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        倒錐殼水塔耐久性評定及剩余壽命預(yù)測

        2015-05-30 07:13:44王猛徐馳
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年15期

        王猛 徐馳

        摘 要:目前,我國大多數(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)重的耐久性問題。對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,并對其耐久性評定和剩余壽命預(yù)測是十分必要的,不僅可以揭示潛在危險,及時做出維修,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;耐久性評定;剩余壽命;結(jié)構(gòu)檢測

        當(dāng)前,我國大多數(shù)的倒錐殼水塔已使用了20~30年,由于長期暴露在外,混凝土碳化十分嚴(yán)重,同時由于鋼筋保護(hù)層的失效導(dǎo)致水箱殼體鋼筋嚴(yán)重銹蝕,水箱殼體的漏水問題普遍存在,亟需通過結(jié)構(gòu)檢測,綜合評定其混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,并對其剩余使用年限進(jìn)行預(yù)測。文章以湖南某倒錐殼水塔為研究對象,通過分析該結(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)場勘察和檢測;結(jié)合現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定規(guī)范,對該倒錐殼水塔的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測,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、人井及人井平臺混凝土為C30,水箱下環(huán)梁混凝土為C25,按國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)圖集建造。

        2 現(xiàn)場檢測結(jié)果

        在進(jìn)行現(xiàn)場檢測時,主要采用無損檢測方法、局部破損方法以及觀察法進(jìn)行檢測?,F(xiàn)場調(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,水塔周圍地基穩(wěn)定,周圍無經(jīng)常性、明顯影響結(jié)構(gòu)安全的振動。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、人井及人井平臺無明顯變形,水塔無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;每層的人井平臺鋼筋外露,出現(xiàn)明顯銹蝕。具體本次檢測得到的檢測數(shù)據(jù)見表1。

        3 水塔建成至鋼筋開始銹蝕的計(jì)算

        結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)》[10](CECS220:2007),鋼筋開始銹蝕時間應(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)建成至鋼筋開始銹蝕的時間;Kk、Kc、Km-碳化速率、保護(hù)層厚度、局部環(huán)境對鋼筋開始銹蝕時間的影響系數(shù)。

        3.1 碳化系數(shù)k的確定

        式中:xc-實(shí)測碳化深度(mm);t0-結(jié)構(gòu)建成之檢測時的時間。

        根據(jù)檢測結(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)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)》[10](CECS220:2007)得出各耐久性影響系數(shù)見表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)建成至鋼筋開始銹蝕的時間ti=16.0年。

        4 保護(hù)層銹脹開裂的時間的計(jì)算

        保護(hù)層銹脹開裂時間應(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)層銹脹開裂的時間;tc-鋼筋開始銹蝕至保護(hù)層銹脹開裂的時間;A-對室外墻板取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)境對保護(hù)層銹脹開裂時間的影響系數(shù)。

        根據(jù)本次檢測結(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)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)》[10](CECS220:2007)得出各影響系數(shù)見表3。

        表3 各對保護(hù)層銹脹開裂時間的影響系數(shù)

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

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

        混凝土表面出現(xiàn)可接受最大外觀損傷的時間應(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間;tcl-鋼筋開始銹蝕至混凝土表面出現(xiàn)可接受最大外觀損傷的時間;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)境對混凝土表面出現(xiàn)可接受最大外觀損傷時間的影響系數(shù)。

        根據(jù)本次檢測結(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)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)》[10](CECS220:2007)得出各影響系數(shù)見表4。

        表4 各對混凝土表面出現(xiàn)可接受最大外觀損傷時間的影響系數(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)前的使用時間是30年,預(yù)測結(jié)構(gòu)建成至保護(hù)層銹脹開裂時間是34.5年,這與實(shí)際調(diào)查情況比較符合。雖然最后預(yù)測混凝土表面出現(xiàn)可接受最大外觀損傷的時間在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,建議進(jìn)行加固維修處理。

        6 結(jié)束語

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

        參考文獻(xiàn)

        [1]盧木,等.混凝土耐久性研究現(xiàn)狀和研究方向[J].工業(yè)建筑,1997.

        [2]鐘大鳴,等.結(jié)構(gòu)可靠性鑒定與耐久性評估[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,1999.

        [3]GB/T50344-2004.建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

        [4]GB50010-2010.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

        [5]GB50144-2008.工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2009.

        [6]CECS220:2007.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

        [7]牛荻濤,王艷,連暉,等.工業(yè)廠房耐久性評定及剩余壽命預(yù)測[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

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

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