西南交大《混凝土结构设计原理》第九章 课堂笔记.doc

奥鹏远程教育中心助学服务部 西南交大混凝土结构设计原理第九章 混凝土构件的正常使用验算 课堂笔记所有受力构件都要进行承载能力计算。结构可能由于裂缝宽度和变形过大，影响其适用性和耐久性，达到正常使用极限状态。为使结构的使用性能满足要求，应根据其使用条件对某些构件的裂缝宽度和变形进行控制验算。u 主要内容产生裂缝的原因及其控制措施。荷载作用引起的裂缝宽度计算。受弯构件的变形验算。u 学习要求了解变形和裂缝宽度验算的目的，验算时荷载效应和材料强度的取值与承载力计算时有何不同；了解裂缝出现、分布和开展的过程及特点:了解平均裂缝间距及裂缝宽度颤算公式建立的依据，并能进行裂缝宽度验算；了解截面刚度建立的基本方法，掌握截面抗弯刚度计算和梁板变形验算的方法;u 重点难点正常使用极限状态的验算目的；产生裂缝的原因及控制措施；钢筋混凝土构件的抗裂、变形和裂缝宽度的验算；有效减小裂缝宽度；增大截面歌弯刚度的措施;保证结构耐久性的措施。一、产生裂缝的原因及其控制措施钢筋混凝土结构存在拉应力是产生裂缝的必要条件:除荷载作用外，结构的不均匀沉降、收缩、温度变化，以及在混凝土凝结、硬化阶段等也都会引起拉应力，从而产生裂缝。混凝土主拉应力达到抗拉强度时，并不立即产生裂缝，而是当应变达到极限拉应变时才出现裂缝。由于混凝土材料的不均匀性，裂缝首先在强度最小的位置发生。裂缝发生前瞬间的应变分布会产生应变集中。不同龄期混凝土，其裂缝断面状况有较大差别。龄期很短的混凝土，裂缝断面为光滑，两裂缝不能完全闭合。而充分硬化后的混凝土，裂缝断面呈不规则较为锋锐状态，两断面可以闭合。（一）材料原因引起的裂缝1.水泥方面的原因(1)异常凝结和异常膨胀:受风化的水泥，其品质很不安定、，混凝土浇筑后，在达到一定强度以前，在凝结硬化阶段会产生短小的不规则裂缝。随着水泥品质的改善，缝种裂缝目前较少见到。(2)水泥水化热浇筑混凝土后。在初凝和硬化阶段，由于水泥水花反应，温度上升。内部蓄热而构件表面放热，构件温度经上升后再下降。混凝土在绝热情况下的温度上升水泥用量在300kg/m3左右时，温度上升为3040左右。大体积混凝土的裂缝大体积混凝土最小尺寸大于800mm)，内部温度较大，构件外周温度较低，内外温差很大，引起内外混凝土膨胀变形差异二内部膨胀受到外部约束，使构件表面产生直交状的裂缝。结构构件间的相互影响大型构件与小尺寸构件共同组成的结构及框架结构中均可能因温差的影响产生裂缝。2骨料方面的原因（1）骨料中的泥份：也细骨料中含有较多的泥份时，使混疑土的干燥收缩量增大。骨料中泥份引起的裂缝 泥份的存在也使水泥与粗骨料的粘结强度降低，因此泥份较多的混凝土，由于干燥收缩会产生网状裂缝。（2）碱一骨料反应:骨料中碱含量较高时，因吸收周围的水分产生化学反应使骨料膨胀，产生龟裂状裂缝。当构件在某个方向受到约束时，裂缝会沿约束方向产生。3.混凝土的下沉和泌水混凝土浇筑后，在凝结过程中会产生下沉和泌水。混凝土中水量越多，保水性越差，其下沉量就越大:当混凝土下沉受到钢筋或周围混凝土的约束时会产生裂缝。（二）施工原因引起的裂缝1.混合材料不均匀:由于搅拌不均匀，材料的膨胀和收缩的差异，引起局部的一些裂缝。2.长时间搅拌:混凝土运输时间过长，长时间搅拌突然停止后很快硬化产生异常凝结，引起网状裂缝。3.浇筑速度过快:当构件高度较大时，如果一次快速浇筑混凝土，因下部混凝土尚未充分硬化，则会产生下沉，引起裂缝。4，交接缝:浇筑先后时差过长，先浇筑的混凝土已硬化，导致交接缝混凝土不连续，这是结构产生裂缝的起始位置，将成为结构承载力和耐久性的缺陷:5.模板外鼓:由于模板隔挡设置不当，导致墙。柱、梁的模板产生外鼓，使得硬化但未达到强度的混凝土产生移动而引起裂缝:梁因模板外鼓产生裂缝。6.支撑下沉:由于模板支撑设置不当，支撑沉降产生过大变形而引起裂缝。7.初期快速干燥:混凝土表面失去养护水分，因快速干燥而使得混凝土在凝结结束时产生裂缝。裂缝的形状比混凝土泌水沉降裂缝更细，且呈无方向性的龟甲状，裂缝深度也较浅。8.模板拆除过早:拆模后，因混凝土的干燥速度加快，加之结构干燥收缩产生的约束作用引起拉应力，在混凝土抗拉强度不足时产生裂缝:这种裂缝与干燥裂缝有所不同，而与荷载和强制变形下的裂缝情况类似。（三）温度变化和收缩作用引起的裂缝现浇框架梁、板和桥面结构，由于其温度和收缩变形受到刚度较大构件的约束而开裂。混凝土烟囱、核反应堆容器等承受高温的结构，也会发生温差裂缝。公路箱形梁桥的横向温差应力较大，横向没有设置足够钢筋，势必导致顶板混凝土开裂。当现浇屋面混凝土结构上部因低温或干燥而收缩时，会发生中部或角部裂缝等。（四）不均匀沉降产生裂缝超静定结构地基沉降不均匀时，结构构件受到强迫变形可能开裂，在建筑结构中这种情况较为常见。（五）冻融引起的裂缝冻融循环作用、混凝土中碱一骨料反应、盐类和酸类物质侵蚀等都能引起混凝土结构构件开裂。碱一骨料反应是指混凝土组成材料中的碱和碱活性骨料在混凝土浇筑后的反应t当反应物积累到一定程度时吸水膨胀而使混凝土开裂。（六）钢筋锈蚀产生的裂缝使钢筋产生锈蚀的原因有:骨料中含氯化盐；外部进入氯化盐；混凝土碳化；保护层不足；过大的裂缝宽度。钢筋锈蚀产生的体积膨胀可达原体积的数倍，使钢筋位置处混凝土受到内压力而产生裂缝，并随之剥落。这种裂缝沿钢筋方向发展，且随着锈蚀的发展混凝土剥离产生空隙，这可从敲击产生的空洞声判别。（七）荷载作用引起的裂缝构件在荷载作用下都可能发生裂缝，受力状态不同(如受弯、受剪、受扭或弯剪扭组合作用、局部荷载作用等等)，其裂缝形状和分布也不同。计算静力荷载作用下的裂缝宽度是本章的主要内容之一。（八）裂缝控制的目的和要求混凝土的抗拉强度远低于抗压强度，构件在不大的拉应力下就可能开裂。钢筋混凝土受弯构件，在使用状态下受拉区出现裂缝是正常现象，是不可避免的。1.裂缝控制的目的裂缝控制目的之一，是为了保证结构的耐久性。裂缝处的钢筋锈蚀并不严重，与构件表面的裂缝宽度并不呈平行关系。在一定的条件下，控制裂缝宽度的理由更多的是考虑到对建筑物观瞻、对人的心理感受和使用者不安程度的影响。公众反应调查发现，大多数人对于宽度超过0.3mm的裂缝感到明显的心理压力。2.裂缝控制的等级和要求构件裂缝控制等级的划分，主要根据结构的功能要求、环境条件对钢筋腐蚀影响、钢筋种类对腐蚀的敏感、荷载作用时间等因素考虑。对预应力混凝土构件，分别进行一级或二级或三级裂缝控制验算二钢筋混凝土揭件是允许出现裂缝的构件，应按三级裂缝控制要求验算。混凝土结构裂缝控制等级一级严格要求不出现裂缝的构件、按荷载效应标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力。二级般要求不出现裂缝的构件按荷载效应标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土拉应力不应大于混凝土轴心抗拉强度标准值:按荷载效应准永久组合计算时，构件受拉边缘混凝土不宜产生拉应力，当有可靠经验时可适当放松。三级允许出现裂缝的构件，但按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响训:算时，构件的最大裂缝宽度不应超过汽规范分规定的最大裂缝宽度限值。（九）裂缝控制措施避免或减少收缩裂缝发生的主要措施:混凝土配合比、掺合料(粉煤灰硅粉);混凝土的养护；适当提高配筋率，并采用变形钢筋；设置减少沉降影响和温度及收缩影响后浇带;减少约束;使用纤维混凝土(钢纤维、聚丙稀纤维);二、荷载作用引起的裂缝宽度计算（一）验算裂缝宽度的目的和要求1.验算裂缝宽度的目的保证构件的正常使用和耐久性能二由于是正常使用问题，其可靠指标可适当低一些，计算中采用荷载标准组合和材料强度标准值。2.验算裂缝宽度的要求Wmax一荷载标准组合下的裂缝宽度w一允许最大裂缝宽度（二）裂缝的发生及其分布1.裂缝计算思路从第一批裂缝出现到裂缝全部出齐为裂缝出现阶段，该阶段荷载增量并不大，主要取决于硅强度的离散程度。裂缝间趾的计算公式即是以该阶段的受力分析建立的。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，这是裂缝宽度计算的依据。由于混凝土材料的不均匀一生，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。但试验统计表明，裂缝间题和宽度的平均值具有一定规律性，是钢筋与混凝土之间粘结受力机理的反映。2.裂缝的出现规律开裂前，硅和钢筋应变沿构件的长度基本是均匀分布的。当混凝土应力达到抗拉强度，在最薄弱截面出现第一批裂缝。小裂缝出现瞬间，截面硅退出受拉工作，钢筋拉应力产生突增。截面距离的增加，混凝土中又重新建立起拉应力c ，而钢筋拉应力则随距裂缝截面距离的增加而减小。争当距裂缝截面长度达到l时，c增大至ft，将出现新裂缝。当两条裂缝的间距小于21，由于粘结应力传递长度不够混凝土拉应力不可能达到ft,因此将不会出现新裂缝。裂缝间趾最终稳定在(l-2l)之间，平均间距可取1.5。（三）平均裂缝间距裂缝分布规律与混凝土粘结应力的变化有密切关系:荷载下出现新裂缝离开已有裂缝应有足够的距离。以便通过粘结力将混凝土拉应力从已有裂缝处为零提高到新裂缝处，即:9.2.4裂缝宽度的计算1.平均裂缝宽度等于平均裂缝间距范围内钢筋和混凝土的平均受拉伸长之差:试验结果分析表明: 钢筋应变不均匀系数。2.最大裂缝宽度实测表明，裂缝宽度具有很大的离散性，但其概率分布基本为正态。取超越概率为5%的最大裂缝宽度可由下式求得:式中为裂缝宽度变异系数，对受弯构件，=0.4。故取裂缝扩大系数=1.66。对轴拉和偏拉构件，由试验结果统计得=1.9。3.长期荷载对裂缝宽度的影响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。荷载的变动，环境温度的变化，都会使钢筋与混凝土间的粘结受到削弱，导致裂缝宽度不断增大。实测得长期荷载下裂缝的扩大系数为t=1.5。4.裂缝宽度计算公式综合以上系数后长期荷载下的最大裂缝宽度为:将裂缝间距公式代入，并将有关系数合并，可得式中，cr为构件受力特征系数。受弯构件：轴心受拉构件：5.最大裂缝宽度的修正下列情况的裂缝宽度计算值应予修正:直接承受轻、中级工作制吊车的受弯构件，乘0.85;当纵筋为HRB400，乘1.10。6.裂缝间距和宽度的规律钢筋直径小、粘结好一钢筋应变不均匀系数小一裂缝间距小、裂缝宽度小一裂缝细而密钢筋直径大、粘结差一钢筋应变不均匀系数大一裂缝间距大、裂缝宽度大一裂缝粗而疏7.影响裂缝宽度的主要因素受拉钢筋应力:钢筋应力大，裂缝宽度也大。钢筋直径:裂缝宽度随钢筋直径的增大而增大。配筋率:随配筋率的增大裂缝宽度有所减小。钢筋表面形态:带肋钢筋裂宽光圆钢筋裂宽。混凝土保护层厚度:保护层越大，裂缝宽度越大。荷载性质:长期和反复作用下裂缝宽度较大。构件受力性质(受弯、受拉等)。（五）减小裂缝宽度的措施减小裂缝宽度的措施也是减小裂缝间距的措施。增大截面尺寸。增加钢筋面积，降低钢筋应力。增加粘结:采用变形钢筋或较细钢筋。从经济和效果看，采用变形钢筋或较细钢筋最为有利。工程实践中常采用限制钢筋直径和钢筋应力的办法来保证裂缝宽度的要求。(六)裂缝间钢筋应变不均匀系数由于存在粘结应力，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，其沿纵向的分布是不均匀的。裂缝处钢筋应变最大，裂缝中间钢筋应变最小，其差值反映了混凝土参与受拉工作的大小。裂缝间钢筋应变不均匀系数是反映裂缝间混凝土参加受拉工作程度的影响系数。1.钢筋应力不均匀系数图为受弯构件的弯矩与裂缝截面钢筋应变和钢筋平均应变的关系在开裂瞬间，裂缝截面混凝土退出受拉工作产生应力重分布，裂缝截面的钢筋应力和应变有一突增。随着荷载的增大，钢筋应力增加，钢筋与混凝土间的相对滑移增大，粘结逐渐遭到破坏，拉区混凝土逐渐退出工作，裂缝截面应变与平均应变的差距逐渐减小，平趋于1。2.钢筋应变不均匀系数与弯矩的关系裂缝截面钢筋应变与作用弯矩M成正比，而应变差近似与开裂时钢筋应变的增量成正比，即与开裂时截面受拉区混凝土退出的拉力大小成正比，也即与开裂时截面混凝土部分所承担的弯矩Mc成正比。故上式中成正比。因此，平可表示为Mc/M的函数。3.不均匀系数计算式式中系数0.8是考虑硅收缩影响对Mc的降低作用。近似取当1.0，取=1.0；直接承受重复荷载作用的构建，取=1.0。例题9-1：受弯构件裂缝宽度验算简支矩形截面梁截面尺寸，混凝土强度等级为C25，配置4根直径为12mm的HRB400级钢筋（As=452mm2），混凝土保护层厚度c=25mm，荷载效应标准值组合的跨中弯矩值Mk=52.5KN.m，最大裂缝宽度限值Wlim=0.3mm，试验算其最大裂缝宽度是否符合要求。例题9-1解：=0.2980.3mm满足要求三、受弯构件的变形验算（一）受弯构件抗弯刚度的特点1.均质弹性材料梁的刚度特点均布：集中：由以上两式得：均质弹性简支梁，跨中挠度计算的一般形式可表示为：2.钢筋混凝土的刚度特点由于混凝土开裂、弹塑性性能和钢筋屈服等影响，钢筋混凝土适筋梁M-必关系不再是直线，呈曲线变化二曲线点与原点连线倾角的正切，为截面抗弯刚度Bs。刚度特点:钢筋混凝土受弯构件刚度随荷载增大及作用时间增长而减小，而且愈来愈小。3.钢筋混凝土的刚度变化规律在开裂前的第I阶段，当弯矩很小时，梁基本处于弹性工作阶段，M-曲线的斜率接近换算截面抗弯刚度。达到开裂弯矩时，由于受拉区混凝土有一定的塑性变形，截面抗弯刚度略有降低，约为0.85EcIo。开裂后进入第II阶段，M-曲线发生显著转折，曲率增加较快，抗弯刚度明显降低，且随着弯矩的增加，抗弯刚度不断降低。钢筋屈服后进人第n阶段，M-曲线出现第二个转折，弯矩增加很少.而曲率激增.抗弯刚度急剧降低。（二）裂缝间钢筋和混凝土的应变分布特征刚度计算对应构件带裂缝工作阶段，裂缝处于稳定开展阶段，其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。钢筋应变沿梁轴线方向呈波浪形变化，裂缝截面处较大，裂缝中间截面较小。受压边缘混凝土应变沿梁轴线方向的分布与钢筋应变类似，也呈波浪形，但变化幅度要小得多。截耐勺中和轴高度和曲率沿梁轴线方向也呈波浪形变化，因此截面抗弯刚度沿梁轴线方向也是变化的。平均应变沿截面高度的分布符合平截面假定。（三）短期刚度公式的建立材料力学中，梁截面曲率与弯矩的关系是根据变形几何、材料物理和受力平衡关系导出的。该方法同样适用于钢筋混凝土受弯构件截面曲率与弯矩关系的分析，从而推导出抗弯刚度计算公式。由于混凝土材料物理关系的弹塑性性质，截面应力的非线性分布特征以及裂缝的影响，钢筋混凝土受弯构件的具体内容与材料力学梁有很大差别。1.截面曲率与弯矩的关系（1）几何关系:平均应变符合平截面假定（2）物理关系: （3）平衡关系:根据裂缝截面的应力分布2.刚度公式的推导3.开裂截面内力臂系数（1）试验和理论分析表明，在短期荷载效应的弯矩Msk=（0.50.7）Mu范围，裂缝截面的相对受压区高度变化很小，内力臂的变化也不大。（2）对常用的混凝土强度和配筋情况，开裂截面的内力臂系数值在0.83-0.93之间波动。（3）规范为简化计算，取=0.87。4.受压区边缘混凝土平均应变综合系数（1）矩形截面情况:根据试验实测受压边缘混凝土的压应变，可以得到系数的值。在短期弯矩Msk=（0.50.7）Mu范围，受压区边缘混凝土平均应变综合系数的变化很小，仅与配筋率有关。规范根据试验结果分析给出: (2)受压区有翼缘的截面情况在配筋率、混凝土强度和弯矩相等的条件下，其受压边缘的压应变，显然要小于矩形截面。截面刚度增大、由平衡关系得:受压翼缘加强系数：令规范根据T形截面梁的试验结果给出：5.钢筋应变不均匀系数当1.0时，取=1.0；直接承受重复荷载作用的构件，取=1.0。有效受拉截面混凝土截面面积计算的受拉钢筋配筋率。为有效受拉混凝土截面面积，对受弯构件取：6.短期荷载作用下的抗弯刚度在短期弯矩Msk=（0.50.7）Mu范围，三个参数中，和为常数，而随弯矩增长而增大。（四）长期荷载作用下的抗弯刚度由钢筋混凝土的刚度特点可知:BsBS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。器根据长期试验观测结果，长期挠度与短期挠度的比值可按下式计算:1.长期荷载下挠度增大系数计算公式：当当当按线性内插一般情况取2.0。对翼缘位于受拉区的倒T形截面.砖退出工作的影响较大，应增大20%,，但若得出的挠度比按矩形截面计算还大，应按矩形截面计算。干燥地区，因收缩影响较大，增大15-20%。因水泥用量较多，混凝土收缩徐变较大的构件，酌情增大。2.长期荷载作用下的抗弯刚度长期挠度=短期荷载挠度+长期荷载挠度设短期荷载与长期荷载的分布形式相同，则在Mk作用下的长期挠度为：（五）受弯构件的挠度变形验算1.最小刚度原则弯矩沿梁轴是变化的，故抗弯刚度也是变化的。按变刚度梁来计算挠度变形很麻烦。规范为简化，刚度取同号弯矩区段的最大弯矩截面处的刚度，并按等刚度梁计算。按最小刚度原则的挠度简化计算结果比按变刚度梁的理论值略偏大。但靠近支座处的赴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，因此按最小刚度计算的结果与实测结果的误差很小。3.提高受弯构件抗弯刚度的措施从刚度计算公式可知:有效措施是增加截面高度。增加纵向受拉钢筋截面面积。提高混凝土强度等级。采用预应力混凝土构件也是提高受弯构件刚度的有效措施。例题9-2：受弯构件的挠度计算简支矩形截面梁截面尺寸bxh=250mmx600mm，混凝土强度等级为C30，配置418HRB纵向受拉钢筋（As=1017mm2），混凝土保护层c=25mm，承受均布荷载，按荷载效应的标准组合计算的跨中弯矩值Mk=120KN.m，按荷载效应的准永久组合计算的跨中弯矩值Mq=80KN.m，梁的计算跨度l0=6.5m。挠度极限为l0/250。试验算是否符合要求。例题9-2解1：计算参数例题9-2解2：刚度及变形计算四、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，满足在规定的设计使用年限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讯计使用年限内，在正常维护条件下，不需要进行大修和加固，而满足正常使用和安全功能要求的能力。（一）混凝土结构耐久性问题一个国家的工程建设大体上将经历三个阶段:(1)大规模建设;(2)新建与改建、维修并重;(3)重点转向既有建筑物的维修改造。我国正经历第二阶段，而发达国家已处于第三阶段，这时结构因耐久性失效，或为保证继续正常使用而付出巨大维修代价的问题将日益突出。我们应未雨绸缪，高度重视耐久性问题。（二）影响混凝土结构耐久性的因素影响因素：结构设计 材料性质 施工质量 环境条件内在条件： 混凝土孔结构（孔径和孔的分布）影响机理：水、空气、溶解物在砼空隙和裂缝中的迁移 混凝土劣化 钢筋劣化 物理作用 化学作用 钢筋锈蚀 承载力下降 刚度降低 表面损伤 耐久性性能 结构安全性 使用功能 外观物理作用冻融循环破坏过冷的水在混凝土中迁移引起水压力以及水结冰产生体积膨胀，对混凝土孔壁产生拉应力造成内部开裂。混凝土磨损破坏如路面、水工结构等受到车辆、行人及水流夹带泥沙的磨损，使混凝土表面粗骨料突出，影响使用效果。化学作用环境中的侵蚀物质与混凝土中的反应物质相遇产生的化学反应，从其破坏机理来分，有两类:溶解性侵蚀膨胀性侵蚀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、为得到必要的和易性，往往会比水泥水化所需水多些，多余的水份滞留在混凝土毛细孔中，低温时结冰产生体积膨胀，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。2.混凝土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一硅酸盐凝胶，吸水后会产生膨胀，体积可增大3-4倍，从而混凝土的剥落、开裂、强度降低，甚至导致破坏。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。（三）混凝土的碳化1.混凝土的碳化概念混凝土中碱性物质，使钢筋表明形成氧化膜，有效地保护钢筋，防止钢筋锈蚀。大气中的五氧化碳(CO2)及其他物质(如Sq、 Hi，与混凝土中的碱性物质发生反应，使混凝土的Phi值降低，这就是混凝土的碳化。混凝土的碳化是混凝土结构耐久性的重要问题。2.混凝土碳化的影响及其因素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。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。3.减小混凝土碳化的措施减小、延缓混凝土的炭化可有效提高结构的耐久性，其主要措施有:合理设计混凝土的配合比；提高混凝土的密实性、抗渗性；规定钢筋保护层的最小厚度；采用覆盖面层；水泥砂浆和涂料等。（四）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。1.钢筋锈蚀的影响当混凝土未碳化，由于水泥的高碱性，钢筋表面形成致密氧化膜，阻止了钢筋锈蚀电化学过程。2.钢筋锈蚀引起的结构损伤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。3.钢筋锈蚀的条件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库立体发展。4.防止钢筋锈蚀的措施锈蚀程度与荷载横向裂缝宽度无明显关系。因为钢筋锈蚀是一个电化学过程，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。防止钢筋锈蚀措施是增加混凝土密实性和保护层厚度。或采用涂面层、钢筋阻锈剂、涂层钢筋等。（五）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，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。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压。不允许钢筋锈蚀的构件和环境：预应力混凝土构件;低温环境;反复荷载作用;塑性铰区:采用钢丝作为主要受力钢筋的构件;重要的、有纪念性的建筑物。1.耐久性极限状态对于不允许钢筋锈蚀的构建和环境，混凝土保护层完全碳化，即钢筋脱钝的时间T1。钢筋锈蚀后截面损失率达到某一值(如1-5%)的时间T2，可依耐久性等级而定。结构或构件的可靠指标降低到某一允许值T3。徐变位移达到某一限值。以上是针对正常大气环境下工作的结构，对于在恶劣环境中工作的结构，应按特殊情况考虑。2.结构的寿命对结构寿命的计算是一个很困难的问题，目前主要基于混凝土碳化和钢筋锈蚀所需要时间估计: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TI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TI+T2+T3。（六）耐久性设计耐久性概念设计的目的:在规定的设计使用年限内，在正常维护下，必须保持适合于使用，满足既定功能的要求。耐久性概念设计的基本原则:根据结构的环境类别和设计使用年限进行设计;1.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用寿命短。对不同环境，可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不经济，效果也不一定好。可在构件表面采用防护涂层。2.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，规范规定了最小保护层厚度。四、五类环境的建筑结构，应按专门规定考虑。纵向受力钢筋的混凝土保护层最小厚度环境类别板、墙、壳梁柱C50C50C50一201515302525303030二a20202030303030b25202035303530三30252540354035当对结构设计工作寿命有更高要求时(100年)，混凝土保护层厚呼将表中数值乘以1.4或采用表面防护，定期维修等措施。环境类别说明一室内正常环境、二a 室内潮湿环境；非严寒和非寒冷地区的露天环境、与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境b 严寒和寒冷地区的露天环境、与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境三使用除冰盐的环境；严寒和寒冷地区冬季水位变动的环境；滨海室外环境；四海水环境五受人为或自然的侵蚀性物质影响的环境注：严寒和寒冷地区的划分应符合国家现行标准民用建筑热力设计规程（JGJ24）规定。(2)对混凝土的要求混凝土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。若混凝土中氯离子含量过大，则会对钢筋锈蚀有恶劣影响。混凝土中的碱含量过大会产生碱一集料反应，引起混凝土的开裂，对耐久性也将产生不利影响。结构混凝土耐久性的基本要求环境类别最大水灰比最小水泥用量Kg/m3最低砼强度等级最大氯离子含量%最大碱含量Kg/m3一0.65225C201.0不限制二0.60250C250.33.00.55275C300.23.0三0.50300C300.13.0注：1.氯离子含量系指其占水泥用的百分比； 2.预应力构件混凝土中的最大氯离子含量为0.06%，最小水泥用量为300kg/m3，最低混凝土强度等级应按表中规定提高两个等级 3.素混凝土构件的最小水泥用量不应小于表中数值减25kg/m3； 4.当混凝土中加入活性掺合料或能提高耐久性的外加剂时，可适当降低最小水泥用量。 5.当有可靠工程经验时，处于一类和二类环境中的最低混凝土强度降低一个等级； 6.当使用非碱活性骨料时，对混凝土中的碱含量可不做限制。 (3)控制裂缝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。(4)结构设计技术措施未经技术鉴定和设计许可，不能改变结构的使用环境和用途。对使用环境较差的构件，宜设计成更换或宜更换构件。宜根据环境类别，规定维护措施及检查年