工程结构损伤机理及危害课件.ppt

,工程结构检测与加固,硕士研究生课程,主讲教师：贾彬 教授 土木工程教研室,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,2.1.1 钢筋腐蚀 2.1.2 混凝土的碳化 2.1.3 混凝土碱集料反应 2.1.4 化学介质的腐蚀 2.1.5 混凝土的冻融破坏 2.1.6 混凝土结构的裂缝,2.2.1 砌体结构的裂缝 2.2.2 砌体结构的变形,2.3.1 钢结构的稳定问题 2.3.2 钢材的疲劳破坏 2.3.3 钢结构的脆性破坏 2.3.4 钢结构的防火与防腐,2.1 混凝土结构损伤机理及其危害,2.2 砌体结构损伤机理及其危害,2.3 钢结构的损伤机理及其危害,2.4 地基基础损伤机理及其危害,2.4.1 地基失稳 2.4.2 软土地基 2.4.3 湿陷性黄土 2.4.4 季节性冻土,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,2.1 混凝土结构损伤机理及其危害,2.1.1 混凝土中钢筋的腐蚀,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,钢筋腐蚀机理条件： 在钢筋表面存在电位差，不同电位的区段之间形成阳极阴极； 阳极区段的钢筋处于活化状态，阳极反应：2Fe4e 2Fe2+ 存在水分和溶解氧，在阴极发生阴极反应：2H2O+O2+4e 4OH,2.1.1 混凝土中钢筋的腐蚀,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,影响钢筋腐蚀的主要因素： pH值 Cl含量 氧 混凝土密实性 砼保护层厚度 其他因素,2.1.1 混凝土中钢筋的腐蚀,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,2.1.1 混凝土中钢筋的腐蚀,混凝土结构设计规范 GB 500102010,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,钢筋锈蚀破坏的主要破坏特征： 混凝土顺钢筋开裂 “握裹力”下降与丧失 钢筋断面损失 钢筋应力腐蚀断裂,2.1.1 混凝土中钢筋的腐蚀,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,钢筋防腐蚀的措施： 常规方法（从材料、设计、施工、维护入手）： 优选配合比，严格控制水灰比，选择合适的水泥用量和外加剂； 设计采用一定厚度保护层，防止有害物质渗入； 保证砼施工质量，提高密实性、抗冻性和抗渗性，加强养护，防止裂缝产生； 防止碱集料反应； 严格限制氯离子含量 定期检查，发现裂缝或表面疏松掉皮时及时处理,2.1.1 混凝土中钢筋的腐蚀,特殊方法： 阴极保护 环氧树脂涂层钢筋 用纤维增强塑料（FRP） 镀锌钢筋 添加防锈剂,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,2.1.1 混凝土中钢筋的腐蚀,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,2.1.1 混凝土中钢筋的腐蚀,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,2.1.2 混凝土的碳化,混凝土碳化机理： 混凝土是多孔体，空气中的二氧化碳先渗透到内部孔隙和毛细管中，溶解于毛细管中的液相，与水泥水化过程中产生的氢氧化钙和硅酸二钙、硅酸三钙等水化物相互作用，形成碳酸钙。,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,2.1.2 混凝土的碳化,混凝土碳化对结构的影响： 1、混凝土碳化会增加其密实性，提高混凝土抗化学腐蚀能力； 2、碳化降低混凝土的碱度，破坏钢筋表面的钝化膜，使混凝土失去对钢筋的保护作用； 3、混凝土碳化加剧混凝土的收缩，可能致使混凝土的裂缝和结构的破坏；,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,2.1.2 混凝土的碳化,影响混凝土碳化速度的因素：,周围环境因素：相对湿度；环境温度；CO2浓度。,材料组成因素：水泥用量；水灰比；粉煤灰取代量；水泥品种；集料品种；养护方法,施工因素：主要是混凝土搅拌、振捣和养护等条件的影响；主要是影响混凝土密实性。,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,2.1.2 混凝土的碳化,减小混凝土碳化的措施： 合理设计混凝土配合比； 在混凝土施工时，应采用机械振捣，以保证混凝土的密实性； 采用表面涂层或表面覆盖层的方法，隔绝混凝土与空气中的CO2； 混凝土设计时考虑足够的保护层厚度。,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,2.1.2 混凝土的碳化,回弹法检测混凝土抗压强度技术规程（JGJ/T23-92）： 测量碳化深度值时，用合适的工具在测区表面形成直径约为15mm并有一定深度的孔洞。清除孔洞中的碎屑和粉末是，注意不得用水冲洗，应立即用浓度为1%的酚酞酒精溶液滴在孔洞内壁的边缘处，用深度测量工具测量表面至深部不变色边缘处与测量面相垂直的距离多次，取其平均值，该距离即为该测区混凝土的碳化深度值。每次测量读数精确到0.5mm。当深度小于0.5mm时，按无碳化处理。,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,2.1.3 混凝土碱集料反应,混凝土碱集料反应的条件： 混凝土中有相当数量的碱； 混凝土中有相当数量的碱活性骨料； 混凝土工程的使用环境必须有足够的湿度。 反应类型： 碱硅反应 碱硅酸盐反应 碱碳酸盐反应,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,2.1.3 混凝土碱集料反应,影响碱集料反应的因素 水泥的含碱量 混凝土的水灰比 混凝土孔隙率 环境温湿度影响 防止碱集料反应的措施 采用低碱水泥 掺用粉煤灰等掺合料降低混凝土的碱性 尽量不用可能引起反应的集料 改善混凝土结构的施工和使用条件,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,2.1.4 化学介质的腐蚀,混凝土化学介质腐蚀是一个复杂的物理、化学过程。 按侵蚀介质的性质分： 硫酸盐腐蚀； 海水腐蚀； 酸性腐蚀； 盐类结晶型腐蚀。,防止化学介质腐蚀的措施： 选用与腐蚀类型或程度相适应的水泥品种 提高混凝土密实性和抗渗性 混凝土保护层必须有足够的厚度 掺用火山灰质的活性掺合料 采用混凝土表面处理方法,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,2.1.5 混凝土的冻融破坏,混凝土冻融破坏的主要原因是混凝土微孔隙中的水，在温度正负交替作用下，形成冰涨压力和渗透压力联合作用的疲劳应力，在这种疲劳应力的作用下混凝土产生了由表及里的剥蚀破坏。,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,2.1.5 混凝土的冻融破坏,影响混凝土抗冻性的因素： 水灰比 含气量 饱和水状态 受冻龄期 水泥品种及集料质量 外加剂和掺合料的影响,提高混凝土抗冻性的措施： 引气剂、减水剂或引气型减水剂 控制水灰比，提高密实度 加强早期养护 加防冻剂防止混凝土早期受冻,21,可编辑,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,2.1.6 混凝土结构的裂缝,原因： 水化热引起 塑性收缩裂缝 塑性塌落裂缝 混凝土干缩裂缝 碱集料裂缝 温度变化引起 基础不均匀沉降引起 钢筋腐蚀引起 荷载作用引起,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,2.1.6 混凝土结构的裂缝,危害： 改变受力模式，降低承载力； 可能引起渗漏，影响正常使用； 结构刚度降低，变形增加； 降低结构安全度； 结构耐久性下降。 控制标准： 宽度0.05 mm以下，无任何危害； 宽度0.3(0.2) mm以下，对耐久性有影响 宽度0.3 mm以上，结构性能影响,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,2.1.6 混凝土结构的裂缝,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,2.1.6 混凝土结构的裂缝,混凝土裂缝鉴别 工程结构的破坏，特别是钢筋混凝土结构的破坏往往是从裂缝开始的。但是，并不是所有的裂缝都是结构危险的征兆，只有那些影响结构承载能力、稳定性、刚度以及节点连接可靠性等的裂缝才可能危及结构的使用安全。而大量常见的裂缝，如温度、收缩裂缝等，并不危及结构安全。因此，各类裂缝对结构的危害是不同的，故对各类裂缝的处理应有区别。所以准确鉴别不同类型的裂缝是十分重要的。,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,2.1.6 混凝土结构的裂缝,裂缝鉴别一般从裂缝现状、开裂时间和裂缝的发展变化三个方面调查分析，主要内容有：,1、 裂缝宽度：是判断裂缝对混凝土结构物影响程度的重要参数，应预先查明裂缝宽度是否发展变化，因为它是分析开裂原因、决定修补及补强加固方法的重要项目。 2、 裂缝位置与分布特征：一般应调查清楚裂缝位于建筑物的第几层，出现在哪类构件(梁、板、柱、墙等)上，裂缝在构件的位置，如梁的两端或跨中，板的顶面或底面等。 3、 裂缝的方向与形状：一般裂缝的方向同主拉应力方向是相互垂直的，因此要注意分清裂缝的方向。要注意区分裂缝的形状是上宽下窄、上窄下宽、两端窄中间宽或宽度变化不大等不同情况，因为由不同的原因导致的裂缝的形状是不同的。,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,2.1.6 混凝土结构的裂缝,裂缝鉴别（续) 4、 裂缝的深度和长度：区别裂缝是浅表裂缝、保护层裂缝、还是较深的甚至贯穿性裂缝。裂缝长度与分析裂缝开裂原因及判断是否加固修补关系不大，然而根据裂缝的长度可以大致搞清楚裂缝是局部原因引起的还是较广范围原因引起的。 5、裂缝的开裂时间：开裂时间是判断开裂原因的重要依据，所以必须慎重判断。一般来说，发现裂缝的时间和裂缝的开裂时间是不一致的，因此，必须多方搜集线索，参考裂缝宽度的变化情况记录进行综合分析判断。 6、裂缝的发展变化：指裂缝长度、宽度、数量等方面的变化。在对裂缝处理前一定要分清裂缝是活动裂缝还是静止裂缝。,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,工程案例分析1某口岸商城,该楼施工图设计1989年完成，大体为矩形平面，柱网6.9m6.9m，沿海岸长186.9m=124.2m，与海岸线垂直方向宽86.9m=55.2m，建筑面积13560；3层现浇钢筋混凝土框架结构，混凝土强度等级皆为C28（300号），3层楼（屋）面板厚90mm,保护层厚度10mm，板底配筋：10120（短跨）与8150（长跨），底板未抹灰，1992年2月28日竣工，工程质量等级被核定为优良；当时仍施行钢筋混凝土结构设计规范（TJ 1074）系列规范。,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,工程案例分析1某口岸商城,竣工后，该楼一直作为所在城市的主要水运口岸使用（图2）。 2002年初，该楼部分楼板底筋严重锈蚀，保护层混凝土胀裂、剥落，遂用水泥砂浆进行封闭处理，修补多达600余处；2007年11月11日靠码头一侧的3层 板底的修补水泥砂浆连同保护层混凝土胀裂、剥落，击穿吊顶天棚，从高空坠落，最大块体约180380mm（图3）。,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,工程案例分析1某口岸商城,现场检查：现场调查发现，该楼3层靠海一侧部分楼板底部跨8钢筋严重锈蚀，锈蚀最严重的构件主要集中在3层B-C/13-14轴 ，其中 底 板长跨8钢筋局部亦已严重锈蚀。,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,工程案例分析1某口岸商城,化学试验：在柱、梁及上述部位钻取了混凝土芯样，切片进行了化学分析。 该楼位于长年高温高湿的夏热冬暖地区，B轴距海边仅15米左右，按规范的3.4.1条，属于三类滨海室外环境，水泥用量的氯离子含量限制为0.1。 检测结果显示，该楼3层楼板底部24个混凝土试样有16个水泥用量Cl-含量超过规范限值0.1，超限1倍以上的试样多达11个，最高的1个试样的Cl-含量达1.7，超限16.9倍，表明靠海最近的楼板已遭受氯化物严重侵蚀。,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,工程案例分析1某口岸商城,混凝土切片试样检测结果： 3层BC 轴线楼板的钢筋锈蚀部位2个芯样的氯离子含量分别为0.032%0.186%(1号芯样）、0.022%0.051%（2号芯样），其中1号芯样1个切片氯离子含量高达0.186%，超过规范限值0.1%。这表明氯离子已在3层楼板全截面渗透。 4层室外装饰梁氯离子含量相对较低，已开始遭受侵蚀；柱芯样切片的氯离子含量皆很小，表明尚未受到氯离子侵蚀。据此，基本可以排除使用海砂。,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,工程案例分析1某口岸商城,该事故凸显了混凝土结构设计规范规定的现浇板底筋保护层厚度过小导致的严重危害。根据民用建筑可靠性鉴定标准（GB 502921999）4.2.7条，该楼板底部钢筋锈蚀且保护层出现锈胀裂缝部位的楼板安全性等级应评为d级，即显著影响承载能力，须尽快进行加固处理。,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,工程案例分析2某办公楼,某工程为三层框架结构，建筑面积850m2，层高3.3m3.6m，平面图如图1所示，最大柱网为8mX9.7m，中柱为方柱500mmX500mm，边柱为异形柱500mmX500mmX200mm，基础为十字交叉R、C条形基础，基础落在残积土层上。框架梁最大跨度为9700mm断面为250mmX900mm，梁上设有柱，该柱承受屋面传来的荷载，再由框架梁传给框支柱与基础。次梁断面200mmX400mm或500mm，跨度3.3m5.5m。混凝土强度等级为C25，现场搅拌。该工程于2014年4月封顶，在砌筑墙体时，发现部分框架梁和部分次梁出现裂缝。2015年4月，进行了现场观测与检查及电算复核结果，梁配筋符合设计图纸，混凝土强度达设计值。,第2章 工程结构损伤机理及危害,图1 三层结构平面图,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,工程案例分析2某办公楼,框架梁裂缝主要发生在梁侧中部与支座附近处，以垂直裂缝为主，裂缝中间宽，两端细小，梁底个别处也有裂缝，但与梁侧裂缝不贯通，在支座处附近裂缝呈现45度斜裂缝，也是裂缝中间宽，两头细小，相对应的板没有发现裂缝，如图2所示。框架梁LA1发现未配置抗扭纵筋或构造筋，箍筋直径为8200，砖墙砌筑大样图3。,图2 框架梁裂缝示意图,图3 砖墙砌筑大样图,厚德 博学 笃行 创新 I 西南科技大学,第2章 工程结构损伤机理及危害,工程案例分析2某办公楼,次梁主要发生在梁侧中部，呈垂