变电站既有建筑物的安全耐久性问题分析

2013-03-22薛晓峰

电力与能源 2013年3期

薛晓峰

（上海送变电工程公司，上海 200235）

0 引言

变电站建成运行5～6年后，会在屋面、混凝土楼板、砖墙及钢筋混凝土设备支架电杆等处发现小裂缝。随着时间推移，新的裂缝会不断出现并不断发展。变电站房屋结构少量裂缝是个值得注意的问题，轻者会影响变电站美观、造成渗漏水，重者会降低构件承载力，影响结构耐久性，大大缩短房屋使用寿命。因此，需要及时处理变电站既有建筑物的安全性和耐久性问题。

1 变电站建筑物的耐久性问题

1.1 砖墙开裂渗水风化

1）关键因素是使用和环境作为一种经济可靠的结构形式，变电站早期建造的建筑物大多采用砖混结构体系。2008年据郑州地区130座房屋调查结果可知，除了设计、施工因素外，使用和环境因素是造成砖混结构房屋损伤的主要原因［1］。在环境温差作用下，由于变电站高压配电楼采用长条形砖混结构，温差变形会使其两端靠近屋盖下檐的纵横墙面上出现水平或斜裂缝；对于继电器室等方型大开间的砖混结构建筑物，温差裂缝主要分布在四周靠近屋盖下檐的纵横墙面上，主要为水平裂缝；此外在窗洞四角和窗下也可能出现裂缝。

2）主要原因是热膨胀不同温差裂缝属稳定型裂缝，缝隙一般较小。温差裂缝产生的主要原因是混凝土构件与砖砌体的热膨胀性不同，混凝土结构屋面的伸缩变形引起其下砖砌体内部应力超过其材料抗拉强度的结果。温差裂缝一般不会进一步发展，短期内不会影响构件安全，但裂缝会影响建筑物的美观和结构的耐久性。

3）上海地区属于软土地基变电站大多采用对变形比较敏感的墙下条形基础，多年运行后墙脚会因基础不均匀沉降而出现由下往上发展，呈八字形或倒八字形的斜裂缝，主要集中在底层房屋四角和沉降缝两侧。

4）外墙开裂和风化机理变电站的外墙开裂渗水，会使砂浆中水溶性氢氧化钙通过毛细效应被输送到砂浆表面，随着外墙渗水停止，砂浆表面水分蒸发后氢氧化钙便被析出，形成一层粉末。当外墙渗水不能得到及时有效处理，砖墙表面的粉刷层便会逐渐粉化。当黏土砖浸水时，水溶性无机矿物材料便会从砖块中溶出并通过毛细作用渗透到砖块表面，水分蒸发时该物质会重新结晶并残留在砖块表面成为“墙硝”。当这种溶盐属于硫酸盐类物质时，在结晶过程中硫酸盐晶体的体积会增大，从而引起砖块表面膨胀破坏，这种风化作用最终导致外墙截面积减少，荷载偏心距增加，墙体承载力和安全度显著降低。

考虑到砖墙长期开裂渗水，不仅会影响房屋外观及其正常使用，还会加快砖墙外表风化和剥落速度。为了确保变电站的安全运行，在日常巡视和变电站技术改造中，必须关注砖混建筑物外墙的开裂和风化问题。

1.2 混凝土结构钢筋锈胀开裂

以变电站室外构架中常见的混凝土电杆为例，由于长期处于日晒雨淋，风霜雪雨的户外环境中，经过数十年运行，难免在其表面不同程度地出现纵横裂纹、蜂窝麻面等破损现象，这主要源于混凝土的碳化、碱骨料反应及盐类侵蚀作用［2］。

1）混凝土碳化由于大气中的酸性介质和水通过各种微孔道及裂缝渗入混凝土，使混凝土的碱度降低，为钢筋锈蚀创造了条件。钢筋锈蚀后，随着截面积逐渐减小，屈服强度与极限强度下降，屈服平台缩短甚至消失［3］。锈蚀生成的氧化物一方面会发生体积膨胀，引起保护层顺筋胀裂甚至脱落，导致构件混凝土截面积减小；另一方面锈胀也破坏了钢筋与混凝土之间的黏结，导致钢筋混凝土构件表面裂缝间距增大、宽度增大、刚度降低，不仅降低了构件的承载力，而且锈蚀也使构件的变形能力显著下降［4］。因此，混凝土碳化是主要原因，而且混凝土碳化还会发生收缩现象，导致混凝土表面产生收缩裂缝。

2）碱骨料反应骨料中的活性矿物与混凝土中的碱性细孔溶液间的内部膨胀会产生裂缝。

3）盐类侵蚀盐类尤其是氯盐，不仅会破坏钢筋表面的钝化膜引起钢筋锈蚀，还会导致电杆顺筋开裂和钢筋保护层脱落。因此，盐类侵蚀会使钢筋腐蚀加速，电杆表面裂纹不断扩展。虽然混凝土构件钢筋锈蚀开裂的过程是逐渐发展的，但受弯梁、板和受压混凝土柱的对比试验，均证实锈蚀后构件的破坏过程极其短暂，脆性破坏前无明显预兆［5］。

4）其他方面除了室外混凝土构架会出现耐久性问题外，由于设计施工时混凝土保护层厚度偏小，也会引起室内构件中钢筋过早锈蚀而产生耐久性问题。总之，影响混凝土构件耐久性的因素，既有材料品种、强度、施工质量和保护层厚度等内部因素，也有环境、气候和荷载等外部因素。因此，除了设计施工单位要在新建工程中预防出现耐久性问题外，电网运行单位也要随时巡查混凝土结构使用情况，避免钢筋锈胀开裂对变电站安全运行产生不利的影响。

1.3 钢结构锈蚀

随着现代工业的不断发展，大气污染严重，钢结构的防腐问题十分严峻，这也是工程结构中钢结构的三大隐患之一。据统计，我国1995年因钢结构腐蚀造成的经济损失超过1 500亿元，约占国民生产总值的4%。目前，全世界每年因钢结构腐蚀造成的经济损失超过数千亿美元，而且因钢结构腐蚀造成的事故，引起停工停产所造成的间接经济损失，可能超过直接经济损失的若干倍［6］。

由于变电站雨篷、输电塔等钢结构的使用环境比较恶劣，而上海地区的湿度经常超过钢材临界腐蚀湿度的60%，在露天日晒雨淋、风吹、酸雨侵蚀等环境条件下，如果设计、施工、管理等方面防腐措施不当，就很可能使钢结构在短期内发生锈蚀。如果钢构件表面防锈涂层破坏，锈蚀量就会逐渐增加，一旦超过临界点，截面就会屈服，构件就会失稳，甚至引起结构垮塌［7］。由于均匀腐蚀、孔蚀、电偶腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀形式和成因各有不同，再加上每个钢构件所处的环境条件可能存在差异，故在无法准确预测构件锈蚀的前提下，日常巡查钢结构的锈蚀情况对维护变电站正常运行十分重要。

2 应对方案

针对变电站既有建筑物目前存在的耐久性问题，在梳理近年国内外结构加固修复技术研究最新成果的基础上，提出以下应对方案。

2.1 砖混结构

在变电站日常运行中，砖混结构房屋墙体常因温差和地基不均匀沉降而发生开裂。在明确这类裂缝发展已经稳定的前提下，对宽度大于5mm的裂缝可用水泥砂浆填实，对宽度介于0.3～5mm之间的裂缝可用压力灌浆修补，然后沿裂缝方向粘贴纤维复合材料，最后用水泥砂浆抹面。这样，墙体抗剪承载力基本可以恢复到破坏之前的水平［8］。如果发现外墙砖块风化和砂浆粉化，在调查确定砖墙损伤程度较轻的前提下，可以采取局部修补的方法，即在清除表面风化层的基础上，采用聚合物砂浆嵌补风化部位，然后对墙面重新抹灰粉刷或涂刷防水保护涂料。

2.2 框架结构

在变电站日常运行中，如果发现混凝土构件表面存在锈胀开裂现象，在确定损伤原因和损伤程度的前提下，可以采取局部修补和阻锈的方法以确保结构耐久性能，即先清除锈胀部位已经疏松的混凝土和钢筋表面浮锈，然后用聚合物砂浆修补，最后视钢筋锈蚀量用外贴玄武岩纤维的方法加固混凝土构件［9］。在局部修补的基础上，对同一幢建筑物同期浇筑的其他混凝土构件，采用表面喷涂钢筋阻锈剂的方法进行处理。对锈胀变形严重的室外混凝土环形电杆，可用热浸镀锌防腐钢管替换以确保电网安全运行［10］。