混凝土构件的变形、裂缝宽度及耐久性计算.ppt

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1、第九章 变形和裂缝宽度的计算,9.1 概 述,第九章 混凝土结构变形、裂缝宽度及混凝土结构耐久性计算,概 述,第九章 变形和裂缝宽度的计算,9.1 概 述,对于超过正常使用极限状态的情况，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力极限状态低一些。,如挠度变形和裂缝宽度，应根据荷载标准值和材料强度标准值确定。以受弯构件为例，在荷载标准值产生的弯矩可表示为，Mk=CGGk+CQQk,由于活荷载达到其标准值Qk的作用时间较短，故称为短期弯矩，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，因此需要考虑上式中长期荷载的影响

2、，长期弯矩可表示为，Ml=CGGk+yqCQQkyq为活荷载准永久系数（quasi-permanent load）,第九章 变形和裂缝宽度的计算,1、保证结构的使用功能要求。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的正常运行等。2、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过大转角，将使支承面积减小、支承反力偏心增大，并会引起墙体开裂。3、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不能正常开关，也会导致隔墙、天花板的开裂或损坏。,9

3、.1变形控制的目的和要求,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。过大振动、变形会引起使用者的不适或不安全感。,9.2 受弯构件的变形验算,对于钢筋混凝土受弯构件在荷载的准永久组合作用下并考虑荷载长期效应影响以及预应力钢筋混凝土受弯构件在荷载的标准组合作用下并考虑荷载长期效应影响后的挠度应满足下表要求。,第九章 变形和裂缝宽度的计算,9.2 受弯构件的变形验算,9.2 受弯构件的变形验算,9.2.1 截面弯曲刚度的概念定义,截面抗弯刚度EI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，对于弹性均质材料截面，EI为常数，M-f 关系为直线。

4、,截面抗弯刚度的物理意义就是欲使截面产生单位转角所需施加的弯矩，它体现了截面抵抗弯曲变形的能力。,9.2 钢筋混凝土受弯构件的挠度验算,第九章 变形和裂缝宽度的计算,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,9.2 受弯构件的变形验算,由于混凝土的开裂、弹塑性应力-应变关系和钢筋屈服等影响，钢筋混凝土适筋梁的M-f 关系不再是直线，而是随弯矩增大，截面曲率呈曲线变化。,I,短期弯矩Ms一般处于第阶段，刚度计算需要研究构件带裂缝时的工作情况。,对混凝土受弯构件，混凝土受弯构件的截面抗弯刚度不为常数而是变化的，其主要特点如下：,在裂缝出现前，曲线与直线OA几乎重合，因而截面抗弯

5、刚度仍可视为常数，并近似取0.85EcI。当接近裂缝出现时，即进入第1阶段末时，曲线已偏离直线，逐渐弯曲，说明截面抗弯刚度有所降低。出现裂缝后，即进入第阶段后，曲线发生转折，截面抗弯刚度明显降低。钢筋屈服后进人第阶段，此阶段M增加很少，截面抗弯刚度急剧降低。,(1)随荷载的增加而减小。M-曲线上任一点与原点O的连线，其倾斜角的正切tga就是相应的截面抗弯刚度。,第九章 变形和裂缝宽度的计算,9.2 受弯构件的变形验算,第九章 变形和裂缝宽度的计算,(2)随配筋率的降低而减小，截面尺寸和材料都相同的适筋梁，配筋率大的，其M曲线陡些，变形小些，相应的截面抗弯刚度大些；反之，截面抗弯刚度就小些。,(

6、3)沿构件跨度，截面抗弯刚度是变化的，即使在纯弯区段，各个截面承受的弯矩相同，但曲率以及截面抗弯刚度却不相同，裂缝截面处的小些，裂缝间截面的大些。,(4)随加载时间的增长而减小，对一个构件保持不变的荷载值，则随时间的增长，截面抗弯刚度将会减小，但对一般尺寸的构件，三年以后可趋于稳定。在变形验算中，除了要考虑荷载的短期效应组合以外，还应考虑荷载的长期效应组合的影响，对前者采用短期刚度Bs，对后者则采用长期刚度B。,在混凝土受弯构件的变形验算中所用到的截面抗弯刚度，是指构件一段长度范围内的平均截面抗弯刚度(简称刚度)，相应的弯矩值为0.50.7Mu；考虑到荷载作用时间的影响，有短期刚度Bs 和长期

7、刚度B的区别，且两者都随弯矩的增大而减小，随配筋率的降低而减小。,1.在加载过程中，混凝土产生塑性变形，使刚度降低，在计算刚度时，不能用混凝土的弹性模量，应用混凝土的变形模量Ec。,9.2.2 试验结果分析,2.进入第二阶段，受拉区 混凝土开裂，受拉钢筋在各截面上的应变是不相等的，裂缝处大，离裂缝越远越小。,裂缝间纵向受拉钢筋的拉应变不均匀系数,3.进入第二阶段，受压边缘混凝土压应变在各截面是不相等的，裂缝处大，离裂缝越远越小。,5.以混凝土平均应变为混凝土应变，以钢筋平均应变为钢筋应变，以平均中和轴为中和轴，则符合平截面假定。,4.各截面中和轴不在同一条支线上，裂缝处偏上，平均中和轴。,9.

8、2.3 短期刚度Bs,裂缝截面压应力图形丰满程度系数裂缝截面处内力臂长度系数裂缝截面处受压区高度系数,将（9-2）和（9-3）式代入（9-1）,短期刚度计算公式,第九章 变形和裂缝宽度的计算,9.2.4 参数h、z 和y1、开裂截面的内力臂系数h 试验和理论分析表明，在短期弯矩Mk=（0.60.8）Mu范围，裂缝截面的相对受压区高度x 变化很小，内力臂的变化也不大。对常用的混凝土强度和配筋情况，h值在0.830.93之间波动。规范为简化计算，取h=0.87。2、受压区边缘混凝土平均应变综合系数z 根据试验实测受压边缘混凝土的压应变，可以得到系数z 的试验值。在短期弯矩Mk=（0.60.8）Mu

9、范围，系数z 的变化很小，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,第十一章 变形和裂缝宽度的计算,11.2 受弯构件的变形验算,3、钢筋应变不均匀系数y,钢筋的应变分布在弯矩相等的纯弯区段AA内，钢筋应变是不均匀的。裂缝截面处最大，离开裂缝截面就逐渐减小。,裂缝出现后受拉混凝土是参加工作的。随着荷载的增大，平均应变的增量比裂缝截面钢筋应变的增量大些，致两者的差距逐渐减小。随着荷载的增大，裂缝间受拉混凝土是逐渐退出工作的。,y的大小还与以有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率te有关。,参加工作的受拉混凝土主要是指钢筋周围内的那部份有效受拉混凝土面积当。te较小时，

10、说明钢筋周围的混凝土参加受拉的有效相对面积大些，它所承担的总拉力也相对大些，对纵向受拉钢筋应变的影响程度也相应大些。,第九章 变形和裂缝宽度的计算,当y 1.0时，取y=1.0；对直接承受重复荷载作用的构件，取y=1.0。te 0.01时，取 te=0.01,钢筋应变不均匀系数y,第九章 变形和裂缝宽度的计算,在短期弯矩Mk=（0.60.8）Mu范围，三个参数h、z 和y 中，h 和z 为常数，而y 随弯矩增长而增大。该参数y反映了裂缝间混凝土参与受拉工作的情况，随着弯矩的增加，由于裂缝间粘结力的逐渐破坏，混凝土参与受拉的程度减小，平均应变增大，y 逐渐趋于1.0，使抗弯刚度逐渐降低。,短期刚

11、度公式的讨论,h=0.87,、长期荷载作用下-受弯构件刚度B（长期刚度）,在长期荷载作用下，由于混凝土的徐变，会使梁的挠度随时间增长。此外、钢筋与混凝土间粘结滑移徐变、混凝土收缩等也会导致梁的挠度增大，因此，在挠度计算时应用长期刚度。,对于受弯构件的长期刚度，规范是通过采用挠度扩大系数来考虑长期荷载的影响，即：,第九章 变形和裂缝宽度的计算,对于钢筋混凝土构件，限制的是在准永久荷载作用下的变形，荷载均为长期“荷载”，因此钢筋混凝土构件的长期刚度可按下式计算,第九章 变形和裂缝宽度的计算,对于预应力钢筋混凝土构件，限制的是标准组合作用下的变形。设荷载效应标准组合值为Mk，准永久组合值为Mq，则仅

12、需对在Mq下产生的那部分挠度乘以挠度增大的影响系数。因为在Mk中包含有准永久组合值，因此对于(Mk-Mq)下产生的短期挠度部分是不必增大的。,第九章 变形和裂缝宽度的计算,该式即为按荷载效应的标准组合并考虑荷载长期作用影响的刚度，实质上是考虑荷载长期作用部分使刚度降低的因素后,对短期刚度Bs 进行修正。,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,9.2.6 受弯构件的挠度变形验算 由于弯矩沿梁长的变化的，因此抗弯刚度沿梁长也是变化的。但按变刚度梁来计算挠度变形很麻烦，规范为简化起见，取同一符号弯矩区段的最大弯矩截面处的最小刚度Bmin，按等刚度梁来计算。这样挠度的简化计算结果

13、比按变刚度梁的理论值略偏大。但由于靠近支座处的曲率误差对梁的最大挠度影响很小，且挠度计算仅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Bmin计算的结果与实测结果的误差很小。这称为“最小刚度原则”。,第九章 变形和裂缝宽度的计算,Bmin 代替匀质弹性材料梁截面抗弯刚度EI，梁的挠度计算按规 范要求，挠度验算应满足:ff lim 式中，f lim 允许挠度值；f根据最小刚度原则并采用长期刚度B进行计算的挠度，当跨间为同号弯 矩时:,“最小刚度原则”就是在简支梁全跨长范围内，按弯矩最大处的截面抗弯刚度，即按最小的截面抗弯刚度，用材料力学方法中不考虑剪切变形影响的公式来计算挠度。当

14、构件上存在正负弯矩时，分别取同号弯矩区段内的最大弯矩截面的最小刚度计算挠度。,M：钢筋混凝土构件取Mq；预应力钢筋混凝土构件取Mk。,第九章 变形和裂缝宽度的计算,9.2 受弯构件的变形验算,9.2.7 受弯构件挠度验算的几点说明1影响短期刚度Bs的因素2配筋率对承载力和挠度的影响3跨高比4.混凝土结构的变形限值,第九章 变形和裂缝宽度的计算,9.2 受弯构件的变形验算,1、影响短期刚度Bs的因素,(1)Mk增大，y也增大；从上式知，Bs就相应地减小。(2)增大，Bs也略有增大。(3)截面形状对Bs有所影响。当仅受拉区有翼缘时，te较小些，则y也小些，相应Bs增大些；当仅有受压翼缘时，f不为零

15、，故Bs增大。(4)在常用配筋率(12)的情况下，提高混凝土强度等级对提高Bs的作用不大。(5)当配筋率和材料给定时，截面有效高度对截面抗弯刚度的提高作用最显著。,2配筋率对承载力和挠度的影响,梁如果满足了承载力的计算要求，是否就满足挠度的验算要求呢?这就要看它的配筋率大小。当梁的尺寸和材料性能给定时，若其正截面弯矩设计值M比较大，就应配置较多的受拉钢筋方可满足MuM的要求。然而，配筋率加大对提高截面抗弯刚度并不显著，因此就有可能出现不满足挠度验算的要求。,弯矩几乎与配筋率成线性关系增长；但是刚度增长缓慢，最终导致挠度随配筋率增高而增大。当配筋率超过一定数值后(本例为 1.6)，满足了正截面承

16、载力要求，就不满足挠 度要求。,这说明，一个构件不能盲目地用增大配筋率的方法来解决挠度不满足的问题。当允许挠度值较小，即对挠度要求较高时，在中等配筋率时就会出现不满足的情况。因此，应通过验算予以保证。,3跨高比,根据工程经验，为了便于满足挠度的要求，建议设计时可选用下列跨高比：对用级 钢筋配筋的简支梁，当允许挠度为l0200时，l0/h在2010的范围内采取。当永久荷载所 占比重大时，取较小值；当用I级或III级钢筋配筋时，分别取较大值或较小值；当允许挠 度为l0 250或l0 300时，l0/h 取值应相应减少些；当为整体肋形梁或连续梁时，则取值可大些。,裂缝形成的原因一、由于荷载效应引起的

17、裂缝 如弯矩、剪力、拉力和扭矩，弯矩和拉力引起的裂缝为垂直裂缝，剪力和扭矩引起的裂缝为斜裂缝。本节主要是针对垂直裂缝的计算二、由于外加变形和约束变形引起的裂缝 如地基不均匀沉降、混凝土收缩、温度变化。三、由于钢筋锈蚀引起的裂缝,9.3 裂缝宽度计算荷载引起的裂缝宽度,裂缝控制的目的1.外观要求2.由于裂缝出现将会加速钢筋锈蚀，影响构件的使用和耐久性,裂缝控制的等级 根据结构构件的功能要求、环境条件、所用钢筋种类以及荷载作用时间，将构件的裂缝控制等级划分为三个等级。一级：严格要求不出现裂缝的构件。在荷载效应的标准组合作用下不得有拉应力。二级：一般要求不出现裂缝的构件。在荷载效应的标准组合作用下，

18、拉应力不大于混凝土的标准抗拉强度。三级：允许开裂的构件，但是，对于钢筋混凝土构件按荷载效应准永久组合并考虑长期作用影响以及预应力钢筋混凝土构件按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响计算的最大裂缝宽度不得大于规范规定的最大裂缝宽度。,第九章 变形和裂缝宽度的计算,裂缝宽度的计算,9.3.4 裂缝的形成与开展,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均匀分布的。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面位置出现第一条（批）裂缝。,裂缝出现瞬间，裂缝截面位置的混凝土退出受拉工作，应力为零，而钢筋拉应力产生突增Dss=ft/r，配筋率越小，Dss就越大。由于钢筋与混凝土之间存在粘

19、结，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sc，而钢筋的拉应力则随距裂缝截面距离的增加而减小。,第九章 变形和裂缝宽度的计算,裂缝宽度的计算,当距裂缝截面有足够的长度 l 时，混凝土拉应力sc增大到ft，此时将出现新的裂缝。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，混凝土拉应力不可能达到ft，因此将不会出现新的裂缝，裂缝的间距最终将稳定在（l 2 l）之间，平均间距可取1.5 l。,第九章 变形和裂缝宽度的计算,裂缝宽度的计算,从第一条（批）裂缝出现到裂缝全部出齐为裂缝出现阶段，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。裂缝间距的计算公式即是以该阶段

20、的受力分析建立的。裂缝出齐后，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，导致钢筋与混凝土之间产生变形差。在荷载长期作用下，由于混凝土的滑移徐变和拉应力的松弛，将导致裂缝间受拉混凝土不断退出工作，使裂缝开展宽度增大，混凝土的收缩使裂缝间混凝土的长度缩短，这也会引起裂缝的进一步开展；此外，由于荷载的变动使钢筋直径时胀时缩等因素，也将引起粘结强度的降低，导致裂缝宽度的增大。由于混凝土材料的不均匀性，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。但大量的试验统计资料分析表明，裂缝间距和宽度的平均值具有一定规律性，是钢筋与混凝土之间一定的

21、受力机理的反映。,第九章 变形和裂缝宽度的计算,9.3.5 平均裂缝间距,粘结应力传递长度l,轴心受拉构件为例,平均裂缝间距,第九章 变形和裂缝宽度的计算,上式表明，当配筋率r 相同时，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，这是控制裂缝宽度的一个重要原则。但上式中，当d/r 趋于零时，裂缝间距趋于零，这并不符合实际情况。试验表明，当d/r 很大时，裂缝间距趋近于某个常数。该数值与保护层c和钢筋净间距有关，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，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范围，可取有效受拉面积At

22、e=0.5bh+(bf-b)hf，因此将式中配筋率r 的用下式替换后，即可用于受弯构件。,rte 称为混凝土有效受拉区配筋率。采用rte 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，对于常用的带肋钢筋，规范给出的平均裂缝间距lm的计算公式为，,受弯、偏心受力构件,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（mm），当c20mm时，取c=20mm；d钢筋直径（mm），当用不同直径的钢筋时，d改用换算直径4As/u，u为纵向钢筋的总周长。,裂缝宽度计算理论：1.粘结滑移理论 裂缝出现后，混凝土与钢筋逐渐产生滑移，使钢筋变形大

23、于混凝土变形，两者之差即为裂缝宽度。裂缝宽度与裂缝间距有关。2.粘结无滑移理论钢筋与混凝土之间不滑移，即钢筋表面处裂缝宽度为0，而周围混凝土由于受弯矩作用产生弯曲变形，在构件表面出现裂缝。裂缝宽度与保护层厚度有关。,3.数理统计经验公式,9.3.6 平均裂缝宽度,我国规范给出的裂缝宽度计算公式，基本上为粘结滑移理论，但又不完全是，是一个半经验半理论的计算公式。,第九章 变形和裂缝宽度的计算,1、平均裂缝宽度计算公式,2 裂缝截面处钢筋的应力s对于钢筋混凝土构件：,s-按荷载效应准永久组合计算的混凝土构件裂缝截面处纵向受拉钢筋的应力,(1)受弯构件,(2)轴心受拉构件,(3)偏心受拉构件,skA

24、s,偏心受拉构件,yc,yc,yc-截面重心至受压或较小受拉边缘的距离,e-轴力至受压区或较小受拉边纵筋合力点的的距离,重心线,重心线,偏心受压构件,h0-纵向受拉钢筋合力点至受压合力点的距离。h0 0.87 h0,当偏心受压构件的l0h14时，应考虑侧向挠度的影响，,即取式(936)中的e=se0+ys.s是指第阶段的偏心距增大系数，可近似地取,对于预应力钢筋混凝土构件：,s-荷载效应标准组合计算的混凝土构件裂缝截面处纵向受拉钢筋的应力，计算构件钢筋应力的内力采用标准组合。如：,(1)受弯构件,(2)轴心受拉构件,(3)偏心受拉构件,第九章 变形和裂缝宽度的计算,最大裂缝宽度,实测表明，裂缝

25、宽度具有很大的离散性。取实测裂缝宽度wt与上述计算的平均裂缝宽度wm的比值为t。根据试验梁的大量裂缝量测结果统计表明，t 的频率分布基本为正态，另外长期荷载作用下裂缝将会加大。因此超越概率为5%的最大裂缝宽度可由下式求得，,式中d 为裂缝宽度变异系数，对受弯构件，由试验统计得d=0.4，故取裂缝扩大系数t=1.66。对于轴心受拉和偏心受拉构件，由试验结果统计，按超越概率5%得最大裂缝宽度的扩大系数为t=1.9。,第九章 变形和裂缝宽度的计算,长期荷载的影响,在荷载长期作用下，由于混凝土的滑移徐变和拉应力的松弛，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，使裂缝随时间推移逐渐增大。混凝

26、土的收缩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。此外，荷载的变动，环境温度的变化，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增大。根据长期观测结果，长期荷载下裂缝的扩大系数为t l=1.5。,对受弯构件acr=1.51.660.77=1.9对轴心受拉构件acr=1.51.90.851.1=2.7,按荷载效应的标准标准组合并考虑长期作用的影响：,第九章 变形和裂缝宽度的计算,对受弯构件:acr=1.9对轴心受拉构件acr=2.7,第九章 变形和裂缝宽度的计算,3.最大裂缝宽度验算,验算裂缝宽度时，应满足,在验算中，可能会出现满足了挠度要求，不满足裂缝宽度要求，这

27、通常在配筋率较低、而钢筋选用的直径较大的情况下出现。因此，当计算最大裂缝宽度超过允许值不大时，常可用减小钢筋直径的方法解决；必要时适当增加配筋率。,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,9.4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，满足在规定的设计工作寿命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。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。对于一般建筑结构，设计工作寿命为50年，重要的建筑物可取100年。近年来，随着建筑市场化的发展，业主也可以对建筑的

28、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，设计工作寿命也有差别，如桥梁工程一般要求在100年以上。,混凝土结构使用寿命,无损伤,劣化开始，可修补,毁坏,废弃,Deterioration of Reinforced Concrete Bridge due to Poor Durability,Highway Bridge in Service New York State,US,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,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；新建与改建、维修并重；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，结构因耐久性不足而失

29、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。,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,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，避免重蹈发达国家的覆辙，对国家经济建设造成巨大浪费。,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,碳化,一、影响混凝土结构耐久性的因素,内部因素：混凝土强度 渗透性 保护层厚度 水泥品种 标号和用量 外加济等

30、,外部因素：环境温度 湿度 CO2含量 侵蚀性介质等,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,1、混凝土的冻融破坏,混凝土水化结硬后，内部有很多毛细孔。在浇筑混凝土时，为得到必要的和易性，往往会比水泥水化所需要的水多些。多余的水份滞留在混凝土毛细孔中。低温时水份因结冰产生体积膨胀，引起混凝土内部结构破坏。反复冻融多次，就会使混凝土的损伤累积达到一定程度而引起结构破坏。防止混凝土冻融破坏的主要措施是降低水灰比，减少混凝土中多余的水份。冬季施工时，应加强养护，防止早期受冻，并掺入防冻剂等。,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,2、混凝土的碱集料反应,混凝土集料中的某些活性矿物与混凝土微孔中

31、的碱性溶液产生化学反应称为碱集料反应。碱集料反应产生的碱-硅酸盐凝胶，吸水后会产生膨胀，体积可增大34倍，从而混凝土的剥落、开裂、强度降低，甚至导致破坏。引起碱集料反应有三个条件：混凝土的凝胶中有碱性物质。这种碱性物质主要来自于水泥，若水泥中的含碱量（Na2O，K2O）大于0.6%以上时，则会很快析出到水溶液中，遇到活性骨料则会产生反应；骨料中有活性骨料，如蛋白石、黑硅石、燧石、玻璃质火山石、安山石等含SiO2的骨料；水分。碱骨料反应的充分条件是有水分，在干燥环境下很难发生碱骨料反应。,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,3、侵蚀性介质的腐蚀,硫酸盐腐蚀：硫酸盐溶液与水泥石中的氢氧化钙及

32、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。当硫酸盐的浓度（以SO2的含量表示）达到2时，就会产生严重的腐蚀。酸腐蚀：混凝土是碱性材料，遇到酸性物质会产生化学反应，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CO2的水。此外有些油脂、腐植质也呈酸性，对混凝土有腐蚀作用。海水腐蚀：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NaCl、MgCl2、MgSO4、K2SO4等成分，尤其是Cl-和硫酸镁对混凝土有较强的腐蚀作用。在海岸飞溅区

33、，受到干湿的物理作用，也有利于Cl-和SO4的渗入，极易造成钢筋锈蚀。,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,沈阳山海关高速公路冬季撤盐,沈阳山海关掺入硅灰、减水剂、超细粉煤灰的路缘,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,4、混凝土的碳化,混凝土中碱性物质（Ca(OH)2）使混凝土内的钢筋表明形成氧化膜，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（CO2）与混凝土中的碱性物质发生反应，使混凝土的Ph值降低。其他物质，如SO2、H2S，也能与混凝土中的碱性物质发生类似的

34、反应，使混凝土的Ph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，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收缩，可导致混凝土的开裂。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，所需要的时间与碳化速度、混凝土保护层厚度、混凝土密实性以及覆盖层情况等因素有关。,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,1 环境因素 碳化速度主要取决于空气中的CO2浓度和向混凝土中的扩散速度。空气中的CO2浓度大，混凝土内外CO2浓度梯度也愈大，因而CO2向混凝土内的渗透速度快，碳化反应也快。空气湿度和温度对碳化反应

35、速度有较大影响。因为碳化反应要产生水份向外扩散，湿度越大，水份扩散越慢。当空气相对湿度大于80%，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。而在极干燥环境下，空气中的CO2无法溶于混凝土中的孔隙水中，碳化反应也无法进行。试验表明，当混凝土周围介质的相对湿度为50%75%时，混凝土碳化速度最快。环境温度越高，碳化的化学反应速度越快，且CO2向混凝土内的扩散速度也越快。,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,2 材料因素 水泥是混凝土中最活跃的成分，其品种和用量决定了单位体积中可碳化物质的含量，因而对混凝土碳化有重要影响。单位体积中水泥的用量越多，会提高混凝土的强度，又会提高混凝

36、土的抗碳化性能。水灰比也是影响碳化的主要因素。在水泥用量不变的条件下，水灰比越大，混凝土内部的孔隙率也越大，密实性就越差，CO2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。混凝土中外加掺合料和骨料品种对碳化也有一定的影响。,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,3 施工养护条件混凝土搅拌、振捣和养护条件影响混凝土的密实性，因而对碳化有较大影响。此外，养护方法与龄期对水泥的水化程度有影响，进而影响混凝土的碳化。所以保证混凝土施工质量对提高混凝土的抗碳化性能十分重要。4 覆盖层,不同饰面材料的碳化深度比,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,5

37、、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。,碳化引起的锈蚀,氯离子引起的锈蚀,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,当混凝土未碳化时，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。当混凝土被碳化，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。钢筋锈蚀产生的铁锈（氢氧化亚铁Fe(OH)3），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，促使锈蚀加快发展。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锈蚀提供了可能。当构件使用环境很干燥（湿度40%），或完全处于水中，钢筋的锈蚀极慢，几乎不发生锈蚀。而裂缝

38、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。,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,但近年来的研究发现，锈蚀程度与荷载产生的横向裂缝宽度无明显关系，在一般大气环境下，裂缝宽度即便达到0.3mm，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的扩散速度，而这种扩散速度主要取决于混凝土的密实度。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。因此，防止钢筋锈蚀最重要的措施是在增加混凝土的密实性和混凝土的保护层厚度。,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,钢筋锈蚀引

39、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“坑蚀”，继而逐渐形成“环蚀”，同时向裂缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重锈蚀时，会导致沿钢筋长度出现纵向裂缝，甚至导致混凝土保护层脱落，习称“暴筋”，从而导致截面承载力下降，直至最终引起结构破坏。,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,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“坑蚀”，继而逐渐形成“环蚀”，同时向裂缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重锈蚀时，会导致沿钢筋长度出现纵向裂缝，甚至导致混凝土保护层脱落，习称“暴筋”，从而导致截面承载力下降，直至最终引起结构破坏。,面积

40、减小屈服强度降低粘结力降低,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,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“坑蚀”，继而逐渐形成“环蚀”，同时向裂缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重锈蚀时，会导致沿钢筋长度出现纵向裂缝，甚至导致混凝土保护层脱落，习称“暴筋”，从而导致截面承载力下降，直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，采用涂面层、钢筋阻锈剂、涂层钢筋等措施来防止钢筋的锈蚀。,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,二、结构工作环境类别,混凝土结构的耐久性与结构工作的环境有密切关系。同一结构在强腐蚀环境中要比一般大气环境中的使

41、用寿命短。对于不同环境，可以采取不同措施来保证结构使用寿命。如在恶劣环境，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。,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,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，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，结构的使用寿命才终止。,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,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

42、环境，混凝土保护层完全碳化，即钢筋脱钝的时间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。2 钢筋锈蚀后截面损失率达到某一值T2，如15%，可依耐久性等级而定。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15%对结构承载力的影响还不是很严重。,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,3 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、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

43、大。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。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。,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,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。T1为混凝土保护层完全碳化所需要的时间，若不容许钢筋锈蚀，则T1即为结构寿命；若允许钢筋有一定量的锈蚀，则可取开始出现沿钢筋产生纵向裂缝的时间T1+T2作为结构寿命；若允许结构承载力开始下降，则可取结构寿命T1+T2+T3。,变形和裂缝宽度的计算

44、,混凝土结构的耐久性,四、保证耐久性的措施,1 最小保护层厚度：为保证耐久性和钢筋的粘结力，对一、二、三类环境一般建筑结构（设计工作寿命50年），规范规定了最小混凝土保护层厚度。对四、五类环境种的建筑结构，应按专门规定考虑。当对结构设计工作寿命有更高要求时（100年），混凝土保护层厚度应将表5-1的数值乘以1.4或采用表面防护，定期维修等措施。2 混凝土的要求：耐久性的另一个重要方面是混凝土密实性，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。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。,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,变

45、形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,3 裂缝控制：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级：一级：严格要求不出现裂缝的构件；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。二级：一般要求不出现裂缝的构件；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；三级：允许出现裂缝的构件；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11-6规定的限值。,变形和裂缝宽度的计算,混凝土结构的耐久性,4 其他措施 对于结构中使用环境较差的构件，宜设计成可更换或易更换的构件。对于暴露在侵蚀性环境中的结构和构件，宜采用带肋环氧涂层钢筋，预应力钢筋应有防护措施。采用有利提高耐久性的高强混凝土。,