pA变形和裂缝宽度的计算

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1、pA变形和裂缝宽度的计算Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望第九章 变形和裂缝宽度的计算 对于超过对于超过正常使用极限状态正常使用极限状态的情况，由于其对生命财产的危害的情况，由于其对生命财产的危害性比超过承载力极限状态要小，因此相应的可靠度水平可比承载性比超过承载力极限状态要小，因此相应的可靠度水平可比承载力极限状态低一些。力极限状态低一些。正常使用极限状态的计算表达式正常使用极限状态的计算表达式为，为，Sk：作用效应标准值，如挠度变形和裂缝宽度，应根据作用效应标准值，

2、如挠度变形和裂缝宽度，应根据荷载标准荷载标准值值和和材料强度标准材料强度标准值确定。值确定。以受弯构件为例，在荷载标准值产生的弯矩可表示为，以受弯构件为例，在荷载标准值产生的弯矩可表示为， Msk = CGGk+CQQk由于活荷载达到其标准值由于活荷载达到其标准值Qk的作用时间较短，故的作用时间较短，故Msk称为称为短期弯短期弯矩矩，其值约为弯矩设计值的，其值约为弯矩设计值的50%70%。由于在荷载的长期作用下，构件的变形和裂缝宽度随时间增长，由于在荷载的长期作用下，构件的变形和裂缝宽度随时间增长，因此需要考虑长期荷载的影响，因此需要考虑长期荷载的影响，长期弯矩长期弯矩可表示为，可表示为， M

3、l k= CGGk+y yqCQQky yq为为活荷载准永久值系数活荷载准永久值系数（quasi-permanent load）结构的极限状态结构的极限状态: 承载能力极限状态承载能力极限状态: 安全性安全性 正常使用极限状态正常使用极限状态: 使用性和耐久性使用性和耐久性对于结构的正常使用极限状态，应当使用荷载对于结构的正常使用极限状态，应当使用荷载的标准值和准永久值，材料强度采用标准值。的标准值和准永久值，材料强度采用标准值。正常使用极限状态主要验算构件的裂缝宽度以正常使用极限状态主要验算构件的裂缝宽度以及变形（刚度）。及变形（刚度）。验算时应当考虑短期效应组合以及长期效应组验算时应当考虑

4、短期效应组合以及长期效应组合两种情况。合两种情况。第九章 变形和裂缝宽度的计算9.2 裂缝宽度计算荷载引起的裂缝宽度荷载引起的裂缝宽度一、裂缝的出现、分布与开展一、裂缝的出现、分布与开展第九章 变形和裂缝宽度的计算在裂缝出现前在裂缝出现前，混凝土和钢筋的应变沿构件的长度基本上是，混凝土和钢筋的应变沿构件的长度基本上是均匀分布的。均匀分布的。当混凝土的拉应力达到抗拉强度时当混凝土的拉应力达到抗拉强度时，首先会在构件最薄弱截，首先会在构件最薄弱截面位置出现第一条（批）裂缝。面位置出现第一条（批）裂缝。裂缝出现瞬间裂缝出现瞬间，裂缝截面位置的混凝土退出受拉工作，应力，裂缝截面位置的混凝土退出受拉工作

5、，应力为零，而钢筋拉应力应力产生突增为零，而钢筋拉应力应力产生突增DsDss= ft /r r，配筋率越小，配筋率越小，DsDss就越大。就越大。由于钢筋与混凝土之间存在粘结由于钢筋与混凝土之间存在粘结，随着距裂缝截面距离的增，随着距裂缝截面距离的增加，混凝土中又重新建立起拉应力加，混凝土中又重新建立起拉应力s sc，而钢筋的拉应力则随距裂而钢筋的拉应力则随距裂缝截面距离的增加而减小。缝截面距离的增加而减小。当距裂缝截面有足够的长度当距裂缝截面有足够的长度 l 时，混凝土拉应力时，混凝土拉应力s sc增大到增大到ft，此时将出现新的裂缝。此时将出现新的裂缝。第九章 变形和裂缝宽度的计算如果两条

6、裂缝的间距小于如果两条裂缝的间距小于2 l，则由于粘结应力传递长度不够，则由于粘结应力传递长度不够，混凝土拉应力不可能达到混凝土拉应力不可能达到ft，因此将不会出现新的裂缝，裂缝的因此将不会出现新的裂缝，裂缝的间距最终将稳定在（间距最终将稳定在（l 2 l）之间，之间，平均间距可取平均间距可取1.5 l。从第一条（批）裂缝出现到裂缝全部出齐为从第一条（批）裂缝出现到裂缝全部出齐为裂缝出现阶段裂缝出现阶段，该阶段的荷载增量并不大，主要取决于混凝土强度的离散程度。该阶段的荷载增量并不大，主要取决于混凝土强度的离散程度。裂缝间距裂缝间距的计算公式即是以该阶段的受力分析建立的。的计算公式即是以该阶段的

7、受力分析建立的。裂缝出齐后裂缝出齐后，随着荷载的继续增加，裂缝宽度不断开展。裂，随着荷载的继续增加，裂缝宽度不断开展。裂缝的开展是由于混凝土的回缩，钢筋不断伸长，导致钢筋与混缝的开展是由于混凝土的回缩，钢筋不断伸长，导致钢筋与混凝土之间产生变形差，凝土之间产生变形差，这是裂缝宽度计算的依据这是裂缝宽度计算的依据。由于混凝土材料的不均匀性由于混凝土材料的不均匀性，裂缝的出现、分布和开展具有，裂缝的出现、分布和开展具有很大的离散性，因此裂缝间距和宽度也是不均匀的。但大量的很大的离散性，因此裂缝间距和宽度也是不均匀的。但大量的试验统计资料分析表明，试验统计资料分析表明，裂缝间距和宽度的平均值裂缝间距

8、和宽度的平均值具有一定规具有一定规律性，是钢筋与混凝土之间粘结受力机理的反映。律性，是钢筋与混凝土之间粘结受力机理的反映。第九章 变形和裂缝宽度的计算9.3 裂缝宽度的计算二、裂缝间距二、裂缝间距第九章 变形和裂缝宽度的计算 上式表明，当配筋率上式表明，当配筋率r r 相同时，相同时，钢筋直径越细，裂缝间距越钢筋直径越细，裂缝间距越小，裂缝宽度也越小，也即裂缝的分布和开展会密而细，小，裂缝宽度也越小，也即裂缝的分布和开展会密而细，这是这是控制裂缝宽度的一个重要原则控制裂缝宽度的一个重要原则。 但上式中，当但上式中，当d/r r 趋于零时，裂缝间距趋于零，这并不符合实趋于零时，裂缝间距趋于零，这

9、并不符合实际情况。际情况。 试验表明，当试验表明，当d/r r 很大时，裂缝间距趋近于某个常数。很大时，裂缝间距趋近于某个常数。该数值该数值与保护层与保护层c 和钢筋净间距有关和钢筋净间距有关，根据试验分析，对上式修正如下，根据试验分析，对上式修正如下，第九章 变形和裂缝宽度的计算对于受弯构件对于受弯构件，可将受拉区近似作为一，可将受拉区近似作为一轴心受拉构件，根据粘结力的有效影响轴心受拉构件，根据粘结力的有效影响范围，取范围，取有效受拉面积有效受拉面积Ate=0.5bh+(bf-b)hf，因此将式中配筋率因此将式中配筋率r r 的用以下受拉的用以下受拉区有效配筋率替换后，即可用于受弯构区有效

10、配筋率替换后，即可用于受弯构件件采用采用r rte 后，裂缝间距可统一表示为，后，裂缝间距可统一表示为，第九章 变形和裂缝宽度的计算根据试验资料统计分析，并考虑受力特征的影响，对于常用的根据试验资料统计分析，并考虑受力特征的影响，对于常用的带肋钢筋带肋钢筋，规范给出的平均裂缝间距，规范给出的平均裂缝间距lm的计算公式为，的计算公式为，受弯构件受弯构件轴心受拉构件轴心受拉构件c最外层纵向受拉钢筋外边缘到受拉区底边的距离（最外层纵向受拉钢筋外边缘到受拉区底边的距离（mm），），当当c20mm时，取时，取c=20mm；d钢筋直径（钢筋直径（mm），），当用不同直径的钢筋时，当用不同直径的钢筋时，d改

11、用换算直改用换算直径径4As/u，u为纵向钢筋的总周长。为纵向钢筋的总周长。第九章 变形和裂缝宽度的计算三、裂缝宽度三、裂缝宽度平均裂缝宽度平均裂缝宽度第九章 变形和裂缝宽度的计算钢筋应力不均匀系数钢筋应力不均匀系数 由于钢筋与混凝土间存在粘结应力，随着距裂缝截面距离的增由于钢筋与混凝土间存在粘结应力，随着距裂缝截面距离的增加，裂缝间混凝土逐渐参与受拉工作，钢筋应力逐渐减小，因此加，裂缝间混凝土逐渐参与受拉工作，钢筋应力逐渐减小，因此钢筋应力沿纵向的分布是不均匀的。钢筋应力沿纵向的分布是不均匀的。裂缝截面处钢筋应力最大，裂缝中间钢筋应力最小，其差值反映裂缝截面处钢筋应力最大，裂缝中间钢筋应力最

12、小，其差值反映了了混凝土参与受拉工作混凝土参与受拉工作的大小。的大小。钢筋应力不均匀系数钢筋应力不均匀系数y y 是反映是反映裂缝间混凝土参加受拉工作程裂缝间混凝土参加受拉工作程度的影响系数度的影响系数第九章 变形和裂缝宽度的计算第九章 变形和裂缝宽度的计算当当y y 1.0时，取时，取y y =1.0；对直接承受重复荷载作用的构件，取对直接承受重复荷载作用的构件，取y y =1.0。第九章 变形和裂缝宽度的计算近似取近似取h hc/h h =0.67，h/h0=1.1，第九章 变形和裂缝宽度的计算最大裂缝宽度最大裂缝宽度实测表明，裂缝宽度具有很大的离散性。实测表明，裂缝宽度具有很大的离散性。

13、取实测裂缝宽度取实测裂缝宽度wt与上述计算的平均裂缝宽度与上述计算的平均裂缝宽度wm的比值为的比值为t t 。大量裂缝量测结果统计表明，大量裂缝量测结果统计表明，t t 的概率密度分布基本为正态。的概率密度分布基本为正态。取超越概率为取超越概率为5%的最大裂缝宽度可由下式求得，的最大裂缝宽度可由下式求得，式中式中d d 为裂缝宽度变异系数，为裂缝宽度变异系数，对受弯构件，试验统计得对受弯构件，试验统计得d d =0.4，故取裂缝扩大系数故取裂缝扩大系数t t =1.66。对于轴心受拉和偏心受拉构件，由试验结果统计得最大裂缝宽对于轴心受拉和偏心受拉构件，由试验结果统计得最大裂缝宽度的扩大系数为度

14、的扩大系数为t t =1.9。第九章 变形和裂缝宽度的计算长期荷载的影响：长期荷载的影响：由于混凝土的由于混凝土的滑移徐变滑移徐变和和拉应力的松弛拉应力的松弛，会导致裂缝间混凝土不断退出受拉工作，钢筋平均应变增大，会导致裂缝间混凝土不断退出受拉工作，钢筋平均应变增大，使裂缝随时间推移逐渐增大。使裂缝随时间推移逐渐增大。混凝土的收缩混凝土的收缩也使裂缝间混凝土的长度缩短，也引起裂缝随时也使裂缝间混凝土的长度缩短，也引起裂缝随时间推移不断增大。间推移不断增大。荷载的变动，荷载的变动，环境温度环境温度的变化，都会使钢筋与混凝土之间的粘的变化，都会使钢筋与混凝土之间的粘结受到削弱，也将导致裂缝宽度不断

15、增大。结受到削弱，也将导致裂缝宽度不断增大。根据长期观测结果，根据长期观测结果，长期荷载下裂缝的扩大系数长期荷载下裂缝的扩大系数为为t t l =1.5。第九章 变形和裂缝宽度的计算轴心受拉构件轴心受拉构件a acr =1.51.90.851.1=2.7受弯构件受弯构件a acr =1.51.660.85=2.1第九章 变形和裂缝宽度的计算钢筋有效约束区与裂缝宽度(自学)第九章 变形和裂缝宽度的计算第九章 变形和裂缝宽度的计算9.3 受弯构件的变形验算一、变形限值一、变形限值 f f f为挠度变形限值。主要从以下几个方面考虑：为挠度变形限值。主要从以下几个方面考虑：1、保证结构的使用功能要求保

16、证结构的使用功能要求。结构构件产生过大的变形将影响。结构构件产生过大的变形将影响甚至丧失其使用功能，如支承精密仪器设备的梁板结构挠度甚至丧失其使用功能，如支承精密仪器设备的梁板结构挠度过大，将难以使仪器保持水平；屋面结构挠度过大会造成积过大，将难以使仪器保持水平；屋面结构挠度过大会造成积水而产生渗漏；吊车梁和桥梁的过大变形会妨碍吊车和车辆水而产生渗漏；吊车梁和桥梁的过大变形会妨碍吊车和车辆的正常运行等。的正常运行等。2、防止对结构构件产生不良影响防止对结构构件产生不良影响。如支承在砖墙上的梁端产生。如支承在砖墙上的梁端产生过大转角，将使支承面积减小、支承反力偏心增大，并会引过大转角，将使支承面

17、积减小、支承反力偏心增大，并会引起墙体开裂。起墙体开裂。3、防止对非结构构件产生不良影响防止对非结构构件产生不良影响。结构变形过大会使门窗等。结构变形过大会使门窗等不能正常开关，也会导致隔墙、天花板的开裂或损坏。不能正常开关，也会导致隔墙、天花板的开裂或损坏。第九章 变形和裂缝宽度的计算4、保证使用者的感觉在可接受的程度之内保证使用者的感觉在可接受的程度之内。过大振动、变形。过大振动、变形会引起使用者的不适或不安全感。会引起使用者的不适或不安全感。第九章 变形和裂缝宽度的计算二、钢筋混凝土梁抗弯刚度的特点二、钢筋混凝土梁抗弯刚度的特点截面截面抗弯刚度抗弯刚度EI 体现了截面抵抗弯曲变形的能力，

18、同时也反映体现了截面抵抗弯曲变形的能力，同时也反映了截面弯矩与曲率之间的物理关系。了截面弯矩与曲率之间的物理关系。对于弹性均质材料截面，对于弹性均质材料截面，EI为常数，为常数，M-f f 关系为直线。关系为直线。第九章 变形和裂缝宽度的计算=（两端刚接）水平力-侧移：d312hEIV=（集中荷载）荷载-挠度：48f3lEIP=弯矩-曲率：fEIM=应力-应变：esE刚度是反映力与变形之间的关系：刚度是反映力与变形之间的关系：第九章 变形和裂缝宽度的计算 由于混凝土开裂、弹塑性应力由于混凝土开裂、弹塑性应力-应变关系和钢筋屈服等影响，应变关系和钢筋屈服等影响，钢筋混凝土钢筋混凝土适筋梁适筋梁的

19、的M-f f 关系不再是直线关系不再是直线，而是随弯矩增大，而是随弯矩增大，截面曲率呈曲线变化。截面曲率呈曲线变化。短期弯矩短期弯矩Msk一般处于第一般处于第阶段，阶段，刚度计算需要研究构件带裂缝刚度计算需要研究构件带裂缝时的工作情况时的工作情况。该阶段裂缝基本等间距分布，钢筋和混凝土的。该阶段裂缝基本等间距分布，钢筋和混凝土的应变分布具有以下特征：应变分布具有以下特征：第九章 变形和裂缝宽度的计算第九章 变形和裂缝宽度的计算三、刚度公式的建立三、刚度公式的建立材料力学中曲率与弯矩关系的推导材料力学中曲率与弯矩关系的推导几何关系几何关系物理关系物理关系平衡关系平衡关系第九章 变形和裂缝宽度的计

20、算1、几何关系、几何关系：2、物理关系、物理关系：3、平衡关系、平衡关系：根据裂缝截面的应力分布根据裂缝截面的应力分布第九章 变形和裂缝宽度的计算3、平衡关系、平衡关系：根据裂缝截面的应力分布根据裂缝截面的应力分布第九章 变形和裂缝宽度的计算第九章 变形和裂缝宽度的计算四、参数四、参数h h、z z 和和y y1、开裂截面的内力臂系数开裂截面的内力臂系数h h 试验和理论分析表明，在短期弯矩试验和理论分析表明，在短期弯矩Msk=（0.50.7）Mu范围，范围，裂缝截面的相对受压区高度裂缝截面的相对受压区高度x x 变化很小，内力臂的变化也不大。变化很小，内力臂的变化也不大。对常用的混凝土强度和

21、配筋情况，对常用的混凝土强度和配筋情况，h h 值在值在0.830.93之间波动。之间波动。规范为简化计算，取规范为简化计算，取h h=0.87。2、受压区边缘混凝土平均应变综合系数受压区边缘混凝土平均应变综合系数z z 根据试验实测受压边缘混凝土的压应变，可以得到系数根据试验实测受压边缘混凝土的压应变，可以得到系数z z 的试的试验值。在验值。在短期弯矩短期弯矩Msk=（0.50.7）Mu范围，范围，系数系数z z 的变化很小，的变化很小，仅与配筋率有关。规范根据试验结果分析给出，仅与配筋率有关。规范根据试验结果分析给出，受压翼缘加强系数受压翼缘加强系数第九章 变形和裂缝宽度的计算第九章 变

22、形和裂缝宽度的计算3、钢筋应变不均匀系数、钢筋应变不均匀系数y y r rte为以有效受拉混凝土截面面积为以有效受拉混凝土截面面积计算的受拉钢筋配筋率。计算的受拉钢筋配筋率。Ate为有效受拉混凝土截面面积，对为有效受拉混凝土截面面积，对受弯构件取受弯构件取当当y y 1.0时，取时，取y y =1.0；对直接承受重复荷载作对直接承受重复荷载作用的构件，取用的构件，取y y =1.0。第九章 变形和裂缝宽度的计算 在短期弯矩在短期弯矩Msk=（0.50.7）Mu范围，三个参数范围，三个参数h h、z z 和和y y 中，中，h h 和和z z 为常数，为常数，而而y y 随弯矩增长而增大随弯矩增

23、长而增大。该参数反映了裂缝间混凝土参与受拉工作的情况该参数反映了裂缝间混凝土参与受拉工作的情况，随着弯矩增，随着弯矩增加，由于裂缝间粘结力的逐渐破坏，混凝土参与受拉的程度减加，由于裂缝间粘结力的逐渐破坏，混凝土参与受拉的程度减小，平均应变增大，小，平均应变增大， y y 逐渐趋于逐渐趋于1.0，抗弯刚度逐渐降低。，抗弯刚度逐渐降低。第九章 变形和裂缝宽度的计算五、长期荷载作用下的抗弯刚度五、长期荷载作用下的抗弯刚度 在长期荷载作用下，由于混凝土的在长期荷载作用下，由于混凝土的徐变徐变，会使梁的挠度随时，会使梁的挠度随时间增长。此外，钢筋与混凝土间间增长。此外，钢筋与混凝土间粘结滑移徐变粘结滑移

24、徐变、混凝土、混凝土收缩收缩等等也会导致梁的挠度增大。根据长期试验观测结果，长期挠度与也会导致梁的挠度增大。根据长期试验观测结果，长期挠度与短期挠度的比值短期挠度的比值q q 可按下式计算，可按下式计算，长期抗弯刚度长期抗弯刚度第九章 变形和裂缝宽度的计算六、受弯构件的挠度变形验算六、受弯构件的挠度变形验算 由于弯矩沿梁长的变化的，由于弯矩沿梁长的变化的，抗弯抗弯刚度沿梁长也是变化的刚度沿梁长也是变化的。但按变刚。但按变刚度梁来计算挠度变形很麻烦。度梁来计算挠度变形很麻烦。 规范为简化起见，取同号弯规范为简化起见，取同号弯矩区段的最大弯矩截面处的最小刚矩区段的最大弯矩截面处的最小刚度度Bmin

25、，按等刚度梁来计算按等刚度梁来计算 这样挠度的简化计算结果比按变这样挠度的简化计算结果比按变刚度梁的理论值略偏大。刚度梁的理论值略偏大。 但但靠近支座处的曲率误差对梁的靠近支座处的曲率误差对梁的最大挠度影响很小最大挠度影响很小，且挠度计算仅，且挠度计算仅考虑弯曲变形的影响，实际上还存考虑弯曲变形的影响，实际上还存在一些剪切变形，因此按最小刚度在一些剪切变形，因此按最小刚度Bmin计算的结果与实测结果的误差计算的结果与实测结果的误差很小。很小。“最小刚度刚度原则最小刚度刚度原则”9.5 混凝土结构的耐久性混凝土结构应能在自然和人为环境的化学和物理作用下，满混凝土结构应能在自然和人为环境的化学和物

26、理作用下，满足在规定的足在规定的设计工作寿命设计工作寿命内不出现无法接受的承载力减小、内不出现无法接受的承载力减小、使用功能降低和不能接受的外观破损等的耐久性要求。使用功能降低和不能接受的外观破损等的耐久性要求。耐久性耐久性是指结构在预定设计工作寿命期内，在正常维护条件是指结构在预定设计工作寿命期内，在正常维护条件下，不需要进行大修和加固满足，而满足正常使用和安全下，不需要进行大修和加固满足，而满足正常使用和安全功能要求的能力。功能要求的能力。对于一般建筑结构，设计工作寿命为对于一般建筑结构，设计工作寿命为50年年，重要的建筑物可，重要的建筑物可取取100年年。近年来，随着建筑市场化的发展，业

27、主也可以对建筑的寿命近年来，随着建筑市场化的发展，业主也可以对建筑的寿命提出更高要求。对于其它土木工程结构，根据其功能要求，提出更高要求。对于其它土木工程结构，根据其功能要求，设计工作寿命也有差别，如桥梁工程一般要求在设计工作寿命也有差别，如桥梁工程一般要求在100年以上。年以上。混凝土结构使用寿命混凝土结构使用寿命 无损伤无损伤劣化开始，可修补毁坏毁坏,废弃废弃Highway Bridge in Service New York State, US世界上经济发达国家的工程建设大体上经历了三个阶段：世界上经济发达国家的工程建设大体上经历了三个阶段：大规模建设大规模建设；新建与改建、维修并重新建

28、与改建、维修并重；重点转向既有建筑物的维修改造重点转向既有建筑物的维修改造。目前经济发达国家处于第三阶段目前经济发达国家处于第三阶段，结构因耐久性不足而失，结构因耐久性不足而失效，或为保证继续正常使用而付出巨大维修代价，这使得效，或为保证继续正常使用而付出巨大维修代价，这使得耐久性问题变得十分重要。耐久性问题变得十分重要。我国我国50年代开始大规模建设的工程项目，由于当时经济基础年代开始大规模建设的工程项目，由于当时经济基础薄弱，材料标准和设计标准都较低，除一些重要的工程项目薄弱，材料标准和设计标准都较低，除一些重要的工程项目目前需要继续维持其使用外，其它大部分工程已达到其使用目前需要继续维持

29、其使用外，其它大部分工程已达到其使用寿命。寿命。我国真正进入大规模建设是在改革开放以后，因此国外发达我国真正进入大规模建设是在改革开放以后，因此国外发达国家在耐久性上所遇到的问题应引起我国工程技术人员的足国家在耐久性上所遇到的问题应引起我国工程技术人员的足够重视，够重视，避免重蹈发达国家的覆辙避免重蹈发达国家的覆辙，对国家经济建设造成巨，对国家经济建设造成巨大浪费。大浪费。碳化一、影响混凝土结构耐久性的因素内部因素：内部因素： 混凝土强度混凝土强度 渗透性渗透性 保护层厚度保护层厚度 水泥品种水泥品种 标号和用量标号和用量 外加济等外加济等外部因素：外部因素： 环境温度环境温度 湿度湿度 CO

30、2含量含量 侵蚀性介质等侵蚀性介质等1、混凝土的冻融破坏、混凝土的冻融破坏 混混凝凝土土水水化化结结硬硬后后，内内部部有有很很多多毛毛细细孔孔。在在浇浇筑筑混混凝凝土土时时，为得到必要的和易性，往往会比水泥水化所需要的水多些。为得到必要的和易性，往往会比水泥水化所需要的水多些。 多多余余的的水水份份滞滞留留在在混混凝凝土土毛毛细细孔孔中中。低低温温时时水水份份因因结结冰冰产产生体积膨胀，引起混凝土内部结构破坏。生体积膨胀，引起混凝土内部结构破坏。 反反复复冻冻融融多多次次，就就会会使使混混凝凝土土的的损损伤伤累累积积达达到到一一定定程程度度而而引起结构破坏。引起结构破坏。 防防止止混混凝凝土土

31、冻冻融融破破坏坏的的主主要要措措施施是是降降低低水水灰灰比比，减减少少混混凝凝土中多余的水份土中多余的水份。 冬冬季季施施工工时时，应应加加强强养养护护，防防止止早早期期受受冻冻，并并掺掺入入防防冻冻剂剂等。等。2、混凝土的碱集料反应、混凝土的碱集料反应 混混凝凝土土集集料料中中的的某某些些活活性性矿矿物物与与混混凝凝土土微微孔孔中中的的碱碱性性溶溶液液产生化学反应称为碱集料反应。产生化学反应称为碱集料反应。 碱碱集集料料反反应应产产生生的的碱碱-硅硅酸酸盐盐凝凝胶胶，吸吸水水后后会会产产生生膨膨胀胀，体体积积可可增增大大34倍倍，从从而而混混凝凝土土的的剥剥落落、开开裂裂、强强度度降降低低，

32、甚甚至导致破坏。至导致破坏。 引起碱集料反应有三个条件引起碱集料反应有三个条件：混混凝凝土土的的凝凝胶胶中中有有碱碱性性物物质质。这这种种碱碱性性物物质质主主要要来来自自于于水水泥泥，若若水水泥泥中中的的含含碱碱量量（Na2O，K2O）大大于于0.6%以以上上时时，则会很快析出到水溶液中，遇到活性骨料则会产生反应；则会很快析出到水溶液中，遇到活性骨料则会产生反应；骨骨料料中中有有活活性性骨骨料料，如如蛋蛋白白石石、黑黑硅硅石石、燧燧石石、玻玻璃璃质质火火山石、安山石等含山石、安山石等含SiO2的骨料；的骨料；水水分分。碱碱骨骨料料反反应应的的充充分分条条件件是是有有水水分分，在在干干燥燥环环境

33、境下下很很难发生碱骨料反应。难发生碱骨料反应。3、侵蚀性介质的腐蚀、侵蚀性介质的腐蚀硫酸盐腐蚀硫酸盐腐蚀：硫酸盐溶液与水泥石中的：硫酸盐溶液与水泥石中的氢氧化钙氢氧化钙及水化铝酸及水化铝酸钙发生化学反应，生成石膏和硫铝酸钙，产生体积膨胀，使混钙发生化学反应，生成石膏和硫铝酸钙，产生体积膨胀，使混凝土破坏。硫酸盐除在一些化工企业存在外，海水及一些土壤凝土破坏。硫酸盐除在一些化工企业存在外，海水及一些土壤中也存在。中也存在。当硫酸盐的浓度（以当硫酸盐的浓度（以SO2的含量表示）达到的含量表示）达到2时，时，就会产生严重的腐蚀。就会产生严重的腐蚀。酸腐蚀酸腐蚀：混凝土是碱性材料，：混凝土是碱性材料，

34、遇到酸性物质遇到酸性物质会产生化学反应，会产生化学反应，使混凝土产生裂缝、脱落，并导致破坏。酸不仅存在于化工企使混凝土产生裂缝、脱落，并导致破坏。酸不仅存在于化工企业，在地下水，特别是沼泽地区或泥炭地区广泛存在碳酸及溶业，在地下水，特别是沼泽地区或泥炭地区广泛存在碳酸及溶有有CO2的水。此外有些油脂、腐植质也呈酸性，对混凝土有腐蚀的水。此外有些油脂、腐植质也呈酸性，对混凝土有腐蚀作用。作用。海水腐蚀海水腐蚀：在海港、近海结构中的混凝土构筑物，经常收到：在海港、近海结构中的混凝土构筑物，经常收到海水的侵蚀。海水中的海水的侵蚀。海水中的NaCl、MgCl2、MgSO4、K2SO4等成分，等成分，尤

35、其是尤其是Cl- -和和硫酸镁硫酸镁对混凝土有较强的腐蚀作用。在海岸飞溅区，对混凝土有较强的腐蚀作用。在海岸飞溅区，受到干湿的物理作用，也有利于受到干湿的物理作用，也有利于Cl- -和和SO4的渗入，极易造成钢的渗入，极易造成钢筋锈蚀。筋锈蚀。贵州铝厂柱开胀嘉裕关结构梁腐蚀破坏张掖碱泉村张掖墙面张掖高架桥墩青海化工厂桥柱青海化工厂桥面护栏团结湖桥柱沈阳山海关高速公路路椽石沈阳山海关掺入硅灰、减水剂、超细粉煤灰的路缘沈阳山海关高速公路冬季撤盐4、混凝土的碳化、混凝土的碳化 混凝土中碱性物质混凝土中碱性物质（Ca(OH)2）使混凝土内的钢筋表明形成使混凝土内的钢筋表明形成氧化膜，它能有效地保护钢筋

36、，防止钢筋锈蚀。氧化膜，它能有效地保护钢筋，防止钢筋锈蚀。 但由于大气中的二氧化碳（但由于大气中的二氧化碳（CO2）与混凝土中的碱性物质发与混凝土中的碱性物质发生反应，生反应，使混凝土的使混凝土的Ph值降低值降低。其他物质，如。其他物质，如SO2、H2S，也能与混凝土中的碱性物质发生类似的反应，使混凝土的也能与混凝土中的碱性物质发生类似的反应，使混凝土的Ph值降低，这就是混凝土的碳化。值降低，这就是混凝土的碳化。 当混凝土保护层被碳化到钢筋表面时当混凝土保护层被碳化到钢筋表面时，将破坏钢筋表面的，将破坏钢筋表面的氧化膜，引起钢筋的锈蚀。此外，碳化还会加剧混凝土的氧化膜，引起钢筋的锈蚀。此外，碳

37、化还会加剧混凝土的收缩，可导致混凝土的开裂。收缩，可导致混凝土的开裂。 因此，因此，混凝土的碳化是混凝土结构耐久性的重要问题混凝土的碳化是混凝土结构耐久性的重要问题。 混凝土的碳化从构件表面开始向内发展，到保护层完全碳混凝土的碳化从构件表面开始向内发展，到保护层完全碳化，所需要的时间与化，所需要的时间与碳化速度碳化速度、混凝土保护层厚度混凝土保护层厚度、混凝混凝土密实性土密实性以及以及覆盖层情况覆盖层情况等因素有关。等因素有关。1 环境因素环境因素 碳化速度主要取决于空气中的碳化速度主要取决于空气中的CO2浓度浓度和向混凝土中的和向混凝土中的扩散扩散速度速度。空气中的。空气中的CO2浓度大，混

38、凝土内外浓度大，混凝土内外CO2浓度梯度也愈浓度梯度也愈大，因而大，因而CO2向混凝土内的渗透速度快，碳化反应也快。向混凝土内的渗透速度快，碳化反应也快。 空气湿度空气湿度和和温度温度对碳化反应速度有较大影响。因为碳化反对碳化反应速度有较大影响。因为碳化反应要产生水份向外扩散，应要产生水份向外扩散，湿度越大，水份扩散越慢湿度越大，水份扩散越慢。当空。当空气相对湿度大于气相对湿度大于80%，碳化反应的附加水份几乎无法向外，碳化反应的附加水份几乎无法向外扩散，使碳化反应大大降低。扩散，使碳化反应大大降低。 而在极干燥环境下而在极干燥环境下，空气中的，空气中的CO2无法溶于混凝土中的孔隙无法溶于混凝

39、土中的孔隙水中，碳化反应也无法进行。水中，碳化反应也无法进行。 试验表明，当混凝土周围介质的试验表明，当混凝土周围介质的相对湿度为相对湿度为50%75%时时，混凝土碳化速度最快混凝土碳化速度最快。环境温度越高，碳化的化学反应速。环境温度越高，碳化的化学反应速度越快，且度越快，且CO2向混凝土内的扩散速度也越快。向混凝土内的扩散速度也越快。2 材料因素材料因素 水水泥泥是是混混凝凝土土中中最最活活跃跃的的成成分分，其其品品种种和和用用量量决决定定了了单单位位体体积中可碳化物质的含量，因而对混凝土碳化有重要影响。积中可碳化物质的含量，因而对混凝土碳化有重要影响。 单单位位体体积积中中水水泥泥的的用

40、用量量越越多多，会会提提高高混混凝凝土土的的强强度度，又又会会提提高混凝土的抗碳化性能。高混凝土的抗碳化性能。 水水灰灰比比也也是是影影响响碳碳化化的的主主要要因因素素。在在水水泥泥用用量量不不变变的的条条件件下下，水水灰灰比比越越大大，混混凝凝土土内内部部的的孔孔隙隙率率也也越越大大，密密实实性性就就越越差差，CO2的渗入速度越快，因而碳化的速度也越快。的渗入速度越快，因而碳化的速度也越快。 水灰比大会使混凝土孔隙中游离水增多，有利于碳化反应。水灰比大会使混凝土孔隙中游离水增多，有利于碳化反应。 混凝土中混凝土中外加掺合料和骨料品种外加掺合料和骨料品种对碳化也有一定的影响。对碳化也有一定的影

41、响。3 施工养护条件施工养护条件混凝土搅拌、振捣和养护条件影响混凝土的混凝土搅拌、振捣和养护条件影响混凝土的密实性密实性，因而对碳，因而对碳化有较大影响。此外，养护方法与龄期对化有较大影响。此外，养护方法与龄期对水泥的水化程度水泥的水化程度有影有影响，进而影响混凝土的碳化。所以保证混凝土施工质量对提高响，进而影响混凝土的碳化。所以保证混凝土施工质量对提高混凝土的抗碳化性能十分重要。混凝土的抗碳化性能十分重要。4 覆盖层覆盖层不同饰面材料的碳化深度比5、钢筋锈蚀、钢筋锈蚀钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题。钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题。 当混凝土未碳化时当混凝土未碳

42、化时，由于水泥的高碱性，钢筋表面形成一层，由于水泥的高碱性，钢筋表面形成一层致密的氧化膜，阻止了钢筋锈蚀电化学过程。致密的氧化膜，阻止了钢筋锈蚀电化学过程。 当混凝土被碳化当混凝土被碳化，钢筋表面的氧化膜被破坏，在有水份和氧，钢筋表面的氧化膜被破坏，在有水份和氧气的条件下，就会发生锈蚀的电化学反应。气的条件下，就会发生锈蚀的电化学反应。 钢筋锈蚀产生的铁锈（氢氧化亚铁钢筋锈蚀产生的铁锈（氢氧化亚铁Fe(OH)3），），体积比铁增加体积比铁增加26倍，保护层被挤裂，使空气中的水份更易进入，促使锈蚀倍，保护层被挤裂，使空气中的水份更易进入，促使锈蚀加快发展。加快发展。 氧气和水份是钢筋锈蚀必要条件

43、氧气和水份是钢筋锈蚀必要条件，混凝土的碳化仅是为钢筋混凝土的碳化仅是为钢筋锈蚀提供了可能锈蚀提供了可能。 当构件使用环境很干燥（湿度当构件使用环境很干燥（湿度40%），或完全处于水中，钢），或完全处于水中，钢筋的锈蚀极慢，几乎不发生锈蚀。筋的锈蚀极慢，几乎不发生锈蚀。 而裂缝的发生为氧气和水份的浸入创造了条件，同时也使混而裂缝的发生为氧气和水份的浸入创造了条件，同时也使混凝土的碳化形成立体发展。凝土的碳化形成立体发展。 但近年来的研究发现，但近年来的研究发现，锈蚀程度与荷载产生的横向锈蚀程度与荷载产生的横向裂缝宽度无明显关系裂缝宽度无明显关系，在一般大气环境下，裂缝宽，在一般大气环境下，裂缝宽

44、度即便达到度即便达到0.3mm，也只是在裂缝处产生锈点。也只是在裂缝处产生锈点。 这是由于钢筋锈蚀是一个电化学过程，因此这是由于钢筋锈蚀是一个电化学过程，因此锈蚀主锈蚀主要取决于氧气通过混凝土保护层向钢筋表面的阴极要取决于氧气通过混凝土保护层向钢筋表面的阴极的扩散速度的扩散速度，而这种扩散速度主要取决于混凝土的，而这种扩散速度主要取决于混凝土的密实度密实度。 裂缝的出现仅是使裂缝处钢筋局部脱钝，使锈蚀过裂缝的出现仅是使裂缝处钢筋局部脱钝，使锈蚀过程得以开始，但它对锈蚀速度不起控制作用。程得以开始，但它对锈蚀速度不起控制作用。 因此，防止钢筋锈蚀最重要的措施是在增加混凝土因此，防止钢筋锈蚀最重要

45、的措施是在增加混凝土的的密实性密实性和混凝土的和混凝土的保护层厚度保护层厚度。钢筋锈蚀引起混凝土结构损伤过程如下，首先在裂缝宽度较钢筋锈蚀引起混凝土结构损伤过程如下，首先在裂缝宽度较大处发生个别点的大处发生个别点的“坑蚀坑蚀”，继而逐渐形成，继而逐渐形成“环蚀环蚀”，同时，同时向裂缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重向裂缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重锈蚀时，会导致锈蚀时，会导致沿钢筋长度出现纵向裂缝沿钢筋长度出现纵向裂缝，甚至导致混凝土，甚至导致混凝土保护层脱落，习称保护层脱落，习称“暴筋暴筋”，从而导致截面承载力下降，直，从而导致截面承载力下降，直至最终引起结构

46、破坏。至最终引起结构破坏。钢筋锈蚀引起混凝土结构损伤过程如下，首先在裂缝宽度较钢筋锈蚀引起混凝土结构损伤过程如下，首先在裂缝宽度较大处发生个别点的大处发生个别点的“坑蚀坑蚀”，继而逐渐形成，继而逐渐形成“环蚀环蚀”，同时，同时向裂缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重向裂缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重锈蚀时，会导致锈蚀时，会导致沿钢筋长度出现纵向裂缝沿钢筋长度出现纵向裂缝，甚至导致混凝土，甚至导致混凝土保护层脱落，习称保护层脱落，习称“暴筋暴筋”，从而导致截面承载力下降，直，从而导致截面承载力下降，直至最终引起结构破坏。至最终引起结构破坏。面积减小屈服强度降低粘结力

47、降低钢筋锈蚀引起混凝土结构损伤过程如下，首先在裂缝宽度较钢筋锈蚀引起混凝土结构损伤过程如下，首先在裂缝宽度较大处发生个别点的大处发生个别点的“坑蚀坑蚀”，继而逐渐形成，继而逐渐形成“环蚀环蚀”，同时，同时向裂缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重向裂缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重锈蚀时，会导致锈蚀时，会导致沿钢筋长度出现纵向裂缝沿钢筋长度出现纵向裂缝，甚至导致混凝土，甚至导致混凝土保护层脱落，习称保护层脱落，习称“暴筋暴筋”，从而导致截面承载力下降，直，从而导致截面承载力下降，直至最终引起结构破坏。至最终引起结构破坏。除增加混凝土的密实度和保护层厚度外，采用除增加混

48、凝土的密实度和保护层厚度外，采用涂面涂面层层、钢筋阻锈剂钢筋阻锈剂、涂层钢筋涂层钢筋等措施来防止钢筋的锈等措施来防止钢筋的锈蚀。蚀。二、结构工作环境类别混凝土结构的耐久性与结构工作的混凝土结构的耐久性与结构工作的环境环境有密切关系。有密切关系。同一结构在强腐蚀环境中要比一般大气环境中的使用寿命短。同一结构在强腐蚀环境中要比一般大气环境中的使用寿命短。对于不同环境对于不同环境，可以采取不同措施来保证结构使用寿命。，可以采取不同措施来保证结构使用寿命。如在恶劣环境如在恶劣环境，一味增加混凝土保护层是不经济的，效果也，一味增加混凝土保护层是不经济的，效果也不一定好。可在构件表面采用防护涂层。不一定好

49、。可在构件表面采用防护涂层。三、耐久性极限状态与耐久性设计 混凝土结构的耐久性极限状态混凝土结构的耐久性极限状态，是指经过一定使用年限后，是指经过一定使用年限后，结构或结构某一部分达到或超过某种特定状态，以致结构结构或结构某一部分达到或超过某种特定状态，以致结构不能满足预定功能的要求。不能满足预定功能的要求。 但经过简单修补、维修，费用不大，可恢复使用要求的情但经过简单修补、维修，费用不大，可恢复使用要求的情况，可以认为没有达到耐久性极限状态。况，可以认为没有达到耐久性极限状态。 只有当严重超出正常维修费允许范围时，结构的使用寿命只有当严重超出正常维修费允许范围时，结构的使用寿命才终止。才终止

50、。三、耐久性极限状态与耐久性设计1 对于不允许钢筋锈蚀的构件和环境，混凝土保护层完全碳对于不允许钢筋锈蚀的构件和环境，混凝土保护层完全碳化，即化，即钢筋脱钝的时间钢筋脱钝的时间T1。不允许钢筋锈蚀的构件和环境有：预应力混凝土构件；低温不允许钢筋锈蚀的构件和环境有：预应力混凝土构件；低温环境；反复荷载作用；塑性铰区；采用钢丝作主要受力钢筋环境；反复荷载作用；塑性铰区；采用钢丝作主要受力钢筋的构件；重要的、有纪念性的建筑物。的构件；重要的、有纪念性的建筑物。2 钢筋锈蚀后截面损失率达到某一值钢筋锈蚀后截面损失率达到某一值T2 ，如如15%，可依耐，可依耐久性等级而定。久性等级而定。该极限状态可为一

51、般混凝土结构采用，因为钢筋从脱钝到丧该极限状态可为一般混凝土结构采用，因为钢筋从脱钝到丧失承载力还有相当长的时间，钢筋截面损失失承载力还有相当长的时间，钢筋截面损失15%对结构承载对结构承载力的影响还不是很严重。力的影响还不是很严重。3 结构或构件的可靠指标降低到某一允许值结构或构件的可靠指标降低到某一允许值T3。随着时间的推移，因荷载的作用、环境变化引起的材料老化、随着时间的推移，因荷载的作用、环境变化引起的材料老化、损伤，结构材料的性能逐渐下降，结构可靠度随时间逐渐降损伤，结构材料的性能逐渐下降，结构可靠度随时间逐渐降低，失效概率逐渐增大。低，失效概率逐渐增大。当可靠指标降低到不可接受的程

52、度时，则认为达到了耐久性当可靠指标降低到不可接受的程度时，则认为达到了耐久性极限状态。极限状态。但结构经过维修，其可靠度将提高。但结构经过维修，其可靠度将提高。4 徐变位移达到某一限值徐变位移达到某一限值。徐变是混凝土的一项性质，有些结构甚至是重大结构因徐变徐变是混凝土的一项性质，有些结构甚至是重大结构因徐变过大而发生破坏，这也可认为是一种耐久性破坏。过大而发生破坏，这也可认为是一种耐久性破坏。 对结构寿命的计算还是一个很困难的问题，目前主要对基对结构寿命的计算还是一个很困难的问题，目前主要对基于混凝土碳化和钢筋锈蚀所需要时间的计算。于混凝土碳化和钢筋锈蚀所需要时间的计算。 T1为混凝土保护层

53、完全碳化所需要的时间，为混凝土保护层完全碳化所需要的时间，若不容许钢筋若不容许钢筋锈蚀锈蚀，则，则T1即为结构寿命即为结构寿命； 若允许钢筋有一定量的锈蚀若允许钢筋有一定量的锈蚀，则可取开始出现沿钢筋产生，则可取开始出现沿钢筋产生纵向裂缝的时间纵向裂缝的时间T1+T2作为结构寿命作为结构寿命； 若允许结构承载力开始下降若允许结构承载力开始下降，则可取结构寿命则可取结构寿命T1+T2+T3。四、保证耐久性的措施1 最小保护层厚度最小保护层厚度： 为保证耐久性和钢筋的粘结力，对一、二、三类环境一般为保证耐久性和钢筋的粘结力，对一、二、三类环境一般建筑结构（设计工作寿命建筑结构（设计工作寿命50年）

54、，规范规定了最小混年），规范规定了最小混凝土保护层厚度。凝土保护层厚度。 对四、五类环境种的建筑结构，应按专门规定考虑。对四、五类环境种的建筑结构，应按专门规定考虑。 当对结构设计工作寿命有更高要求时（当对结构设计工作寿命有更高要求时（100年），混凝土保年），混凝土保护层厚度应将表护层厚度应将表5-1的数值乘以的数值乘以1.4或采用表面防护，定期维或采用表面防护，定期维修等措施。修等措施。2 混凝土的要求混凝土的要求： 耐久性的另一个重要方面是耐久性的另一个重要方面是混凝土密实性混凝土密实性，因为密实性好，因为密实性好对延缓混凝土的碳化和钢筋锈蚀有很大作用。对延缓混凝土的碳化和钢筋锈蚀有很大

55、作用。 提高混凝土密实性主要是减小水灰比和保证水泥用量。提高混凝土密实性主要是减小水灰比和保证水泥用量。 若混凝土种氯离子含量过大，则会对钢筋锈蚀有恶劣影响。若混凝土种氯离子含量过大，则会对钢筋锈蚀有恶劣影响。3 裂缝控制裂缝控制：裂缝的出现加快了混凝土的碳化，也是使钢筋：裂缝的出现加快了混凝土的碳化，也是使钢筋开始锈蚀的主要条件。为保证混凝土结构的耐久性，必须对裂开始锈蚀的主要条件。为保证混凝土结构的耐久性，必须对裂缝进行控制。规范根据结构构件所处环境类别，钢筋种类缝进行控制。规范根据结构构件所处环境类别，钢筋种类对腐蚀的敏感性，以及荷载作用时间，将裂缝控制分为三个等对腐蚀的敏感性，以及荷载

56、作用时间，将裂缝控制分为三个等级：级：一级：一级：严格要求不出现裂缝的构件严格要求不出现裂缝的构件；按荷载标准组合计算时，；按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力。构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力。二级：二级：一般要求不出现裂缝的构件一般要求不出现裂缝的构件；按荷载标准组合计算时，；按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应大于混凝土抗拉强度标准值；而按荷构件受拉边缘混凝土不应大于混凝土抗拉强度标准值；而按荷载准永久组合计算时，构件受拉边缘混凝土不宜出现拉应力，载准永久组合计算时，构件受拉边缘混凝土不宜出现拉应力，有可靠经验时可适当放松；有可靠经验时可适当放松；三级：三级：允许出现裂缝的构件允许出现裂缝的构件；按荷载标准组合并考虑长期作用；按荷载标准组合并考虑长期作用影响计算时，构件的最大裂缝宽度应满足表影响计算时，构件的最大裂缝宽度应满足表11-6规定的限值。规定的限值。4 其他措施其他措施 对于结构中使用环境较差的构件，对于结构中使用环境较差的构件，宜设计成可更换或易更宜设计成可更换或易更换的构件。换的构件。 对于暴露在侵蚀性环境中的结构和构件，宜采用带肋对于暴露在侵蚀性环境中的结构和构件，宜采用带肋环氧环氧涂层钢筋涂层钢筋，预应力钢筋应有防护措施。，预应力钢筋应有防护措施。 采用有利提高耐久性的采用有利提高耐久性的高强混凝土高强混凝土。