机抽测原则，共采集了25个芯样，其中，首层柱7个、二层柱2个、三层柱2个、四层柱2个、五层柱2个；二层梁板2个、三层梁板2个、四层梁板2个、五层梁板2个、六层梁板2个，强度实测结果如表1所示。结果表明，房屋主体结构的混凝土强度质量良好，房屋首层柱、二层梁板混凝土强度设计值为250#，其它位置梁、板、柱混凝土强度设计值均为200#，分别相当于现行混凝土强度的23 MPa、18 MPa，基本达到原设计要求。综上，可以排除结构设计不合理导致的混凝土开裂及钢筋锈蚀。

由于钢筋锈蚀情况主要发生在二层，而其他楼层钢筋锈蚀情况较少，故可以排除建筑材料引起锈蚀的可能。经查，二层楼面与室外平台（一层楼面顶部）处于同一标高，施工时，为了增加住宅室内标高，采用建筑材料将室内填高了约25cm，且未做二次排水措施。故推断钢筋锈蚀主要是由柱脚处于潮湿环境所引起的。

表1 混凝土芯样强度实测值（MPa）

3.2 房屋承载力验算

为评估结构承载能力，根椐设计图纸及混凝土强度检测结果，采用空间结构计算程序PKPM-SATWE软件进行建模复核计算。由于该结构完工时间为1995年，故采用的验算规范为国家89系列结构规范，计算时取用的结构参数如表2所示。

表2 结构验算参数取值

承载力验算结果表明：梁、柱、板、基础等各类构件承载力鉴定系数均大于等于1.0，承载力基本满足结构安全使用要求，但部分柱存在混凝土胀裂、钢筋锈蚀现象，建模计算时未考虑该部分结构损伤。为使结构具有足够的承载能力及耐久性，应采取处理措施。

3.3 构件安全评级

现状建筑物主体结构的承载力基本满足国家规范标准的要求，根据构件钢筋锈蚀程度，可将受损构件分为两类：（a）钢筋轻度锈蚀或表面锈蚀，钢筋直径锈蚀＜10%，砼局部存在裂缝；（b）钢筋中度锈蚀，主筋直径锈蚀≥10%（个别箍筋已锈断），砼局部开裂，存在安全隐患，应采取处理措施。

在现有使用条件下，参照《民用建筑可靠性鉴定标准》[9]，地基基础安全性评定为Bu级，上部承重结构安全性评定为Bu级，围护系统安全性评定为Bu级，本座房屋的结构安全性综合评定为Bsu级，建筑物相应的安全状态评定为B类，整体结构满足安全使用要求，但应对存在缺陷的局部构件进行补强修缮。

4加固措施

针对钢筋轻度锈蚀（主筋直径锈蚀＜10%）的柱、梁、楼板等，先凿除疏松的混凝土，直到露出锈蚀的钢筋为止，再清洗混凝土界面，用除锈机或钢丝刷对锈蚀钢筋进行全面除锈，并采用外涂型钢筋阻锈剂涂刷钢筋表面。对于受损柱，钢筋除锈后采用高强改性水泥基灌浆料修复柱体受损部分，最后按原装修修复装饰面层。对于受损梁或楼板，钢筋除锈后采用Ⅰ级聚合物改性水泥砂浆每层压抹5~10 mm左右，修复板截面且总厚度不低于25 mm。

针对钢筋中度锈蚀（主筋直径锈蚀≥10%）的柱、梁、楼板等，先凿除疏松的混凝土，直到露出锈蚀钢筋为止，然后清洗混凝土界面，用除锈机或钢丝刷对锈蚀钢筋进行全面除锈，并用外涂型钢筋阻锈剂涂刷一遍。在锈蚀钢筋附近设置新的钢筋对受损钢筋进行替换或补偿。替换或补偿的纵筋应与无锈蚀区段的原纵筋焊接，焊接长度不低于12d。替换或补偿箍筋与未锈蚀的剩余箍筋焊接形成封闭箍（焊接长度不低于12d），间距与原箍筋相同，并在替换或补偿箍筋的位置加设8 mm接结筋（植入柱内15d）。当截面修复厚度≥100 mm时，还应增加界面连接钢筋。最后采用高强改性水泥基灌浆料（C40，含粗骨料）修复截面，钢筋保护层厚度不低于2 5mm，按原装修修复装饰面层即可。

对受损柱进行修复后，为了防止柱脚受潮湿环境的影响，对柱脚附近的楼板混凝土表面进行了凿毛处理，并在柱脚设置宽150mm、高200mm的防水混凝土，在边缘涂刷防水涂料。

墙体裂缝或墙体渗漏水处采用水泥注浆料进行压力灌浆封闭裂缝，再采用单面挂网批荡。对楼板中宽度＜0.3mm的裂缝，进行裂缝封闭处理，而对于宽度>0.3mm的裂缝，采用压力注胶法进行修复，再用防水砂浆或防水涂料作表面封闭。按上述要求采取措施后，建筑物可按设计用途安全投入使用，各层楼面使用活荷载均不应大于1.5 kN/m

2。

5结语

对某梁、柱、板钢筋锈蚀、混凝土开裂的在役老楼的受损情况进行了调查，基于材料试验结果对该房屋承载能力进行了验算，并给出了结构的安全评级，最后提出了针对性的加固修复方案，主要得到以下结论：

（1）整栋房屋主体结构的个别梁、板、柱等结构构件均存在不同程度的钢筋锈蚀及混凝土胀裂等现象，主要是由于柱脚处于潮湿环境所导致。

（2）承载力验算结果表明梁、柱、板、基础等各类构件承载力鉴定系数均大于等于1.0，承载力基本满足结构安全使用要求。

（3）地基基础安全性评定为Bu级，上部承重结构安全性评定为Bu级，围护系统安全性评定为Bu级，本座房屋的结构安全性综合评定为Bsu级，整体结构满足安全使用要求，建筑物相应的安全状态评定为B类。

（4）对受损结构进行了修复和补强，并做了对应的防潮处理，加固后结构可按设计用途投入安全使用。

参考文献

[1]罗琼瑶, 甘子琼, 彭波. 高层建筑防火封堵研究综述[C]//. 中国消防协会科学技术年会论文集, 2021:496-499.

[2]刘继睿, 商怀帅, 王玮钊, 等. 钢筋非均匀锈蚀导致混凝土开裂的研究[J]. 青岛理工大学学报, 2022,43(02):19-27.

[3]李城. 基于钢筋锈蚀的混凝土桥梁底板保护层应力分析[J]. 价值工程, 2022, 41(17): 59-61.

[4]李永珑, 张志强, 林迪睿, 等. 钢筋锈胀对混凝土构件保护层开裂影响的分析[J]. 铁道工程学报, 2022, 39(05): 73-79.

[5]陈香蓉, 霍静思, 王卫华, 等. 钢筋混凝土锈蚀开裂的有限元分析方法[J]. 华侨大学学报(自然科学版), 2022, 43(01): 36-43.

[6]徐进, 赵宴增, 周逸枫. 钢筋锈蚀膨胀对钢筋-混凝土抗拔性能的三维数值分析[J]. 四川水泥, 2021, (10): 74-75.

[7]张鑫, 姚林芝. 基于锈胀开裂寿命模型的钢筋保护层厚度研究[J]. 山西建筑, 2021, 47(17): 45-47.

[8]江钰. 锈蚀钢筋混凝土柱残余承载力研究[D]. 南昌: 华东交通大学, 2021.

[9]民用建筑可靠性鉴定标准. GB 50292—2015[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2015

收稿日期：2022-08

作者简介：余智强（1983-），男，中级工程师，本科，主要研究方向：既有建筑结构安全鉴定和改造加固设计