第2章工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害

1、建筑結(jié)構(gòu)檢測與加固,主講：陳月順 湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 ,2.1.1 混凝土中的鋼筋腐蝕 混凝土中鋼筋銹蝕已成為世界關(guān)注的大問題，被認(rèn)為是當(dāng)今影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的首要原因。鋼筋銹蝕已經(jīng)或正在給國民經(jīng)濟(jì)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。 基于此，美國總結(jié)正反兩個方面的經(jīng)驗教訓(xùn)，提出了“立足前期措施,著眼長遠(yuǎn)效益”，并強(qiáng)行實施基建工程管理中的“全壽命經(jīng)濟(jì)分析法”()。,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,2.1.1 混凝土中的鋼筋腐蝕 世界一些國家的腐蝕損失,平均可占國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的2%4%;其中,被認(rèn)為與鋼筋腐蝕有關(guān)者可占40%（至

2、今我國尚無確切統(tǒng)計數(shù)據(jù))。 美國1984年報道，僅就橋梁而言,57.5萬座鋼筋混凝土橋,一半以上出現(xiàn)鋼筋腐蝕破壞,40%承載力不足和必須修復(fù)與加固處理,當(dāng)年的修復(fù)費(fèi)為54億美元; 1998年報道鋼筋混凝土腐蝕破壞的修復(fù)費(fèi),一年要2500億美元,其中橋梁修復(fù)費(fèi)為1550億美元(是這些橋初建費(fèi)用的4倍);還有報道說,到本世紀(jì)末,美國要花4000億美元用于修復(fù)和重建鋼筋腐蝕破壞的工程。,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,某立交墩柱鋼筋銹蝕情況,某立交橋欄桿破損、露筋,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,

3、2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,2.1.1 混凝土中的鋼筋腐蝕 鋼筋腐蝕機(jī)理 鋼筋銹蝕的條件： 在鋼筋表面存在電位差，不同電位的區(qū)段之間形成陽極陰極； 陽極區(qū)段的鋼筋處于活化狀態(tài)陽極反應(yīng)：2Fe4e 2Fe2+ 存在水分和溶解氧，在陰極發(fā)生以下陰極反應(yīng)：2H2O+O2+4e 4OH,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,鋼筋腐蝕機(jī)理 說明： 上述三條件必須同時滿足，腐蝕才會產(chǎn)生； 由于砼堿度差異、鋼筋中元素偏析、加工應(yīng)力均會形成局部電池，條件一始終滿足； 腐蝕過程：2Fe2+ +4OH2Fe(OH)2Fe(OH)3 nFe2O3mH2O或 nFe3O4mH2O

4、,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,紅銹（膨脹4倍）,黑銹（膨脹2倍）,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,影響鋼筋腐蝕的主要因素 Cl含量 廣泛性：海洋；除冰鹽；鹽堿地；工業(yè)環(huán)境 作用： 破壞鈍化膜； 形成“腐蝕電池”； Cl的陽極去極化作用； 導(dǎo)電作用；,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 GB 500102002 ：,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷

5、機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 GB 500102002 ：,GBT50476-2008混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范,GBT50476-2008混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范,GBT50476-2008混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范,GBT50476-2008混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范,影響鋼筋腐蝕的主要因素 pH值 Cl含量 氧 混凝土密實性 砼保護(hù)層厚度 其他因素,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,鋼筋銹蝕破壞的主要破壞特征： 混凝土順鋼筋開裂鋼筋表面混凝土缺乏足夠的厚度時,鋼筋銹蝕產(chǎn)物體積發(fā)生膨脹,足以使鋼筋表面發(fā)生混凝土順鋼筋開裂。

6、“握裹力”下降與喪失隨著裂縫的不斷加寬,混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)力(握裹力)也隨之下降(下降速度取決于鋼筋銹蝕速度),滑移增大,構(gòu)件變形。 鋼筋斷面損失混凝土中鋼筋銹蝕,一般分為局部腐蝕(如坑蝕)和全面腐蝕(均勻腐蝕),常常是局部腐蝕為主而造成鋼筋斷面損失,其損失率達(dá)到極限時,構(gòu)件便會發(fā)生破壞。 鋼筋應(yīng)力腐蝕斷裂處在應(yīng)力狀態(tài)下的鋼筋(包括預(yù)應(yīng)力),在遭受腐蝕時有可能發(fā)生突然斷裂。,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,鋼筋防腐蝕的措施(1) 常規(guī)方法：從材料、設(shè)計、施工、維護(hù)入手：優(yōu)選配合比，嚴(yán)格控制水灰比，選擇合適的水泥用量和外加劑；設(shè)計采用一定厚度保護(hù)層，防止有

7、害物質(zhì)滲入；保證砼施工質(zhì)量，提高密實性、抗凍性和抗?jié)B性，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，防止裂縫產(chǎn)生；防止堿集料反應(yīng)；嚴(yán)格限制氯離子含量定期檢查，發(fā)現(xiàn)裂縫或表面疏松掉皮時及時處理,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,鋼筋防腐蝕的措施(2) 特殊方法：陰極保護(hù)環(huán)氧樹脂涂層鋼筋在使用中避免損傷，設(shè)計時注意錨固。用纖維增強(qiáng)塑料（FRP）包括：GFRP、CFRP、AFRP等鍍鋅鋼筋添加防銹劑外加劑的一種，能保持鈍化膜的存在。,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,

8、2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,采用陰極防蝕法可以完全抑制混凝土中鋼筋腐蝕，但是防蝕之效果卻是與所供應(yīng)之保護(hù)電流量是否足夠有直接關(guān)系。提供所需保護(hù)電流密度主要受到混凝土中鋼筋表面積及鋼筋腐蝕程度兩大因素之影響。鋼筋腐蝕程度較嚴(yán)重之區(qū)域，其鋼筋表面腐蝕電化學(xué)反應(yīng)常較為激烈，需要較高之保護(hù)電流密度。,外加電流法,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,犧牲陽極式陰極防蝕技術(shù)，應(yīng)用于地面上鋼筋混凝土的最大困難，是如何克服地面上鋼筋混凝土高比電阻之阻抗，期能提高保護(hù)電流到有效保護(hù)鋼筋的程度。目前較可行的犧牲陽極式陰極防蝕系統(tǒng)是應(yīng)用鋅板導(dǎo)電膠之工法。鋅板導(dǎo)電膠是一種專利產(chǎn)

9、品，其組成為一層厚0.254mm的鋅板及一層可以持續(xù)保濕及確保鋅板腐蝕的導(dǎo)電膠。鋅板導(dǎo)電膠施工及后續(xù)系統(tǒng)維護(hù)比鈦網(wǎng)陰極防蝕系統(tǒng)容易且綜合施工費(fèi)亦較省。,犧牲陽極法,2.1.2 混凝土的中性化 混凝土碳化機(jī)理 混凝土是多孔體，空氣中的二氧化碳先滲透到內(nèi)部孔隙和毛細(xì)管中，溶解于毛細(xì)管中的液相，與水泥水化過程中產(chǎn)生的氫氧化鈣和硅酸二鈣、硅酸三鈣等水化物相互作用，形成碳酸鈣。,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,混凝土保持高堿性,不僅是保護(hù)鋼筋的前提條件，而且是維持混凝土自身化學(xué)穩(wěn)定性的必要條件因此，凡

10、是能使混凝土堿度降低的一切因素(不論是先天因素還是環(huán)境因素)，均對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生不利影響。,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,研究表明，混凝土碳化后抗壓強(qiáng)度提高,延性降低，其靜力彈性模量的變化正比于強(qiáng)度的變化，具有明顯的脆性，對抗震不利。對這一現(xiàn)象的解釋是碳化造成混凝土空隙率下降，提高了混凝土的密實度，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度提高。,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,對碳化混凝土梁受彎特性的試驗研究表明,混凝土碳化引起梁的承載力提高,但梁的屈服撓度和極限撓度要小于相應(yīng)的未碳化混凝土梁的屈服撓度和極限撓度,變形能力降低,其影響

11、的程度隨碳化深度和配筋率的不同而變化。,混凝土碳化化學(xué)反應(yīng) CO2+H2OH2CO3 Ca(OH)2+H2CO3CaCO3+2H2O 3CaO2SiO23H2O+3H2CO33CaCO3+2SiO2+6H2O 2CaO2SiO24H2O+2H2CO32CaCO3+SiO2+6H2O 反應(yīng)速度與二氧化碳濃度和砼可碳化物質(zhì)含量有關(guān)。,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,影響混凝土碳化的因素（1） 周圍環(huán)境因素相對濕度：當(dāng)周圍介質(zhì)的相對濕度為50%75%時，混凝土的碳化速度最快。環(huán)境溫度：環(huán)境溫度提高，碳化速度加快；CO2濃度：碳化深度（D）與CO2濃度（c）的平方根

12、成正比。,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,影響混凝土碳化的因素（2） 材料組成因素 水泥用量 水灰比 粉煤灰取代量 水泥品種 集料品種 養(yǎng)護(hù)方法,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,影響混凝土碳化的因素（3） 施工因素 主要是混凝土攪拌、振搗和養(yǎng)護(hù)等條件的影響； 主要是影響混凝土密實性。,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,混凝土碳化深度預(yù)測 在非侵蝕性介質(zhì)的正常的大氣條件下，混凝土碳化特征曲線可用冪函數(shù)方程表示。 中國建筑科學(xué)研究院提出了多系數(shù)方程：,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混

13、凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,減小混凝土碳化的措施 合理設(shè)計混凝土配合比； 在混凝土施工時，應(yīng)采用機(jī)械振搗，以保證混凝土的密實性； 采用表面涂層或表面覆蓋層的方法，隔絕混凝土與空氣中的CO2； 混凝土設(shè)計時考慮足夠的保護(hù)層厚度。,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,實際上，工業(yè)大氣對混凝土的中性化作用，遠(yuǎn)大于碳化作用，尤其是污染嚴(yán)重的工業(yè)區(qū)。 目前我國存在大面積“酸雨區(qū)”，主要是工業(yè)、汽車排放出的大量2、2、等酸性氣體造成的: 2+2+()2=3+22 2+2+()2=3+22,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,2.1.3 混凝土堿

14、集料反應(yīng) (Alkali-Aggregate Reaction，簡稱“AAR”) 混凝土堿集料反應(yīng)是混凝土中水泥、外加劑、摻合料和拌和水中的可溶性堿（鉀、鈉）溶于混凝土孔隙液中，與集料中能與堿反應(yīng)的活性成分在混凝土硬化后逐漸發(fā)生的一種化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)生成物吸水膨脹，使混凝土開裂和強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時會導(dǎo)致混凝土完全破壞。,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,Map/Pattern Cracking Resulting from an Alkali-Aggregate Reaction,混凝土堿集料反應(yīng)

15、的條件 混凝土中有相當(dāng)數(shù)量的堿；來源：配置時形成；環(huán)境侵入。 混凝土中有相當(dāng)數(shù)量的堿活性骨料； 混凝土工程的使用環(huán)境必須有足夠的濕度?？諝鉂穸却笥?0%，或直接與水接觸。 反應(yīng)類型： 堿硅反應(yīng)(Alkali-Silica Reaction) ：蛋白石、黑硅石、燧石、鱗石英、方石英、玻璃質(zhì)火山巖、玉髓及微晶或變質(zhì)石英堿微晶氧化硅硅膠體 堿硅酸鹽反應(yīng)：粘土質(zhì)巖石及千板巖 堿碳酸鹽反應(yīng)(Alkali-Carbonate Reaction) ：白云質(zhì)石灰?guī)r,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,影響堿集料反應(yīng)的因素 水泥的含堿量 混凝土的水灰比 混凝土孔隙率 環(huán)境溫濕度影

16、響 防止堿集料反應(yīng)的措施 采用低堿水泥 摻用粉煤灰等摻合料降低混凝土的堿性 盡量不用可能引起反應(yīng)的集料 改善混凝土結(jié)構(gòu)的施工和使用條件,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,2.1.4 化學(xué)介質(zhì)的腐蝕 混凝土腐蝕是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)過程。 按侵蝕介質(zhì)的性質(zhì)分： 硫酸鹽腐蝕； 海水腐蝕； 酸性腐蝕； 鹽類結(jié)晶型腐蝕。,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,海水腐蝕 海水的化學(xué)成分復(fù)雜 結(jié)構(gòu)與海水接觸部位不同，腐蝕形式不同：高潮線以上非接觸區(qū)；浪濺區(qū)；潮汐漲落區(qū)；低潮位下。 形成可溶性鹽類 生成帶有膨脹性的鈣礬石 氯離子的滲入加速鋼筋銹

17、蝕；,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,硫酸鹽侵蝕 硫酸鹽一般指：硫酸鈉、硫酸鎂等 存在于地下水、海水、工業(yè)廢料 特征：混凝土表面發(fā)白，易碎、甚至松散。 酸侵蝕 工業(yè)環(huán)境、沼澤地、尾礦堆場地下水、工業(yè)廢料以及化工廢料； 硫酸、硝酸、鹽酸、碳酸作用形成可溶性鹽，侵蝕強(qiáng)烈；磷酸等也會使混凝土強(qiáng)度降低。,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,堿類侵蝕 固體堿對混凝土無明顯作用，熔融狀堿或堿濃溶液有侵蝕作用； 化學(xué)侵蝕：生成膠結(jié)力不強(qiáng)、易浸析的產(chǎn)物； 結(jié)晶侵蝕：生成10水碳酸鈉晶體，體積膨脹。,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝

18、土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,2.1.5 混凝土的凍融破壞 原因：混凝土微孔隙中的水，在溫度正負(fù)交替作用下，形成冰漲壓力和滲透壓力聯(lián)合作用的疲勞應(yīng)力。從而使混凝土產(chǎn)生由表及里的剝蝕破壞。 發(fā)生： 水工結(jié)構(gòu)混凝土（“三北”地區(qū)）； 港口碼頭工程； 橋涵工程、城市立交橋； 混凝土路面工程。,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,普通混凝土凍融過程中宏觀特性試驗結(jié)果,說明：WC =0.65；二級配混凝土；含氣量1.5%。,引氣混凝土凍融過程中宏觀特性試驗結(jié)果,影響混凝土抗凍性的因素 水灰比 含氣量 飽和水狀態(tài)

19、 受凍齡期 水泥品種及集料質(zhì)量 外加劑和摻合料的影響,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,提高混凝土抗凍性的措施 引氣劑、減水劑或引氣型減水劑 控制水灰比，提高密實度 加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù) 加防凍劑防止混凝土早期受凍,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,2.1.6 混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫 原因： 水化熱引起 塑性收縮裂縫 塑性塌落裂縫 混凝土干縮裂縫 堿集料裂縫 溫度變化引起 基礎(chǔ)不均勻沉降引起 鋼筋腐蝕引起 荷載作用引起,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,危害： 改變受力模式，降低承載力； 可能引起滲漏，影響

20、正常使用； 結(jié)構(gòu)剛度降低，變形增加； 降低結(jié)構(gòu)安全度； 結(jié)構(gòu)耐久性下降。 控制標(biāo)準(zhǔn)： 寬度0.05 mm以下，無任何危害； 寬度0.3(0.2) mm以下，對耐久性有影響 寬度0.3 mm以上，結(jié)構(gòu)性能影響,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 GB 500102002 ：,典型混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫： 預(yù)應(yīng)力混凝土空心板； 預(yù)應(yīng)力混凝土大型屋面板； 鋼筋混凝土梁； 鋼筋混凝土柱； 鋼筋混凝土挑檐、雨蓬、陽臺； 鋼筋混凝土墻體,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損

21、傷機(jī)理及其危害,2.1.7 混凝土強(qiáng)度不足的原因 (1) 原材料質(zhì)量差： 水泥質(zhì)量：活性，安定性 集料（砂石）質(zhì)量 拌和水 外加劑 配合比不當(dāng) 隨意套用配合比； 用水量加大；水泥用量不足； 砂石計量不準(zhǔn)； 外加劑品種用錯，摻量不準(zhǔn),第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,混凝土強(qiáng)度不足的原因 (2) 施工工藝： 拌制：加料順序、攪拌時間 運(yùn)輸條件：離析、漏漿 澆注方法：已初凝、離析 模板漏漿 振搗不密實 養(yǎng)護(hù) 水泥水化需要適當(dāng)?shù)臏囟?、濕度?保持潮濕，避免高溫； 防止混凝土中水分蒸發(fā)過快；,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,混凝土強(qiáng)

22、度不足的原因 (3) 低溫影響： 零度以下，水化停止 早期受凍，強(qiáng)度大降 冬季施工，保溫養(yǎng)護(hù) 缺陷影響 麻面、蜂窩、露筋、孔洞、掉角、縫隙夾層等； 其他原因； 環(huán)境侵蝕、火災(zāi)、水災(zāi)等；,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.1 混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,2.2.1 砌體結(jié)構(gòu)的裂縫 地基不均勻沉降 溫度變形 結(jié)構(gòu)受力 建筑構(gòu)造 施工質(zhì)量 相鄰建筑影響 其他,2.2 砌體結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.2 砌體結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,2.2.2 砌體結(jié)構(gòu)的變形 沿墻面的變形 傾斜：施工、地基沉降、剛度不足 彎曲：施工、地基沉降 出墻面的變形 施工：灰縫厚度不均、凍結(jié)法不當(dāng)、

23、縱橫墻連接差等原因； 剛度：高厚比過大 填充墻、維護(hù)墻出墻面變形 出墻面強(qiáng)度不足 地基不均勻沉降：水平荷載、堆載、挖土,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.2 砌體結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,2.2.3 砌體承載力不足的原因 設(shè)計 截面偏小、材料強(qiáng)度低、未設(shè)梁墊、高厚比過大 隨意加層、改變使用用途 施工 磚的質(zhì)量不合格 砂漿強(qiáng)度偏低 砂漿飽滿度不夠 組砌不合理 隨意打洞或洞口位置不合理,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.2 砌體結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,我國1996年鋼產(chǎn)量1億噸，2003年鋼產(chǎn)量達(dá)到2億噸。鋼材的使用經(jīng)歷了從 “節(jié)約合理使用大力推廣”的過程。 建筑用的鋼材約占總鋼材的1

24、/3,其中90%以上是線材，鋼結(jié)構(gòu)用量占建筑用鋼的5%左右 。 鋼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于以下 幾個方面： 輕鋼結(jié)構(gòu)(單層工業(yè)廠房) 門式剛架體系用鋼量指標(biāo)30- 70kgm2 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(體育館、體育場、航站樓)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)用鋼量指標(biāo)20-40kgm2 超高層結(jié)構(gòu)純鋼結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、鋼框架-混凝土剪力墻(核心筒),鳥巢平面尺寸：340m290m ，結(jié)構(gòu)厚11m，可容納10萬觀眾 由24榀平面桁架組成的空間梁系結(jié)構(gòu)。 修改： 中間開口由70m140m 120m170m 去消屋面的活動屋蓋 (用鋼量由400kgm2 350kgm2）,水立方游泳館平面尺寸：170m170m ，高度30m 多面體空

25、間結(jié)構(gòu)。(外立面為充氣結(jié)構(gòu)-0.03個大氣壓) 屋蓋有11種網(wǎng)格，屋蓋厚7.2m；墻面有19種網(wǎng)格。 節(jié)點(diǎn)采用焊接球節(jié)點(diǎn),安徽某體育館-屋蓋采用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu) 整個體育館的主體結(jié)構(gòu)由32榀框架組成，主框架外圍直徑為95.6m，一層、四層徑向框架梁和五層C軸環(huán)向梁（直徑為80m）施加預(yù)應(yīng)力，二層、三層徑向框架梁未施加預(yù)應(yīng)力。,浙江黃龍體育中心體育場為我國目前跨度較大的斜拉網(wǎng)殼,兩塔柱間的距離達(dá)250米,每塊月牙形網(wǎng)殼上弦面上巧妙地設(shè)置了九道穩(wěn)定索。(用鋼量80/),輕鋼結(jié)構(gòu)(單層工業(yè)廠房),臺北101：世界第一高樓 總高508m(建筑高420.5m)建筑面積28.9m2?？傆娩摿?4000t。內(nèi)鋼

26、筋混凝土核心筒，外鋼框架。 吉隆坡雙子塔(88層) 總高452m。 上海金茂大廈(88層) 總高420m,內(nèi)鋼筋混凝土核心筒，外鋼骨混凝土柱。,臺北101大廈,2.3.1 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 分整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)兩類 整體失穩(wěn)原因： 設(shè)計：長細(xì)比大 初始缺陷 受力條件改變 施工支撐體系不夠,2.3 鋼結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.3 鋼結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,2.3.1 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 分整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)兩類 局部失穩(wěn)原因： 構(gòu)件：組合截面加勁肋布置和構(gòu)造 受力部位加勁肋構(gòu)造 吊點(diǎn)位置不當(dāng),第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.3 鋼結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,2.3.2 鋼結(jié)構(gòu)的疲勞

27、破壞 主要是吊車梁和橋梁 吊車梁疲勞破壞原因： 鋼軌偏心 應(yīng)力集中 工字梁變截面處裂縫 銹蝕 材料 使用,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.3 鋼結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,2.3.2 鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞 疲勞問題的防止： 選材：化學(xué)、力學(xué)性能，無缺陷 制作：按圖施工，不產(chǎn)生外表劃痕、切痕 使用：避免銹蝕、碰撞，不隨意打孔、焊接 局部疲勞：更換構(gòu)件，加固構(gòu)件 焊縫破壞：原焊縫清除干凈重新焊接 經(jīng)常檢查，發(fā)現(xiàn)疲勞破壞先兆,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.3 鋼結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,2.3.3 鋼結(jié)構(gòu)的脆性破壞 可分為：低溫脆斷、應(yīng)力腐蝕、氫脆、疲勞破壞和斷裂破壞等。 低溫脆斷（冷脆） 橋梁、船舶、

28、儲罐等常見，建筑物較少見 沖擊韌性試驗、缺口靜彎試驗、撕裂試驗和落錘試驗等方法檢測 應(yīng)力腐蝕：長期高應(yīng)力鋼材，陽極腐蝕區(qū)撕裂。 氫脆：陰極腐蝕造成，鋼材局部開裂破壞 上述兩者一般與低溫、反復(fù)荷載同時出現(xiàn),第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.3 鋼結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,2.3.3 鋼結(jié)構(gòu)的脆性破壞 脆性破壞的預(yù)防 材料元素：鐵：90%以上；有益：碳、硅、錳、銅、鎳、鉻、釩、鈦等；有害：硫、磷、氧、氮、氫等 鋼材的缺陷：發(fā)裂、夾層、縮孔、白點(diǎn)、瘢痕和劃痕等外觀檢查；內(nèi)部缺陷：超聲波檢測、射線檢測等方法。,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.3 鋼結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,2.3.4 鋼結(jié)構(gòu)的防火與防腐

29、 防火： 臨界溫度：550度。 根據(jù)防火等級和使用要求 埋于絕熱材料中 預(yù)制絕熱材料包裹 絕熱材料直接噴涂 防腐： 涂料、鍍金屬層,第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.3 鋼結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,鋼結(jié)構(gòu)在高溫條件下，材料強(qiáng)度顯著降低。譬如2001年9月11日受恐怖襲擊的美國紐約世貿(mào)中心就是典型的例子，世貿(mào)大廈采用筒中筒結(jié)構(gòu)，為姊妹塔樓，地下6層，地上110層，高411m，標(biāo)準(zhǔn)層平面尺寸63.5m63.5m，總面積125萬平方米，整個大樓可容納5萬人辦公，相當(dāng)于5個深圳地王大廈。外筒為鋼柱，建于1973年，每幢樓用鋼量7800t。兩座大樓受飛機(jī)撞擊之后，一個在一小時倒塌，另一個在一小時四十倒塌。

30、世貿(mào)大廈看上去非常堅固，為什么受撞擊后會倒塌？,撞擊在300-400m高處，對樓根部產(chǎn)生很大的力矩，這一力矩比正常情況增加了20%-30%，但這一增加的力矩應(yīng)在設(shè)計的安全范圍內(nèi)，造成大廈倒塌的重要原因是撞擊后引起的大火，燃燒引起的高溫可達(dá)1000，傳至下部的溫度也有幾百度，鋼柱受熱后失去強(qiáng)度，使上層荷載塌下，并后加到下一層。在設(shè)計上，樓板只承受本層的荷載，上層塌落后荷載全部加在下層，使下層超負(fù)荷，所以整個大廈是一層層垂直塌下的，后受撞擊的先塌，是因為后受撞擊的大廈撞擊的部位更靠近下部，鋼柱的荷載更大，所以先塌?？梢?，耐火性差是鋼結(jié)構(gòu)致命的缺點(diǎn)，應(yīng)十分重視防火涂層的檢測。,2.3.5 鋼結(jié)構(gòu)的其他缺陷 變形： 分總體變形和局部變形 原因：原材料、冷加工、制作組裝、熱變形、運(yùn)輸堆放不當(dāng)、使用變形 裂縫： 材質(zhì)、焊接、疲勞、意外 加工制作 焊接、鉚接、螺栓連接： 運(yùn)輸、安裝和使用維護(hù),第2章 工程結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及危害,2.3 鋼結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及其危害,2.4.1 概述 地基：支承建筑物上部結(jié)構(gòu)荷載的土體或巖體。分天然地基和人工地基。 基礎(chǔ)：建筑物向地基傳遞荷載的下部結(jié)構(gòu)。 埋置深度：深基礎(chǔ)、淺基礎(chǔ)； 變形特征：柔性基礎(chǔ)、剛性基礎(chǔ)； 形式：獨(dú)立、聯(lián)合、條形、片筏、箱形、樁、地下連續(xù)墻等； 設(shè)計要求：1.強(qiáng)度、穩(wěn)定；2.變形。,2.4 地基