李偉，謝傳喜，賀建旺，鄒振川

(重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶400042)

重慶鵝嶺二廠文創(chuàng)園1#樓室外鋼筋混凝土樓梯耐久性分析

李偉，謝傳喜，賀建旺，鄒振川

(重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶400042)

隨著社會(huì)的發(fā)展及時(shí)間的推移，越來(lái)越多的建筑使用年限接近或超出設(shè)計(jì)使用年限，部分超出使用年限的建筑因其歷史意義、時(shí)代意義、地方特色等因素?zé)o法拆除重建，因此須就其耐久性對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響進(jìn)行分析。樓梯作為運(yùn)輸工具，使用頻率及重要性高，特別是室外樓梯的耐久性將極大地影響結(jié)構(gòu)安全性能。該文結(jié)合原重慶印制二廠1#樓室外鋼筋混凝土樓梯耐久性分析來(lái)說明耐久性理論計(jì)算與工程實(shí)際之間的差異，并分析造成差異的可能原因。

歷史建筑；剩余使用年限；耐久性分析；對(duì)比分析

1 混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實(shí)狀況

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各個(gè)城市的城市基礎(chǔ)建設(shè)均呈現(xiàn)出井噴式發(fā)展。城市用地出現(xiàn)短缺現(xiàn)象，部分建設(shè)用地通過拆除舊有建筑進(jìn)行提供，部分建筑由于其歷史意義、時(shí)代意義及標(biāo)志意義無(wú)法進(jìn)行拆除。但因使用年限的原因，超過設(shè)計(jì)使用期限的房屋耐久性或多或少均會(huì)出現(xiàn)不足或缺陷。這將帶來(lái)一系列的問題：無(wú)法處置的房屋結(jié)構(gòu)安全性能如何，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性是否滿足要求，如何評(píng)價(jià)一棟超出設(shè)計(jì)使用期限的房屋的剩余使用年限等。

2 耐久性的影響因素

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是指混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內(nèi)部因素的作用下，保持其自身工作能力的性能[1]。影響混凝土耐久性的主要因素包括：混凝土的碳化、鋼筋保護(hù)層厚度、局部環(huán)境影響、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、鋼筋直徑。

混凝土碳化是混凝土耐久性影響中最常見的一種，空氣中的二氧化碳與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后混凝土的性能發(fā)生變化，其力學(xué)性能遭受到顯著破壞，混凝土碳化后，鋼筋表面的鈍化膜遭受侵蝕使鋼筋失去混凝土的保護(hù)從而產(chǎn)生銹脹現(xiàn)象。混凝土碳化與混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性密切相關(guān)，是衡量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物可靠度的重要指標(biāo)。碳化與混凝土的水灰比、水泥品種、水泥用量、養(yǎng)護(hù)方法、氣孔尺寸與分布有關(guān)，還與環(huán)境的相對(duì)濕度、溫度及二氧化碳的濃度有關(guān)[2-6]。

3 結(jié)構(gòu)剩余使用年限推定

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》CECS 220：2007[7]內(nèi)容，鋼筋銹蝕耐久性極限狀態(tài)應(yīng)按下列規(guī)定確定：

（1）對(duì)下一目標(biāo)使用年限內(nèi)不允許鋼筋銹蝕或嚴(yán)格不允許保護(hù)層銹脹開裂的構(gòu)件（如預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件），可將鋼筋開始銹蝕作為耐久性極限狀態(tài)。

（2）對(duì)下一目標(biāo)使用年限內(nèi)一般不允許出現(xiàn)銹脹裂縫的構(gòu)件，可將保護(hù)層銹脹開裂作為耐久性極限狀態(tài)。

（3）對(duì)下一目標(biāo)使用年限內(nèi)允許出現(xiàn)銹脹裂縫或局部破損的構(gòu)件，可將混凝土表面出現(xiàn)可接受最大外觀損傷作為耐久性極限狀態(tài)。

根據(jù)工程結(jié)構(gòu)使用的特性，按第（2）條規(guī)定評(píng)定一般住宅、辦公樓工程的耐久性剩余使用年限的評(píng)定公式如下。

影響混凝土耐久性的一個(gè)主要原因是混凝土碳化，碳化系數(shù)反映碳化速度的大小，碳化系數(shù)表達(dá)式為：

其中：

（1）xc表示實(shí)測(cè)碳化深度(mm)；t0表示結(jié)構(gòu)建成至檢測(cè)時(shí)的時(shí)間(年)。從式中可以看出碳化系數(shù)與碳化深度成正比，與檢測(cè)時(shí)間成反比。

根據(jù)上述公式及耐久性極限狀態(tài)評(píng)定依據(jù)，結(jié)構(gòu)距檢測(cè)時(shí)剩余使用年限t=tcr-t0，t0表示結(jié)構(gòu)建成至檢測(cè)時(shí)的時(shí)間(年)。

根據(jù)上述公式，影響結(jié)構(gòu)剩余使用年限的重要參數(shù)有鋼筋保護(hù)層厚度、碳化深度（混凝土密實(shí)性）、構(gòu)件類型、工程使用環(huán)境情況等。

采用單參變化對(duì)混凝土保護(hù)層銹脹開裂的影響進(jìn)行分析表明，影響混凝土保護(hù)層銹脹開裂的主要原因?yàn)殇摻畋Ｗo(hù)層厚度、混凝土評(píng)定強(qiáng)度、碳化深度、鋼筋直徑、構(gòu)件的部位。保護(hù)層厚度越大，混凝土評(píng)定強(qiáng)度越高，保護(hù)層碳化深度越小，混凝土保護(hù)層銹脹開裂混凝土銹脹開裂時(shí)間越大；所用鋼筋直徑越大，開裂時(shí)間越短；構(gòu)件角部比其他部位更容易銹脹開裂。

4工程實(shí)例分析

原重慶印制二廠1號(hào)樓位于重慶市渝中區(qū)鵝嶺，樓梯正面臨江。該區(qū)域地勢(shì)高，氣象環(huán)境復(fù)雜，風(fēng)、雨、雪等氣象條件可直接作用在該建筑上。該建筑修建于19世紀(jì)80年代初期，至檢測(cè)時(shí)已使用34年。該樓梯為梁式樓梯，共計(jì)4層，為卵石鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。該樓梯位于室外，長(zhǎng)期受到各種氣象條件直接作用。樓梯平面布置見圖1。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該樓體實(shí)體進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)剔開部分構(gòu)件混凝土并在混凝土表面布置測(cè)孔，測(cè)量前清掃孔內(nèi)碎屑和粉末后采用1%酚酞試劑對(duì)混凝土碳化進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量時(shí)每孔不少于3次。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，該樓梯混凝土構(gòu)件碳化深度為6.0mm。

剔開柱鋼筋，采用游標(biāo)卡尺對(duì)柱主筋直徑進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)柱主筋直徑為B16；采用鋼筋位置測(cè)定儀對(duì)構(gòu)件鋼筋保護(hù)層厚度進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果表明抽測(cè)鋼筋保護(hù)層厚度最小值為30mm；采用回彈法對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果表明該樓梯混凝土強(qiáng)度可按C20進(jìn)行分析。查閱重慶氣象條件，年平均氣溫約為18.3℃，年平均相對(duì)濕度為70%～80%。

圖1 樓梯結(jié)構(gòu)平面布置圖(mm)

保護(hù)層銹脹時(shí)的臨界鋼筋銹蝕深度：δσ=0.12c/d+0.00084fcu,k+0.018=0.0573，保護(hù)層銹脹開裂前的年平均鋼筋銹蝕速率λ0=7.5kd·m(0.75+ 0.0125T)(RH-0.45)2/3·c-0.675·fcu,k-1.8=0.00969mm/年。根據(jù)計(jì)算結(jié)果

鋼筋開始銹蝕時(shí)間計(jì)算為

檢測(cè)時(shí)該樓梯使用了34年，按照耐久性理論計(jì)算分析可知，該樓梯尚能使用時(shí)間為t=tcr-t0=53.6-34=19.6年。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該樓梯混凝土構(gòu)件鋼筋銹蝕、角部銹脹，結(jié)構(gòu)耐久性不滿足要求，典型現(xiàn)象見圖2所示。

通過上述分析表明理論計(jì)算不完全滿足工程實(shí)際檢測(cè)情況，須考慮結(jié)構(gòu)使用情況對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)行綜合分析。

圖2 柱鋼筋銹蝕、銹脹

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)既有建筑的耐久性，本文介紹了理論剩余使用年限的計(jì)算方法，并結(jié)合室外樓梯分析了既有室外結(jié)構(gòu)的剩余使用。通過分析表明，理論計(jì)算不完全滿足工程實(shí)際檢測(cè)情況，環(huán)境影響系數(shù)的選取對(duì)耐久性年限的分析影響明顯，在工程實(shí)際分析時(shí)，應(yīng)詳細(xì)調(diào)查結(jié)構(gòu)所在地區(qū)的耦合氣象條件，如雨水的酸堿性、小區(qū)域的氣候、氣象條件、地形等因素等的影響，才能得出比較合理的結(jié)構(gòu)剩余使用年限。

[1]金偉良，趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的回顧與展望[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2002，36（4）.

[2]邸小壇，周燕.混凝土碳化規(guī)律的研究[R].北京：中國(guó)建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)所，1994.

[3]張譽(yù)，蔣利學(xué).基于碳化機(jī)理的混凝土碳化深度實(shí)用數(shù)學(xué)模型[J].工業(yè)建筑，1998，28（1）：16-19.

[4]金偉良，張亮，鄢飛.函數(shù)型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在混凝土碳化分析中的作用[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，1998，32（5）：519-525.

[5]鄢飛，金偉良，張亮.碳化反應(yīng)區(qū)對(duì)混凝土碳化規(guī)律的影響[J].工業(yè)建筑，1999，29（1）：12-17.

[6]張亮.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的碳化、銹蝕和可靠性[D].杭州：浙江大學(xué)，1999.

[7]西安建筑科技大學(xué).CECS 220：2007混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Durability Analysis of Outdoor Reinforced Concrete Stair of Building 1#of the Second Printing Factory ICIP in Chongqing

With the advancement of society and of time，many buildings are getting close to or beyond their designed life,and some cannot be demolished for reconstruction out of historical and epochal significance as well as local specialties,so it is a must to analyze its durability impact on structural safety. As a means of transportation,the stairs are frequently used and of great importance,especially the durability of outdoor stairs has a greater impact on the structural safety.This paper combines the durability analysis of the outdoor reinforced concrete stair of Building 1#of the Second Printing Factory ICIP in Chongqing(also called"TESTBED 2")to elaborate the differences between theoretical calculation and practical engineering of durability,with possible causes for the differences analyzed.

heritage architecture;remaining service life;durability analysis;comparative analysis

TU375.4

A

1671-9107（2017）06-0047-02

2017-05-09

李偉（1987-），男，重慶人，研究生，工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定、加固設(shè)計(jì)和加固施工等工作。

基金論文：該文為重慶市建設(shè)科技計(jì)劃項(xiàng)目“老舊工業(yè)廠房改造再利用技術(shù)及工程管理綜合研究”（項(xiàng)目編號(hào)：城科字2015第（1-36）號(hào)）系列研究論文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.06.047