丁雙雙，徐 可，柏靜怡

（1.蘇州中正工程檢測(cè)有限公司，江蘇 蘇州 215129；2.蘇州方正工程技術(shù)開發(fā)檢測(cè)有限公司，江蘇 蘇州 215123）

0 引言

軌道交通工程是惠及千家萬(wàn)戶的民生工程，其使用時(shí)間久，負(fù)荷強(qiáng)度大，被破壞后后果極其嚴(yán)重。鋼筋保護(hù)層厚度的控制是軌道交通工程質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。我國(guó)對(duì)于軌道工程的鋼筋保護(hù)層設(shè)計(jì)與驗(yàn)收均是參照房屋建筑的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。但是相較于普通建筑結(jié)構(gòu)，軌道工程有如下特點(diǎn)：①構(gòu)件尺寸大；②鋼筋直徑大，根數(shù)多；③設(shè)計(jì)使用年限長(zhǎng)；④結(jié)構(gòu)一般位于地下，溫差小，濕度大。軌道工程直接套用房建工程的驗(yàn)收規(guī)范的合理性有待商榷。普通的混凝土制間隔件和塑料制間隔件也常不能承受鋼筋骨架等荷載而被壓碎、折斷，有必要找出新的保護(hù)層控制間隔件。

1 鋼筋保護(hù)層重要性分析

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)利用了混凝土抗壓強(qiáng)度高、鋼筋抗拉強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，鋼筋保護(hù)層是保證兩者協(xié)同工作的前提條件。一般認(rèn)為鋼筋保護(hù)層具有三個(gè)作用［1］。

1.1 保證鋼筋和混凝土整體受力

規(guī)范要求，當(dāng)充分利用鋼筋的抗拉強(qiáng)度時(shí)，保護(hù)層必須達(dá)到一定的厚度，才能保證混凝土與鋼筋之間的握裹力。一旦鋼筋與混凝土之間喪失握裹力，鋼筋極易產(chǎn)生體外位移和屈曲，混凝土被拉斷，發(fā)生質(zhì)量安全事故。

1.2 耐久性作用

鋼筋保護(hù)層保護(hù)鋼筋在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)不會(huì)發(fā)生危及結(jié)構(gòu)安全的銹蝕，保證結(jié)構(gòu)的耐久性。鋼筋混凝土耐久性的年限可以按照式（1）計(jì)算［2］：

式中：t為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的剩余年限，年；t0為檢驗(yàn)碳化深度時(shí)，結(jié)構(gòu)的齡期，年；D為受力鋼筋的保護(hù)層厚度，cm；X為檢驗(yàn)時(shí)結(jié)構(gòu)的碳化深度，cm。

因此當(dāng)鋼筋保護(hù)層厚度減小一半，耐久性年限只有原設(shè)計(jì)年限的 1/4，鋼筋保護(hù)層厚度對(duì)確保工程的使用壽命至關(guān)重要。

1.3 防火作用

混凝土一般可以承受 700℃ 高溫，鋼筋在 400℃ 以上，首先鋼筋屈服強(qiáng)度急劇降低，同時(shí)鋼筋的晶格改變而忽然膨脹，會(huì)影響混凝土與鋼筋共同受力。將鋼筋包裹在混凝土內(nèi)部，可以緩解鋼筋的溫度，緩解結(jié)構(gòu)倒塌失效時(shí)間，為人員以及物質(zhì)疏散提供寶貴的緩沖時(shí)間。如果保護(hù)層過(guò)薄，發(fā)生火災(zāi)時(shí)結(jié)構(gòu)容易開裂，鋼筋失效，結(jié)構(gòu)容易破壞［3］。

2 我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)最小鋼筋保護(hù)層設(shè)計(jì)值的比較分析

在我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際使用過(guò)程中，未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限就發(fā)生梁底、板低鋼筋銹漲的現(xiàn)象屢見不鮮，如圖 1 所示。造成這一現(xiàn)象的主要原因就是施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，保護(hù)層厚度不符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)我國(guó)規(guī)范對(duì)于最小保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)的要求偏低也是不可忽略的因素。陳肇元院士指出，現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定的最小的保護(hù)層設(shè)計(jì)值除了處于一級(jí)環(huán)境類別的混凝土結(jié)構(gòu)外，不能滿足設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)避免鋼筋嚴(yán)重銹蝕的要求［4］。

圖1 板底及梁底鋼筋銹漲露筋

如表 1 所示，對(duì)比我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家的保護(hù)層最小限值發(fā)現(xiàn)，我國(guó)對(duì)各類構(gòu)件的最小保護(hù)層設(shè)計(jì)值均小于發(fā)達(dá)國(guó)家保護(hù)層限值［5-6］。按照公式（1）計(jì)算發(fā)現(xiàn)，發(fā)達(dá)國(guó)家結(jié)構(gòu)的耐久性年限是我國(guó)的 1.8～4 倍，這也是發(fā)達(dá)國(guó)家百年歷史的建筑隨處可見的原因。我國(guó)對(duì)于鋼筋混凝土保護(hù)層的允許偏差范圍是梁類構(gòu)件（+10，-7），對(duì)于板類構(gòu)件為（+8，-5）［7］。因此，保護(hù)層設(shè)計(jì)值為 25 mm 的梁構(gòu)件，實(shí)測(cè)保護(hù)層厚度為 40 mm 時(shí)，在我國(guó)已經(jīng)屬于不合格范圍，而在發(fā)達(dá)國(guó)家恰好剛達(dá)到設(shè)計(jì)值。通過(guò)與發(fā)達(dá)國(guó)家的最小保護(hù)層限值對(duì)比以及我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用效果，表明我國(guó)保護(hù)層限值偏小。

表1 我國(guó)與不同國(guó)家對(duì)于最小保護(hù)層設(shè)計(jì)值

我國(guó)建筑施工仍屬于粗放型施工，工人的施工素養(yǎng)遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)的施工人員，而我國(guó)對(duì)于保護(hù)層的偏差范圍卻嚴(yán)于發(fā)達(dá)國(guó)家，例如美國(guó)對(duì)梁構(gòu)件的允許偏差為 13 mm，歐洲國(guó)家允許偏差為 10 mm。規(guī)范對(duì)偏差規(guī)定的過(guò)于嚴(yán)格，以至于不符合現(xiàn)階段的施工實(shí)際，這必將給施工控制、合格驗(yàn)收帶來(lái)困難［2］。

我國(guó)驗(yàn)收規(guī)范對(duì)于保護(hù)層的允許偏差范圍與保護(hù)層設(shè)計(jì)值的大小無(wú)關(guān)。如圖 2 所示，假若某梁當(dāng)保護(hù)層設(shè)計(jì)值為 25 mm時(shí)，最小合格值為 18 mm，耐久性使用年限為設(shè)計(jì)使用年限的 0.52 倍，最大合格值為 35 mm，耐久性年限為設(shè)計(jì)使用年限的 1.96 倍；當(dāng)保護(hù)層設(shè)計(jì)值35 mm 時(shí)，最小合格值為 28 mm，耐久性年限為設(shè)計(jì)使用年限的 0.64 倍，最大合格值為 45 mm，此時(shí)耐久性年限為設(shè)計(jì)使用年限的 1.65 倍。因此，保護(hù)層限值偏差對(duì)于不同保護(hù)層設(shè)計(jì)值的耐久性年限減小或者增加不統(tǒng)一，其合理性有待研究。

圖2 允許偏差對(duì)不同設(shè)計(jì)值構(gòu)件的耐久性影響

3 軌道交通工程與普通房建工程的差異性分析

我國(guó)對(duì)于軌道工程的鋼筋保護(hù)層厚度的驗(yàn)收規(guī)范采用的是房建工程的驗(yàn)收規(guī)范，可是軌道工程與房建工程有較大的差異。

3.1 構(gòu)件截面差異

鋼筋保護(hù)層偏大會(huì)減小構(gòu)件的有效截面高度，降低構(gòu)件的承載能力。普通鋼筋混凝土單筋梁的受彎承載力計(jì)算公式見式（2）：

式中：α1為應(yīng)力等效系數(shù)；fc為混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；b為構(gòu)件截面寬度，mm；h0為構(gòu)件的有效截面高度，mm；x為受壓區(qū)高度，mm；f′y為鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；A′s為受壓鋼筋面積，mm2；α′s為受壓邊緣到受壓區(qū)縱向受力鋼筋合力作用點(diǎn)之間的距離，mm。

表 2 為當(dāng)保護(hù)層偏厚，對(duì)普通構(gòu)件與軌道構(gòu)件受彎承載力的影響。普通房建構(gòu)件截面尺寸較小，保護(hù)層偏厚對(duì)于承載力降低有較大影響，但是軌道交通工程構(gòu)件截面尺寸遠(yuǎn)大于房建構(gòu)件的截面尺寸，同時(shí)，軌道工程為百年工程，有足夠的安全富余系數(shù)，保護(hù)層偏厚，承載力降低可以忽略不計(jì)。

表2 保護(hù)層偏厚對(duì)不同構(gòu)件受彎承載力的影響

3.2 環(huán)境差異

當(dāng)溫差變化較大時(shí)，鋼筋混凝土構(gòu)件的內(nèi)部產(chǎn)生較大溫度場(chǎng)應(yīng)力，該應(yīng)力由表及里，逐漸減小，當(dāng)保護(hù)層較大時(shí)，鋼筋對(duì)于溫度應(yīng)力的抵抗效果較弱，混凝土容易被拉裂，所以限制鋼筋保護(hù)層過(guò)厚的另一個(gè)原因是利用鋼筋抵抗溫度應(yīng)力，減少混凝土開裂。但是軌道工程位于地下，外界環(huán)境影響較小，且常年打開溫控設(shè)備，溫差變化極小。所以混凝土的溫度應(yīng)力較小。

軌道工程一般位于地下，環(huán)境類別一般屬于Ⅱa 類，普通房建工程室內(nèi)環(huán)境類別為Ⅰ類，所以軌道工程環(huán)境濕度一般較大。此外，軌道工程作為公共工程，人流量極大，空氣中 CO2的含量也較高。高濕度與高 CO2含量造成軌道工程混凝土的碳化速度更快，軌道工程的結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要更大的鋼筋保護(hù)層厚度。

4 軌道交通工程鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)

現(xiàn)有的鋼筋保護(hù)層檢測(cè)采用最多的是電磁感應(yīng)法。由于軌道工程配筋量特別大，不但鋼筋直徑大，而且鋼筋間距極小，形成“鋼筋板”，鋼筋之間相互影響，鋼筋保護(hù)層掃描儀測(cè)得的鋼筋保護(hù)層厚度均存在較大誤差。JGJ/T 152－2008《混凝土中鋼筋檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，當(dāng)其他鋼筋對(duì)檢測(cè)有影響時(shí)，應(yīng)采用局部破損對(duì)其進(jìn)行修正。文獻(xiàn)［8］提出當(dāng)鋼筋鋼筋直徑的比值＜3時(shí)，需要對(duì)檢測(cè)值進(jìn)行修正?，F(xiàn)階段精準(zhǔn)的測(cè)量方法是無(wú)損測(cè)量加上局部破損測(cè)量修正的方法。由于軌道交通工程是百年工程，一般禁止對(duì)構(gòu)件進(jìn)行局部破壞。為解決鋼筋間距太小引起的測(cè)量誤差同時(shí)不破壞原有結(jié)構(gòu)，本文通過(guò)澆筑等同于軌道交通工程配筋的試件，驗(yàn)證儀器測(cè)量值與實(shí)際保護(hù)層厚度的關(guān)系，為更精確地測(cè)量軌道交通工程構(gòu)件的保護(hù)層厚度提供技術(shù)參考。

4.1 試件設(shè)計(jì)

澆筑等同于軌道工程實(shí)際配筋形式的梁和板構(gòu)件，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表 3 所示，試件的加工及檢測(cè)如圖 3 所示。

表3 梁板試件的設(shè)計(jì)參數(shù) mm

圖3 試件現(xiàn)場(chǎng)加工

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

儀器檢測(cè)與局部破損采用游標(biāo)卡尺的檢測(cè)結(jié)果，如表 4 所示。梁構(gòu)件儀器檢測(cè)結(jié)果約為局部破損測(cè)量值的 0.85 倍，這就表明了鋼筋間距小，相鄰鋼筋對(duì)檢測(cè)值影響較大，儀器測(cè)值明顯小于實(shí)際鋼筋保護(hù)層值，需要對(duì)儀器測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。具體的修正系數(shù)需要根據(jù)鋼筋直徑、鋼筋間距、鋼筋保護(hù)層厚度有關(guān)，需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合確定。

表4 儀器測(cè)值與破損測(cè)值對(duì)比

板構(gòu)件儀器測(cè)值與局部破損實(shí)測(cè)值相近，板構(gòu)件儀器檢測(cè)結(jié)果約為局部破損測(cè)量值的 0.94 倍，鋼筋間距較大后，相鄰鋼筋對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響較弱。板類構(gòu)件儀器的精度可以達(dá)到工程實(shí)際的精度要求。

5 現(xiàn)階段施工中對(duì)鋼筋保護(hù)層控制存在的問(wèn)題

5.1 使用混凝土制間隔件

我國(guó)現(xiàn)階段施工中常采用綁扎砂漿（混凝土）間隔件的方法，如圖 4 所示?；炷灵g隔件強(qiáng)度低、綁扎不牢固。綁扎、澆筑、振搗都容易使其脫落、移位、折斷，在板底放置間隔件甚至?xí)粔核椤?shí)際工程應(yīng)用中，砂漿（混凝土）間隔件一般在工地現(xiàn)場(chǎng)制作，強(qiáng)度、尺寸隨意性大，而混凝土間隔件的強(qiáng)度、密實(shí)度、尺寸均無(wú)相關(guān)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，這給驗(yàn)收帶來(lái)困難。這也是造成鋼筋保護(hù)層厚度不符合設(shè)計(jì)的主要原因。此外，混凝土間隔件綁扎位置隨意，常常會(huì)對(duì)保護(hù)層的控制出現(xiàn)較大的偏差。日本已經(jīng)明確規(guī)定不得采用混凝土制間隔件。

圖4 混凝土制間隔件使用中出現(xiàn)的問(wèn)題

5.2 使用墊筋

軌道交通工程配筋率高，單根鋼筋質(zhì)量大，鋼筋綁扎難度大，在板底或梁底布筋時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程中，間隔件上經(jīng)常放一根玻璃纖維筋便于鋼筋綁扎。但是墊的鋼筋圓度，以及和間隔件高度的配合難以精確達(dá)到設(shè)計(jì)的保護(hù)層厚度，容易使保護(hù)層偏厚或者偏薄。同時(shí)墊筋剛度小，在上部鋼筋骨架荷載作用下，產(chǎn)生較大的撓度，最終保護(hù)層厚度控制值不均勻，偏差較大，給保護(hù)層控制帶來(lái)難度，如圖 5 所示。

圖5 間隔件配合墊筋的使用示意圖

5.3 使用塑料間隔件

塑料間隔件通過(guò)工廠統(tǒng)一生產(chǎn)，加工精度高，但是其穩(wěn)定性、剛度有欠缺，在作為間隔件被壓裂、變形的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。同時(shí)，混凝土與塑料間隔件的粘接性能差，塑料間隔件與混凝土的黏合效果差，容易在塑料和混凝土之間形成間隙，環(huán)境介質(zhì)通過(guò)縫隙腐蝕鋼筋。塑料制品在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，外露的塑料焚燒會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害氣體。

6 鋼制間隔件在軌道工程中的應(yīng)用效果

為解決混凝土制間隔件和塑料制間隔件對(duì)保護(hù)層控制的缺點(diǎn)，采用一種新型鋼制間隔件，該間隔件具有保護(hù)層控制效果好、控制厚度可以隨意變化，費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)（見圖 6）。

圖6 鋼制鋼筋保護(hù)層控制間隔件

為了對(duì)比鋼制間隔件與混凝土制間隔件對(duì)保護(hù)層控制的效果，以某軌道工程的柱、剪力墻進(jìn)行實(shí)際工程應(yīng)用效果評(píng)價(jià)，如圖 7 所示，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表 5～表 6 所示。

圖7 混凝土制間隔件與鋼制間隔件的應(yīng)用效果現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

根據(jù)表 5 和表 6 所示，對(duì)剪力墻構(gòu)件，采用鋼制間隔件保護(hù)層合格率為 100 %，采用混凝土制間隔件保護(hù)層合格率為 83.3 %；對(duì)柱構(gòu)件，采用鋼制間隔件保護(hù)層合格率為100 %，采用混凝土制間隔件保護(hù)層合格率為 33.3 %。根據(jù)圖 8 所示，采用鋼制間隔件，保護(hù)層測(cè)值差異較小，采用混凝土制間隔件的曲線上下波動(dòng)較大，表明混凝土間隔件控制質(zhì)量離散性較大。

表5 采用鋼制間隔件與普通混凝土間隔件的剪力墻檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

表6 采用鋼制間隔件與普通混凝土間隔件的柱檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖8 混凝土制間隔件與鋼制間隔件的應(yīng)用效果

7 結(jié)語(yǔ)

1）工程實(shí)際應(yīng)用效果以及與發(fā)達(dá)國(guó)家的規(guī)范相比，我國(guó)規(guī)范對(duì)于鋼筋保護(hù)層最小設(shè)計(jì)值的規(guī)定偏小。

2）軌道工程與房建工程相比，在構(gòu)件尺寸、環(huán)境條件具有較大的差異，軌道交通工程直接套用房建工程的驗(yàn)收規(guī)范的合理性有待商榷。

3）軌道交通工程配筋量大，現(xiàn)有的鋼筋保護(hù)層檢測(cè)設(shè)備，對(duì)于軌道交通工程的梁構(gòu)件的檢測(cè)結(jié)果偏小，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行修正。

4）鋼制間隔件具有保護(hù)層控制效果好、控制厚度可以隨意變化，費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)。