建筑各种结构特点及对比PPT课件.ppt

建筑结构与识图指导教师 郑新志 1 第一章概论 本章主要内容 1 1建筑结构的概念及在建筑物中的功能1 2建筑结构的特点及应用1 3结构的极限状态设计方法1 4混凝土结构耐久性规定1 5建筑结构课程的内容 任务和学习方法 2 1 1建筑结构的概念及在建筑物中的功能 1 建筑结构的概念建筑结构是建筑物的基本组成部分 是用一定的材料建造成的具有足够抵抗能力的空间骨架 用于抵御自然界可能发生的各种作用力 和建筑物是分不开的有机整体 3 1 1建筑结构的概念及在建筑物中的功能 2 建筑结构的类型钢筋混凝土结构钢结构 1 按建筑材料划分砌体 包括砖砌块 石等 结构木结构塑料结构充气结构墙体结构框架结构深梁结构筒体结构 2 按结构型式划分拱结构网架结构空间薄壁 包括折板 结构钢索结构舱体结构 4 1 1建筑结构的概念及在建筑物中的功能 2 建筑结构的类型单层结构 多用于单层工业厂房 食堂等 3 按体型划分多层结构 一般2 7层 高层结构 一般8层以上 大跨结构 跨度大约在40 50m以上 5 图1 1建筑结构的各种形式 a 墙体结构 b 框架结构 c 深梁结构 d 筒体结构 e 拱结构 f 网架结构 g 空间薄壁结构 h 钢索结构 i 折板结构 6 1 1建筑结构的概念及在建筑物中的功能 3 结构所要解决的问题 1 使骨架形成的空间能良好地服务于人类生活 生产的要求和人类对美观的需要 前者是物质的 后者是精神的 这是结构之所以存在的根本目的 2 结构要抵御自然界各种作用力 地心吸力 风力 地震力等 因而需要有抵抗力的功能 这是结构之所以存在的根本原因 7 1 1建筑结构的概念及在建筑物中的功能 3 怎样充分发挥所采用材料的作用 这是结构的另一重要功能 材料是结构之所以存在的根本条件 4 结构所要解决的问题还有其它表现 如连接构造问题 经济问题等 8 1 2建筑结构的特点及应用 9 1 2 1结构的特点 1 混凝土结构优点 1 强度高 2 耐久性好 3 耐火性好 4 可模性好 5 整体性好 6 易于就地取材 缺点 结构自重大 抗裂性较差 一旦损坏修复比较困难 施工受季节环境影响较大等 10 1 2 1结构的特点 2 砌体结构优点 1 可就地取材 2 具有很好的耐火性 较好的化学稳定性和大气稳定 3 一般较钢筋混凝土结构可以节约水泥和钢材 可以节约木材 可连续施工 4 采用砌块或大型板材作墙体时 可以减轻结构自重 加快施工进度 进行工业化生产和施工 11 2 砌体结构缺点 1 自重大 2 砌筑工作相当繁重 3 砂浆和砖石间的粘结力较弱 4 粘土砖用量很大 往往占用农田 影响农业生产 5 砌块结构造价略高于砖石结构 1 2 1结构的特点 12 1 2 1结构的特点 3 钢结构优点 1 钢结构自重轻而承载力高 2 钢材最接近于匀质等向体 3 钢材的塑性和韧性好 4 钢材具有可焊性 5 钢结构具有不渗漏的特性 6 钢结构制造工厂化 施工装配化 缺点 1 钢材耐腐蚀性差 应采取防护措施 2 钢结构耐热性能好 但防火性能差 13 14 1 2 1结构的特点 15 1 2 2结构的应用 1 混凝土结构的工程应用 1 房屋建筑工程 2 桥梁工程 3 特种结构与高耸结构 4 水利及其他工程 16 17 18 2 砌体结构 1 一般民用建筑中的基础 内外墙 柱 过梁 屋盖和地沟等构件 2 在工业厂房中 用来砌筑围护墙 烟囱 料斗 地沟 管道支架 对渗水性要求不高的水池等特殊结构 3 农村建筑如猪圈 粮仓等 4 在交通运输方面 砌体结构除可用于桥梁 隧道外 各式地下渠道 涵洞 挡土墙也常用砌筑 5 在水利建设方面 可以用石料砌筑坝 堰和渡槽等 1 2 2结构的应用 19 3 钢结构 1 重型工业厂房 2 大跨度结构 3 高耸结构和高层建筑 4 受动力荷载作用的结构 5 可拆卸和移动的结构 6 容器和管道 7 轻型钢结构 8 其他建筑物 1 2 2结构的应用 20 21 22 23 24 1 3结构的极限状态设计方法 25 1 3 1建筑结构的功能要求与极限状态 1 结构的功能要求结构设计的基本目的 采用最经济的手段 使结构在规定的时间内和规定的条件下 完成各项预定功能的要求 规定的时间 是指我国 建筑结构设计统一标准 GBJ68 84 规定的结构设计基准期 T 我国取T 50年 规定的条件 是指正常设计 正常施工 正常使用的条件 即不考虑人为的过失 各项预定功能 包括结构的安全性 适用性和耐久性 26 1 3 1建筑结构的功能要求与极限状态 结构各项预定功能的具体要求如下 1 安全性结构在规定的条件下 应该能够承受可能出现的各种作用 包括荷载 外加变形 约束变形等作用 而且 在偶然荷载作用下或偶然事件发生时 如地震 强风 爆炸等 结构应能保持必要的整体稳定性 不致倒塌 2 适用性结构在正常使用时应能满足预定的使用要求 具有良好的工作性能 其变形 裂缝或振动等均不超过规定的限度 3 耐久性结构在正常使用 正常维护的情况下应有足够的耐久性能 不致因材性变化或外界侵蚀而影响预期的使用年限 27 1 3 1建筑结构的功能要求与极限状态 以上三个方面的功能总称为建筑结构的可靠性 结构的可靠性用可靠度来进行定量描述 即结构在规定的时间内 在规定的条件下 完成预定功能的概率 称为结构的可靠度 结构的可靠度是衡量结构可靠性的重要指标 结构可靠性越高 建设造价投资越大 如何在结构可靠与经济之间取得均衡 就是设计方法要解决的问题 28 1 3 1建筑结构的功能要求与极限状态 2 结构的极限状态结构在使用期间的工作情况称为结构的 工作状态 结构能够满足功能要求而良好地工作称为结构 可靠 或 有效 反之则结构 不可靠 或 失效 区分结构工作状态的可结与失效的标志是 极限状态 极限状态 若整个结构或结构的一部分超过某一特定状态 就不能满足设计的某一功能要求 则此特定的状态就称为该功能的极限状态 极限状态是结构失效与可靠之间的临界状态 29 1 3 1建筑结构的功能要求与极限状态 1 承载能力极限状态这类极限状态对应于结构或结构构件 包括连接 达到最大承载力或达到不能承载的过大变形 当结构或结构构件出现下列情况之一时 即认为超过了承载能力极限状态 1 整个结构或结构的一部分作为刚体失去了平衡 2 结构构件或其连接因超过材料强度而破坏 包括疲劳破坏 或因过度的塑性变形而不能继续承载 3 结构或构件某些截面发生塑性转动 从而使结构变为机动体系 4 结构或构件丧失稳定 如细长压杆达到稳定临界荷载后压屈失稳破坏 30 1 3 1建筑结构的功能要求与极限状态 31 1 3 1建筑结构的功能要求与极限状态 2 正常使用极限状态这类极限状态对于结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值 当结构或结构构件出现下列状态之一时 即认为超过了正常使用极限状态 1 影响正常使用或有碍观瞻的变形 2 影响正常使用或耐久性能的局部破坏 3 影响正常使用的振动 4 影响正常使用的其它特定状态 32 1 3 1建筑结构的功能要求与极限状态 上述两类极限状态中 承载能力极限状态 结构的安全性功能正常使用极限状态 结构的适用性功能和耐久性功能根据上述两类极限状态设计的要求 对于一般结构或构件 均应进行承载力计算 稳定计算和刚度计算 至于是否还要进行疲劳 倾覆或滑移计算 以及抗裂度及裂缝宽度验算 则需根据不同的结构 不同的受力特点 不同的使用要求等具体情况而定 33 1 3 1建筑结构的功能要求与极限状态 3 作用效应S和结构抗力R作用 指使结构产生内力 变形 应力 应变的所有原因 作用分为 直接作用 指施加在结构上的集中荷载和分布荷载 即永久荷载和可变荷载等 间接作用 指引起结构外加变形和约束变形的其他作用 如地震作用 基础沉降 混凝土收缩 温度变化 焊接变形等 34 1 3 1建筑结构的功能要求与极限状态 作用效应S指荷载 地震 温度 不均匀沉降等因素作用于结构构件上 在结构内所产生的内力和变形 如轴力 弯矩 剪力 扭矩 挠度 转角和裂缝等 当 作用 为 荷载 时 其效应也可称荷载效应 荷载与荷载效应之间一般可按线性关系考虑 即S CQ式中 常数C为荷载效应系数 由于结构上的作用是不确定的随机变量 所以作用效应一般说来也是一个随机变量 35 1 3 1建筑结构的功能要求与极限状态 结构抗力R整个结构或结构构件承受内力和变形的能力 如构件的承载能力 刚度等 结构构件抗力是材料性能 温度 变形模量等物理力学性能 几何参数以及计算模式的函数 考虑到材料的变异性 构件几何特征的不定性和计算模式的不定性 由这些因素综合而成的结构抗力也是一个随机变量 36 1 3 1建筑结构的功能要求与极限状态 4 结构的功能函数及极限状态方程结构的功能函数 结构构件的工作状态可以用作用效应S和结构抗力R的关系式来描述 这种表达式称为结构的功能函数 以Z表示这个函数 当结构处于极限状态时的表达式称为极限状态方程 R S可表示为Z R S g R S 37 1 3 1建筑结构的功能要求与极限状态 可以用来表示结构的三种工作状态 当Z 0时 结构处于可靠状态 当ZS是非确定性问题 38 1 3 1建筑结构的功能要求与极限状态 39 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 1 结构可靠度理论 1 随机变量的分析和处理1 随机变量的参数统计 平均值 1 1 式中 第i个随机变量值 随机变量的个数 40 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 2 标准差 1 2 3 变异系数 1 3 41 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 2 正态分布曲线结构的作用 作用效应和抗力的实际分布情况是很复杂的 但统计分析表明 它们有的服从正态分布 有的通过数学变换可以化为当量正态分布 正态分布曲线是数理统计中最常用的曲线 图2 1 42 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 曲线方程式中 随机变量 随机变量的频率密度 即随机变量在横坐标某一区段上出现的百分率 或称频率 与该区段长度的比值 43 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 曲线特征a 曲线对称于 b 曲线只有一个峰值点 c 当趋于或时 趋于零 d 对称轴左右两边各有一个反弯点 反弯点距峰值点水平距离为 它也对称于对称轴 44 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 特征值我们通常要求出现的事件不大于或不小于某一数值 这个数值就称为特征值 1 5 式中 特征值 与特征值取值保证率相应的系数 45 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 图1 3概率分布与特征值 46 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 2 结构的可靠度 失效概率 可靠指标概率极限状态设计法又称近似概率法 近似概率法的基本概念是从概率的观点来研究结构的可靠性 把结构在规定的时间内 在规定的条件下完成预定功能的可能性大小用概率来表示 并定义这概率为结构的可靠度 结构可靠度就是结构可靠性的概率度量 47 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 结构能够完成预定功能 R S 的概率即为 可靠概率 不能完成功能 R S 的概率即为 失效概率 显然二者是互补的 即 1 6 48 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 假定功能函数中仅包含两个正态分步的基本变量R和S 且相互独立 由于R和S是正态分布的随机变量 其平均值和标准差分别为 和 所以功能函数也是正态分布 其平均值和标准差分别为 1 7 49 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 Z 0部分的面积就是失效概率Pf 即Pf P Z 0 结构的失效概率Pf与功能函数Z的平均值至原点的距离有关 令 由图可见与Pf之间存在着相应的关系 小Pf则大 值大则Pf小 因此和Pf一样 可作为衡量结构可靠性的一个指标 故称为结构的 可靠指标 可靠指标与结构失效概率之间有一定的对应关系 50 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 表1 1表 51 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 3 目标可结指标及安全等级根据建筑结构的重要性不同 即一旦结构发生破坏对生命财产的危害程度以及对社会影响的不同 统一标准 将建筑结构划分为三个安全等级 破坏后果很严重的重要建筑物 安全等级为一级 破坏后果严重的一般工业与民用建筑为二级 破坏后果不严重的次要建筑为三级 其相应的承载能力极限状态的目标可靠指标见下表1 2 52 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 表1 2不同安全等级的目标可靠指标 53 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 4 概率设计法当荷载 作用 的效应S及结构的抗力R的概率模型和统计参数为已知时 可利用公式 1 8 计算 对于一般常见结构 直接采用目标可靠指标值来进行设计是没有必要的 过于繁琐 我国规范采用分项系数的设计表达式 54 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 2 分项系数设计法 1 分项系数研究表明 目标可靠度指标 可以通过三个分项系数来表达 这三个分项系数是 结构重要性系数 材料分项系数 荷载分项系数 55 2020 1 27 56 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 1 结构重要性系数考虑建筑物破坏后果 危机人的生命 造成经济损失 产生社会影响等 的严重性 在计算结构件截面承载力时引入与建筑物安全等级有关的分项系数 即结构重要性系数 其取值见下表 表1 3结构重要性系数 57 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 2 材料分项系数 材料强度的标准值材料的强度检验指标就是材料强度的标准值 用表示 强度标准值是材料强度的主要依据 也是生产中对材料强度提出质量要求的主要依据 主要用于正常使用极限状态验算 各种材料强度标准值详见附录 材料分项系数材料分项系数等于材料强度的标准值与材料强度的设计值之比值 其值大于1 亦即材料强度的设计值等于它的标准值除以材料分项系数 而材料分项系数是大于1的 故材料强度的设计值小于它的标准值 58 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 混凝土的强度设计值 1 9 钢筋的强度设计值 1 10 砌体的强度设计值 1 11 式中 混凝土的材料分项系数 取为1 4 钢筋的材料分项系数 其取值与钢筋的种类和级别有关 例如热轧 级钢筋 1 15 热轧 级钢筋 1 1 砌体结构的材料性能分项系数 一般情况下 宜按施工控制等级为B级考虑 取1 6 当为C级时 取1 8 59 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 3 荷载分项系数荷载是指结构上的直接作用 荷载的基本分类是按荷载随时间的变异情况来进行的 有恒荷载 活荷载和偶然荷载三类 恒荷载 也称永久荷载 用符号G表示 在结构使用期间 其值不随时间变化 或其变化与平均值比可以忽略不计 或其变化是单调的并能趋于限制的荷载 例如结构自重 土压力 预应力等活荷载 也称可变荷载 用符号Q来表示 在结构使用期间 其值随时间变化 且变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载 例如楼面活荷载 屋面活荷载和积灰荷载 吊车荷载 风荷载 雪荷载等 偶然荷载 在结构使用期间不一定出现 一旦出现 其值很大且持续时间很短的荷载 例如爆炸力 撞击力等 60 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 荷载的代表值荷载的主要代表值有标准值 组合值 频遇值和准永久值 建筑结构设计时 对不同荷载采用不同的代表值 恒荷载 标准值 活荷载 根据设计要求标准值 组合值 频遇值或准永久值 偶然荷载 按建筑结构使用特点确定 61 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 荷载标准值加下角码K表示 是荷载的基本代表值 正常使用极限状态验算结构构件短期的变形以及抗裂或裂缝宽度时 都采用荷载的标准值 恒荷载的标准值 对结构自重 可按结构构件的设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定 对于自重变异较大的材料和构件 如现场制作的保温材料 混凝土薄壁构件等 自重的标准值应根据对结构的不利状态 取上限值或下限值 常用材料和构件可参考附录 活荷载的标准值 其中楼面活荷载 屋面活荷载和积灰荷的标准值见附录采用 62 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 风荷载作用于建筑物的外表面 对建筑物的表面形成压力或吸力 风荷载的大小与房屋高度 房屋体型及周围环境等因素有关 作用在房屋上的风荷载标准值按下式计算 1 12 63 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 式中 风荷载标准值 kN Z高度处的风振系数 它是考虑脉动风压对结构产生不利影响的系数 按荷载规范规定取值 风载体型系数 它与建筑物的体型 尺寸等几何性质有关 按荷载规范规定的图表确定 风压高度变化系数 它与建筑物的高度及建筑场地的地面粗糙程度有关 按荷载规范规定表格确定 基本风压 kN 按 建筑结构荷载规范 给出的50年一遇的风压采用 但不得小于0 3kN 64 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 雪荷载作用在屋面上 屋面水平投影面上的雪荷载标准值按下式计算 1 13 式中 雪荷载标准值 kN 屋面积雪分布系数 它与屋面类别有关 按荷载规范规定图表确定 基本雪压 kN 基本雪压应按 建筑结构荷载规范 中给出的50年一遇的雪压采用 65 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 荷载组合值这是对活荷载而言的 当作用在结构上的活荷载不只一个而是两个或两个以上时 各个活荷载都同时达到各自的标准值 其可能性是不大的 因此一般情况下可以减小一些 为了方便 采用荷载组合值系数乘以活荷载的标准值来表达活荷载的组合值 1 荷载组合值主要用于承载能力极限状态的基本组合中 也用于正常使用极限状态的短期效应组合中 66 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 荷载准永久值对活荷载中出现的频率比较大 持续时间比较长的那部分活荷载要考虑其荷载长期效应的影响 为了方便 采用准永久值系数乘以活荷载的标准值来表达上述的那一部分活荷载 称为荷载的准永久值 1 各种活荷载的准永久值系数取值详见附录 荷载准永久值主要用于正常使用极限状态的长期效应组合 67 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 荷载分项系数荷载分项系数等于荷载的设计值与荷载的标准值的比值 一般情况下大于1 即荷载的设计值等于荷载分项系数乘以荷载的标准值 荷载分项系数一般大于1 故一般情况下 荷载的设计值大于它的标准值 在按第一类极限状态 即承载能力极限状态验算结构构件时 都采用荷载的设计值 恒荷载的设计值 1 14 活荷载的设计值 1 15 68 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 a恒荷载的分项系数的取值 当其效应对结构不利时 对由可变荷载效应控制的组合 1 2 对由永久荷载效应控制的组合 1 35 当其效应对结构有利时 1 0 验算倾覆和滑移时 0 9 69 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 b活荷载的分项系数的取值一般情况下 1 4楼面活荷载标准值 4时 1 3 70 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 2 实用设计表达式1 承载能力极限状态设计表达式 1 16 式中 重要性系数 S 荷载效应组合的设计值 R 结构构件抗力的设计值 71 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 对于基本组合 荷载效应组合的设计值应从下列组合值中取最不利值确定 可变荷载效应控制的组合 1 17 永久荷载效应控制的组合 1 18 72 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 对于一般排架 框架结构 基本组合可采用简化规则 并应按下列组合值中取最不利值确定 可变荷载效应控制的组合 1 19 1 20 永久荷载效应控制的组合 73 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 74 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 2 正常使用极限状态表达式对于正常使用极限状态 应根据不同的设计要求 采用荷载的标准组合 频遇组合或准永久组合 设计表达式如下 S 1 21 式中 C 结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值 例如变形 裂缝 振幅 加速度 应力等的限值 应按各有关建筑结构设计规范的规定采用 75 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 三类荷载组合公式 正常使用极限状态的标准组合公式 1 22 正常使用极限状态的频遇组合公式 1 23 正常使用极限状态的准永久组合公式 1 24 76 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 式中符号含义同上 可变荷载的组合值系数 其值详见附录 可变荷载的频遇值系数 其值详见附录 可变荷载的准永久值系数 其值详见附录 77 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 正常使用极限状态的荷载组合直接算式实际工程中述及的正常使用极限状态 主要用于下列三种情况 构件的挠度及裂缝宽度计算 高层建筑的层间位移计算 地基土的承载力和沉降缝验算 78 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 构件的挠度及裂缝宽度计算 计算构件的挠度及裂缝宽度时荷载组合的直接算式钢梁的挠度计算 标准组合 1 25 钢筋混凝土梁的挠度及裂缝宽度分别按下列公式计算 标准组合 1 26 准永久组合 1 27 式中 可变荷载 楼面活荷载 的准永久值系数 按 荷载规范 取用 详见附录 一般取0 3 0 5 79 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 高层建筑的层间位移计算 计算高层建筑层间位移时荷载组合的直接算式由于 高层规程 及 高钢规程 规定的层间位移角限值 是针对单一的风荷载或水平地震作用情况下的层间位移 因此可不与永久荷载及其他可变荷载进行组合 风荷载作用下 1 28 80 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 地基土的承载力和沉降缝验算 验算地基土的承载力及按单桩承载力确定桩数时 地基规范 对此规定按正常使用极限状态下 取用荷载效应的标准组合 楼面活荷载为主要可变荷载时 1 29 风荷载为主要可变荷载时 1 30 对于式 1 29 及式 1 30 中的 地基规范 中未规定 按 荷载规范 的规定可乘以楼面活荷载折减系数 详见附表 对此 建议在式 1 29 30 中予以考虑 81 1 3 2概率极限状态设计法及其实用表达式 验算地基土的沉降量时 地基规范 对此规定按正常使用极限状态下 取用荷载效应的准永久组合 1 31 式中 准永久值系数 按 荷载规范 的规定取值 一般楼面活荷载取0 3 0 5 不考虑风荷载的效应 82 1 4混凝土结构耐久性规定 83 1 4混凝土结构耐久性规定 1 4 1混凝土结构的耐久性问题1 4 2延长混凝土结构使用年限的措施1 4 3混凝土结构的耐久性设计及耐久性规定 84 1 4混凝土结构耐久性规定 1 4 1混凝土结构的耐久性问题混凝土结构的耐久性问题可分成钢材问题和混凝土问题两大类 1 钢材问题 钢筋的锈蚀 氢脆 应力腐蚀 疲劳 低温脆断等 2 混凝土问题 碱骨料反应和环境作用 环境作用可分成化学物质侵蚀 冻融损伤 机械物理损伤等 85 1 4 1混凝土结构的耐久性问题 1 钢筋的锈蚀问题钢筋锈蚀是混凝土结构最常见和量最大的耐久的问题 在下列三种情况下钢筋表面的钝化膜可遭到破坏 混凝土碳化 中性化 混凝土遭受氯污染和环境中缺氧 86 1 4 1混凝土结构的耐久性问题 2 钢筋的其他问题除了锈蚀问题外 钢筋还有氢脆 低温冷脆 应力腐蚀和疲劳等问题 1 氢脆是指氢原子进入钢筋的内部 使钢筋局部产生较高的内应力 产生脆断 2 低温冷脆是钢结构常见的问题 北方室外的钢结构 如桥梁 钢储仓等 有出现低温冷脆破坏的事例 钢筋混凝土结构也会出现低温冷脆的问题 主要出现在钢筋搭接不合理和出现应力集中的部位 3 应力腐蚀破坏使钢材在高应力状态下的腐蚀断裂破坏 87 1 4 1混凝土结构的耐久性问题 3 混凝土的冻融破坏概念 在环境温度下降和升高的作用下 混凝土孔隙中的溶液冻结与融化会使混凝土产生冻融破坏 这种破坏是混凝土微观结构损伤的逐渐积累造成的宏观破坏 破坏的前期是混凝土强度降低 弹性模量降低 接着是混凝土由表及里的剥落 我国部分地区地区室外混凝土结构存在冻融损伤问题 北方问题更为明显 特别是与环境水接触较多的结构和构件问题相对严重 如电厂的通风冷却塔 水厂的水池 建筑物外露的阳台 水工结构 港工结构等 当混凝土孔隙溶液中含有一定量氯离子时 混凝土的冻融破坏加剧 一般陈之为 盐冻 海港工程 使用化冰盐的混凝土高速公路 城市立交桥和停车场等均有这类问题 88 1 4 1混凝土结构的耐久性问题 4 化学物质的侵蚀化学物质的侵蚀可分成酸性侵蚀 碱侵蚀和硫酸盐侵蚀三大类 1 酸性物质对混凝土中水泥水化物有侵蚀作用 使其中的氢氧化钙变成可溶性的钙盐 使混凝土丧失强度 典型的酸性物质侵蚀的损伤特征为 混凝土呈黄色 水泥水化物剥落 粗骨料外露或剥落 2 固体的碱对混凝土的侵蚀作用较小 而熔融状的碱或碱的浓溶液对水泥的水化物有侵蚀作用 其侵蚀作用主要有化学侵蚀和结晶侵蚀 化学侵蚀是碱溶液与水泥水化物之间产生化学反应 生成胶结力不强且易为碱液浸析的产物 结晶侵蚀是有碱溶液渗入混凝土的孔隙 形成具有膨胀力的结晶体 使混凝土被胀裂并逐渐剥落 89 1 4 1混凝土结构的耐久性问题 3 硫酸盐一般是指硫酸钠和硫酸镁等 硫酸盐通常存在于地下水和土壤中 硫酸盐是海水中主要的化学成分之一 一些工业厂房中硫酸盐侵蚀也比较严重 硫酸盐溶液与水泥水化物中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 使混凝土被胀裂并逐渐剥落 90 1 4 1混凝土结构的耐久性问题 5 碱骨料反应碱骨料反应是指水泥水化过程中释放出来的碱金属与骨料中的碱活性成分发生化学反应造成的混凝土破坏 破坏形式主要有两种 碱一硅酸反应和碱一碳酸盐反应 碱一硅酸反应是指碱性溶液与骨料中的硅酸类物质发生反应 形成凝胶体 凝胶体与混凝土中的氢氧化钙及其他水泥水化物中的钙离子反应生成钙硅或碱一钙一硅混合物 这种混合物吸水后体积膨胀 使周围的水泥石受到较大的应力而产生裂缝 91 1 4 1混凝土结构的耐久性问题 6 其他损伤除了上述问题外 混凝土还会有机械物理损伤 大气侵蚀 生物侵蚀 溶蚀等问题 1 机械物理损伤包括磨损 空蚀 冲撞等 2 沿混凝土表面高速流动的气体或水流会产生负压区 在负压区的混凝土会产生空蚀破坏 破坏的特征是成片的混凝土手拉破坏 3 在工业建筑中和道桥上经常出现冲撞损伤 4 大气侵蚀作用除了酸雨 空气污染的损伤外 长期的雨水冲淋和风沙影响也会造成混凝土的损伤 5 长期浸泡在流动的水中的混凝土 其氢氧化钙等有效成分会被水溶解并带走 使混凝土的强度减低 随后产生破坏 6 生物损伤常见于海洋环境和城市排污工程 92 1 4 1混凝土结构的耐久性问题 7 耐久性问题的特点 多数损伤发展的速度较慢 往往需要若干年甚至几十年的时间 耐久性问题是多种因素共同影响的结果 大多数损伤是由构件表面开始的 所以有人称耐久性问题是 混凝土结构的皮肤病 93 1 4 2延长混凝土结构使用年限的措施 1 避免水分的侵袭 1 大多数混凝土结构的耐久性问题都与水有关 在干燥环境中 即使保护层混凝土完全碳化 钢筋也不会锈蚀 2 水是氯离子及其他有害化学物质进入混凝土内部的载体 3 干燥的混凝土冻融破坏和碱骨料反应的速度极慢 4 解决环境水问题的主要措施是减少水分与构件接触的构造措施和排水措施 构件表面涂刷防水涂料 设置装饰层 防雨水挑檐 防溅隔板以及檐口的滴水等都可起到防止水与构件接触的作用 尽快排水可避免水分侵入混凝土内部较深和很快干燥 减少其影响深度和作用时间 94 1 4 2延长混凝土结构使用年限的措施 2 减小混凝土的渗透性作用 减小混凝土的渗透性主要是使混凝土内部贯通的毛细孔的直径减小 数量减少 使有物质扩散的速度减慢 措施 提高混凝土的强度等级 降低混凝土拌和物的水灰比 确保振捣密实 使用合适的掺合料和外加剂等都可以减少混凝土的渗透性 在施工时 将混凝土表面压光可将毛细孔阻断 是一种经济有效的减小混凝土渗透性的措施 95 1 4 2延长混凝土结构使用年限的措施 3 使用与维护结构的使用方也是决定结构耐久性的主要方面 作用有三种 1 不随便改变结构的用途 2 避免对结构或构件造成人为的损伤 3 定期检查与维修 96 1 4 3混凝土结构的耐久性设计及耐久性规定 1 使用环境分类影响耐久性的最重要因素是环境 环境分类应根据其对混凝土结构耐久性的影响而确定 根据我国的统计调查并参考国外标准规范 环境分类如附表12所示 它是耐久性设计的主要依据 第一类环境与原规范中的 室内正常环境 相同 第二a类环境与原规范 露天或室内高湿度环境 相当 但增加了 与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境 这一情况 以作为地下室及浸水情况的耐水性考虑 此外第二a类环境排除了冻融循环对于露天环境的考虑 97 1 4 3混凝土结构的耐久性设计及耐久性规定 第二b类环境是新增加的 其考虑了严寒与寒冷地区冻融循环对于露天结构及与水或土壤接触的混凝土结构耐久性的影响 严寒和寒冷地区的划分应根据国家标准 民用建筑热工设计规范 GB50176的规定 第三类环境为较不利的侵蚀性环境 使用除冰盐以及滨海室外遭受海风盐雾侵蚀的环境 由于氯离子的侵入易使钢筋锈蚀 而水位变动区域加上严寒和寒冷地区冬季的反复冻融 往往对混凝土造成很大的损伤 因此 对此类环境中的混凝土结构 应有更严格的耐久性要求 98 1 4 3混凝土结构的耐久性设计及耐久性规定 第四类环境等级为海水环境 有关其详细的定义及耐久性要求 由 港口工程技术规范 JTJ228及JTJ229确定 因属于专业规范的范畴 新规范不再详述 第五类环境等级为化学腐蚀环境 由于化学腐蚀的机理 规律随化学物质的不同而有很大的差异 因此也很难由设计规范解决 这类属于专业规范的问题可参考 工业建筑防腐蚀设计规范 GB50046 解决 99 1 4 3混凝土结构的耐久性设计及耐久性规定 2 混凝土的基本要求影响耐久性的一个重要因素是混凝土本身的质量 提高密实度而减少混凝土的渗透性可从根本上提高其抵抗碳化和有害介质入侵的速度 而这又与混凝土强度等级 水灰比等因素有关 此外 对耐久性有重大影响的氯离子含量及碱含量也应加以限制 新规范从混凝土组成成分的角度提出了与耐久性有关的要求 100 1 4 3混凝土结构的耐久性设计及耐久性规定 表1 5结构混凝土耐久性的基本要求 101 1 4 3混凝土结构的耐久性设计及耐久性规定 现对表中的内容说明如下 1 控制水灰比是为了减小混凝土的渗透性 2 对混凝土强度等级的要求是因其与混凝土的密实性有关 强度等级高的混凝土密实性好 耐久性好