考虑材料劣化的既有建筑结构健康监测与安全评估方法

引言

随着城市化进程加快和建筑行业发展，既有建筑物数量不断增加，且服役年限普遍延长，建筑结构的安全性与耐久性问题愈发突出。我国大量上世纪六七十年代建造的混凝土和钢结构建筑面临材料劣化、结构退化等安全隐患。材料劣化，如混凝土碳化、钢筋锈蚀和钢结构腐蚀，已成为影响建筑结构安全的核心因素。传统的健康监测与安全评估方法多基于静态模型或单一监测指标，忽视了材料性能的退化过程，导致评估结果与实际情况存在偏差。

一、建筑材料劣化机理及其对结构性能的影响分析

建筑材料在长期服役过程中会受到环境因素、荷载作用、施工质量与使用维护状况等多方面影响，产生不同程度的劣化现象。混凝土材料主要劣化机制包括碳化、氯离子侵蚀、冻融循环、干湿交替等，其中碳化会导致混凝土保护层失效，诱发钢筋锈蚀；氯离子侵蚀则直接破坏钢筋与混凝土粘结性能，降低整体承载力。钢结构材料则以腐蚀与疲劳破坏为主，长期暴露在潮湿、高盐雾、工业污染等环境下，钢材表面氧化皮脱落、厚度减少，造成截面损失与强度下降。木结构材料常见劣化形式为虫蛀、腐朽与风化，特别是在高湿环境下更易发生生物降解反应。上述材料劣化现象对结构性能影响主要体现在承载力降低、刚度减小、延性下降与耐久性削弱等方面。

二、既有建筑结构健康监测体系构建方法研究

为了实现对既有建筑结构材料劣化状态的实时掌控与科学评估，需构建覆盖全结构体系的多层次、多参数健康监测系统。该系统主要由监 置与数据采集平台建设等环节组成。监测对象应根据建筑物重要性等级 共建筑、高层建筑、大型工业厂房等高风险区域。监测指标选择需 结构 特征， 材料性能指标与结构响应指标两大类。材料性能指标包括混凝土碳化深度、钢筋锈蚀率、钢材腐蚀厚度、木材含水率与强度参数等；结构响应指标则包括位移、应变、应力、振动频率与阻尼比等。

三、基于材料劣化模型的建筑结构安全评估方法

传统建筑结构安全评估方法多采用静态计算模型，难以充分反映材料劣化对结构性能的动态影响。为此，需引入基于材料劣化模型的安全评估方法体系。该方法主要包括劣化机理建模、结构性能演化分析与安全性指标计算三大步骤。劣化机理建模阶段，需依据材料物理化学反应规律与环境作用特性，构建材料性能随时间变化的退化模型。例如，混凝土碳化过程可采用Fick 扩散方程模拟，钢筋锈蚀过程则结合Faraday 定律与实测数据建立锈蚀率模型。结构性能演化分析阶段，将材料劣化模型参数输入结构有限元分析系统，动态更新结构刚度矩阵与强度参数，模拟结构在不同服役年限下的响应特征与破坏模式。

四、考虑材料劣化因素的综合性安全管理机制

在实际工程管理过程中，单一监测或评估手段难以满足既有建筑结构全生命周期安全保障需求，需构建涵盖监测、评估、维护与决策支持在内的综合性安全管理机制。该机制主要包括信息平台建设、管理流程优化、应急响应体系完善与政策法规支持等方面。信息平台建设方面，应基于建筑结构健康监测与安全评估系统，建立统一的数据管理与信息共享平台，实现监测数据、评估结果与维护记录的全程可追溯与动态更新。管理流程优化方面，应明确责任主体与操作流程，制定涵盖数据采集、异常预警、评估分析、维护实施与效果反馈等环节的标准化管理制度，提升工作效率与规范性。

五、典型案例分析与方法应用效果验证

为验证所提方法的可行性与应用效果，本研究选取某大型公共建筑改造项目作为典型案例。该建筑建成于上世纪八十年代，总建筑面积约5 万平方米，主体为钢筋混凝土框架结构，位于沿海高湿、高盐环境，存在混凝土碳化深度超过 25mm 、钢筋锈蚀率达18%的典型劣化问题。首先，项目团队对全楼120 个取样点进行了材料性能检测，采用混凝土取芯试验测定碳化深度，并结合腐蚀速率仪和温湿度数据建立了锈蚀率随时间变化的预测模型。其次，在关键节点布置了传感器与图像监测设备，实时采集数据并上传至监测平台，验证了材料劣化对结构刚度的影响。最后，利用安全评估平台，结合有限元分析与动态建模，模拟了不同服役年限下的结构安全状态，评估结果显示，10 年后主楼框架承载余度将降至 12% 。根据此评估，提出了局部加固、钢筋更换和碳纤维加固的维护建议。该案例验证了基于材料劣化与多参数监测数据融合的评估方法，不仅提高了安全余度判断的精准性，还为分级维护决策提供了依据，显著提升了既有建筑结构安全管理的科学性与可靠性。

结论

本文围绕考虑材料劣化的既有建筑结构健康监测与安全评估方法展开系统性研究，明确了建筑材料劣化机理与结构性能演化规律，提出了以多参数监测与动态模型分析为核心的综合评估方法体系，并结合实际案例验证了方法应用效果。研究表明，科学合理的健康监测与安全评估体系建设，是提升既有建筑结构安全管理水平、保障公共安全与社会稳定的重要技术手段。未来，随着信息技术与人工智能技术的持续进步，考虑材料劣化因素的建筑结构安全管理模式将更加智能化、系统化与规范化。

参考文献

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