工程结构_混凝土结构正常使用极限状态验算

1、 对于超过对于超过正常使用极限状态正常使用极限状态的情况，由于其对生命财产的危的情况，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。载力极限状态低一些。正常使用极限状态的计算表达式正常使用极限状态的计算表达式为，为，Sk：作用效应标准值，如挠度变形和裂缝宽度，应根据作用效应标准值，如挠度变形和裂缝宽度，应根据荷载标荷载标准值准值和和材料强度标准材料强度标准值确定。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，以受弯构件为例，在荷载标准值产生的弯矩可表示为， Mk = CGGk+C

2、QQk由于活荷载达到其标准值由于活荷载达到其标准值Qk的作用时间较短，故的作用时间较短，故Mk称为称为短期弯短期弯矩矩，其值约为弯矩设计值的，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，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，因此需要考虑长期荷载的影响，因此需要考虑长期荷载的影响，长期弯矩长期弯矩可表示为，可表示为， Mq = CGGk+y yqCQQky yq为为活荷载准永久值系数活荷载准永久值系数kkRS 6.2 产生裂缝原因及其控制措施6.2.1 产生裂缝原因产生裂缝原因 混凝土结构中存在拉应力是产生裂缝的必要条件。混凝土结构

3、中存在拉应力是产生裂缝的必要条件。开裂位置抗拉强度分布 ft,min开裂前瞬间应变开裂前应变分布弹性受拉应变分布(a) 轴向抗拉强度分布(b) 开裂前应变分布 除荷载作用外，结构的除荷载作用外，结构的不均匀沉降不均匀沉降、收缩收缩、温度变化温度变化，以及，以及在混凝土在混凝土凝结凝结、硬化阶段等都会引起拉应力，从而产生裂缝。、硬化阶段等都会引起拉应力，从而产生裂缝。 结构中主拉应力达到混凝土（当时）的抗拉强度时，并不立结构中主拉应力达到混凝土（当时）的抗拉强度时，并不立即产生裂缝，而是当拉应变达到即产生裂缝，而是当拉应变达到极限拉应变极限拉应变e etu时才出现裂缝。时才出现裂缝。硬化后的混凝

4、土极限拉应变硬化后的混凝土极限拉应变e etu约为约为15010-6，即，即10m长的构长的构件，产生件，产生1.5mm的很小受拉变形即会产生裂缝。的很小受拉变形即会产生裂缝。 由于混凝土材料的不均匀性，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裂缝首先在强度最小的位置发生生。裂缝发生前瞬间的应变分布会产生应变集中。裂缝发生前瞬间的应变分布会产生应变集中。 不同龄期的混凝土，其裂缝断面状况有较大差别。龄期很短不同龄期的混凝土，其裂缝断面状况有较大差别。龄期很短的混凝土，裂缝断面较为光滑，两裂缝不能完全闭合。而充的混凝土，裂缝断面较为光滑，两裂缝不能完全闭合。而充分硬化后的混凝土，裂缝

5、断面则呈不规则较为锋锐状态，两分硬化后的混凝土，裂缝断面则呈不规则较为锋锐状态，两断面可以闭合。断面可以闭合。短龄期混凝土完全硬化混凝土(c) 混凝土开裂断面状况一、材料原因一、材料原因水泥异常凝结引起的裂缝水泥异常凝结引起的裂缝受风化的水泥，其品质很受风化的水泥，其品质很不安定不安定。混凝土浇筑后达到一定强混凝土浇筑后达到一定强度前，在凝结硬化阶段会度前，在凝结硬化阶段会产生如图所示的短小的不产生如图所示的短小的不规则裂缝。规则裂缝。随着水泥品质的改善，这随着水泥品质的改善，这种裂缝目前较少见到。种裂缝目前较少见到。1、水泥方面、水泥方面变形自由变形实际变形拉应变温度分布应力分布拉压大体积混

6、凝土的温度、应力分布和裂缝构件的最小尺寸大于构件的最小尺寸大于800mm时，通常可认为是大体积混凝土。时，通常可认为是大体积混凝土。对于大体积混凝土，对于大体积混凝土，内部温度较大内部温度较大，构件外周温度较低构件外周温度较低，内，内外温差很大，引起内外混凝土膨胀变形差异。内部混凝土膨外温差很大，引起内外混凝土膨胀变形差异。内部混凝土膨胀受到外部混凝土的变形约束，而使构件表面产生裂缝。这胀受到外部混凝土的变形约束，而使构件表面产生裂缝。这种裂缝在构件表面通常呈直交状况，种裂缝在构件表面通常呈直交状况，T约 1mm/每 l=10m、每温升 10，但浇筑后 23 天恢复（T0）水化热对框架结构的影

7、响大型构件与小尺寸构件共同组成的结构（如基础梁与薄墙板、大型构件与小尺寸构件共同组成的结构（如基础梁与薄墙板、大尺寸梁与薄楼板等），以及梁柱框架结构中均可能因温差的大尺寸梁与薄楼板等），以及梁柱框架结构中均可能因温差的影响产生裂缝。影响产生裂缝。2、 骨料方面骨料方面骨料中泥份引起的裂缝碱骨料反应引起的裂缝混凝土下沉和泌水混凝土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，下沉量约为混凝土浇筑后，在凝结过程中会产生下沉和泌水，下沉量约为浇筑高度的浇筑高度的1%。当下沉受到钢筋或周围混凝土的约束也会产。当下沉受到钢筋或周围混凝土的约束也会产生裂缝。生裂缝。钢筋裂缝水平钢筋缝隙裂缝12mm

8、/1m 高梁墙柱沿高度方向沉降分布混凝土下沉引起的裂缝二、施工原因二、施工原因(a) 材料混合不均匀(b) 长时间搅拌(c) 快速浇筑(d) 先后浇筑时差过长混合材料不均匀混合材料不均匀：由于搅拌不均匀，材料的膨胀性和收缩：由于搅拌不均匀，材料的膨胀性和收缩的差异，引起局部的一些裂缝。的差异，引起局部的一些裂缝。长时间搅拌长时间搅拌：混凝土运输时间过长，长时间搅拌突然停止：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的异常凝结，引起网状裂缝。后很快硬化产生的异常凝结，引起网状裂缝。二、施工原因二、施工原因(a) 材料混合不均匀(b) 长时间搅拌(c) 快速浇筑(d) 先后浇筑时差过长浇

9、筑速度过快浇筑速度过快：当构件高度较大，如一次快速浇筑混凝土，：当构件高度较大，如一次快速浇筑混凝土，因下部混凝土尚未充分硬化，产生下沉，引起裂缝。因下部混凝土尚未充分硬化，产生下沉，引起裂缝。交接缝交接缝：浇筑先后时差过长，先浇筑的混凝土已硬化，导致：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。为结构承载力和耐久性的缺陷。(e) 模板变形(f) 支撑下沉(g) 支撑下沉三、荷载产生的裂缝三、荷载产生的裂缝(a) 竖向荷载下的裂缝弯曲裂缝剪切裂缝剪切裂缝(b) 地

10、震作用下的裂缝(c) 板在竖向荷载下的裂缝板底裂缝(d) 剪力墙在地震作用下的裂缝四、收缩裂缝四、收缩裂缝结构干燥收缩变形温度裂缝(a) 墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形(b) 结构干燥收缩变形与墙板裂缝五、温度裂缝五、温度裂缝六、不均匀沉降产生裂缝六、不均匀沉降产生裂缝不均匀沉降产生的裂缝不均匀沉降产生的裂缝ABDCABDCA沉降量AC 节点间的伸长2AA （=裂缝总宽度）(a) 墙板的开裂(b) 裂缝宽度(a) 混凝土开裂混凝土开裂七、钢筋锈蚀产生的裂缝七、钢筋锈蚀产生的裂缝(b) 水、水、CO2侵入侵入七、钢筋锈蚀产生的裂缝(c) 开始锈蚀开始锈蚀七、钢筋锈蚀产生的裂缝使钢筋产生锈蚀的原因

11、有：使钢筋产生锈蚀的原因有：骨骨料中含氯化盐；外部进入氯化料中含氯化盐；外部进入氯化盐；混凝土碳化；保护层不足；盐；混凝土碳化；保护层不足；过大的裂缝宽度过大的裂缝宽度。钢筋锈蚀产生钢筋锈蚀产生体积膨胀体积膨胀可达原可达原体积的数倍，使钢筋位置处的体积的数倍，使钢筋位置处的混凝土受到内压力而产生裂缝，混凝土受到内压力而产生裂缝，并随之剥落。并随之剥落。这种裂缝沿钢筋方向发展这种裂缝沿钢筋方向发展，且，且随着锈蚀的发展混凝土剥离产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生空隙，这可从敲击产生的空洞声得到判别。洞声得到判别。(d) 钢筋体积膨胀钢筋体积膨胀碳化引起的锈蚀碳化引起的锈蚀氯

12、离子引起的锈蚀氯离子引起的锈蚀钢筋阻锈剂形成保护膜钢筋阻锈剂形成保护膜在阳极，保护膜阻止铁离子的流失在阴极，保护膜形成对氧的屏障八、冻结溶解产生的裂缝反复冻融产生的裂缝反复冻融产生的裂缝6.2.2 裂缝控制及裂缝宽度计算裂缝控制及裂缝宽度计算裂缝及裂缝宽度裂缝及裂缝宽度裂缝裂缝的开展是由于混凝土的回缩，钢筋的伸长，的开展是由于混凝土的回缩，钢筋的伸长，导致混凝土与钢筋之间产生相对滑移的结果。导致混凝土与钢筋之间产生相对滑移的结果。裂缝宽度裂缝宽度等于混凝土在开裂截面的回缩量。等于混凝土在开裂截面的回缩量。裂缝控制等级裂缝控制等级规范规范将裂缝控制分为三个等级：将裂缝控制分为三个等级： 一级：严

13、格要求不出现裂缝的构件。一级：严格要求不出现裂缝的构件。 要求要求 ：按荷载效应标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土的拉应力。按荷载效应标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土的拉应力。 二级：一般要求不出现裂缝的构件。二级：一般要求不出现裂缝的构件。 要求要求0pcckcktkpcckf ：按荷载效应准永久组合计算时，构件受拉边缘混凝土的拉应力。cq 三级：允许出现裂缝的构件。limmaxww要求对环境类别为二a类的预应力混凝土构件，尚应：tkpccqf最大裂缝宽度限值最大裂缝宽度限值limw确定最大裂缝宽度限值，主要考虑两个方面：确定最大裂缝宽度限值，主要考虑两个方面：u外观要求：外观要求：从外观

14、要求考虑，裂缝过宽将给人以不安全从外观要求考虑，裂缝过宽将给人以不安全感，同时也影响对结构质量的评价。感，同时也影响对结构质量的评价。u耐久性要求：耐久性要求：裂缝对结构的耐久性是非常不利的。裂缝对结构的耐久性是非常不利的。 处于室内正常环境处于室内正常环境，裂缝宽度限值可放宽些，但应按构件，裂缝宽度限值可放宽些，但应按构件的工作条件加以区分的工作条件加以区分:直接受雨淋的构件，无围护结构的房屋中经常受雨淋的构直接受雨淋的构件，无围护结构的房屋中经常受雨淋的构件，经常受蒸汽或凝结水作用的室内构件（如浴室等），件，经常受蒸汽或凝结水作用的室内构件（如浴室等），以及与土壤直接接触的构件（如基础等）

15、，以及与土壤直接接触的构件（如基础等），都具备钢筋锈都具备钢筋锈蚀的必要和充分条件，因而都应严格限制裂缝宽度。蚀的必要和充分条件，因而都应严格限制裂缝宽度。最大裂缝宽度限值最大裂缝宽度限值limw环境环境类别类别钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构预应力混凝土结构预应力混凝土结构裂缝控制等级裂缝控制等级裂缝控制等级裂缝控制等级一一三级三级0.30(0.40)三级三级0.20二二a0.200.10二二b二级二级-三三a、三三b一级一级-mmwlimmmwlim结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值裂缝宽度计算基本公式裂缝宽度计算基本公式 根据试验资料统计分析，并

16、考虑受力特征的影响，对于常根据试验资料统计分析，并考虑受力特征的影响，对于常用的用的带肋钢筋带肋钢筋，规范规范给出的按荷载效应的准永久组合（普给出的按荷载效应的准永久组合（普通混凝土构件）或按荷载效应的标准组合（预应力混凝土构件）通混凝土构件）或按荷载效应的标准组合（预应力混凝土构件）裂缝宽度计算公式为：裂缝宽度计算公式为：)08. 09 . 1 (maxteeqssscrdcEwytestkfy65. 01 . 16.3 变形验算6.3.1 变形控制要求变形控制要求目的目的 1、保证结构的使用功能要求保证结构的使用功能要求。过大的变形将影响甚至丧失其使。过大的变形将影响甚至丧失其使用功能，如

17、支承精密仪器设备的梁板结构挠度过大，将难以用功能，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；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。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。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。起墙体开裂。3、防止对非结构构件产生不良影响防止对非结构构件产生不良影

18、响。结构变形过大会使门窗等。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。不能正常开关，也会导致隔墙、天花板的开裂或损坏。4、保证使用者的感觉在可接受的程度之内保证使用者的感觉在可接受的程度之内。过大振动、变形会。过大振动、变形会引起使用者的不适或不安全感。引起使用者的不适或不安全感。表表 11.1 受弯构件的挠度限值受弯构件的挠度限值构 件 类 型挠度限值（以计算跨度 l0计算）吊车梁：手动吊车电动吊车l0/500l0/600屋盖、楼盖及楼梯构件：当 l07m 时当 7ml09m 时当 l0 9m 时l0/200(l0/250)l0/250(l0/300)l0/300

19、(l0/400)注：1、表中括号内数值适用于使用上对挠度有较高要求的构件；2、悬臂构件的挠度限值按表中相应数值乘以系数 2.0 取用。 要求要求f f f 钢筋混凝土梁的抗弯刚度钢筋混凝土梁的抗弯刚度BfEIMlEIqlf20404853845均布： 20lEIMSf 截面截面抗弯刚度抗弯刚度EI 体现了截面抵抗弯曲变形的能力，同时也反映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。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，对于弹性均质材料截面，EI为常数，为常数，M-f f 关系为直线。关系为直线。EIMlEIPlf2030121481集中：20lS f

20、 EIMffMEI fEIM6.3.2 钢筋混凝土受弯构件的挠度计算对匀质弹性材料梁（两端刚接）水平力-侧移：312hEIV（集中荷载）荷载-挠度：48f3l0EIP弯矩-曲率：fEIM应力-应变：eE刚度是反映力与变形之间的关系：刚度是反映力与变形之间的关系： 由于混凝土开裂、弹塑性应力由于混凝土开裂、弹塑性应力-应变关系和钢筋屈服等影响，应变关系和钢筋屈服等影响，钢筋混凝土钢筋混凝土适筋梁适筋梁的的M-f f 关系不再是直线关系不再是直线，而是随弯矩增大，而是随弯矩增大，截面曲率呈曲线变化。截面曲率呈曲线变化。对钢筋混凝土梁MyMkMcr0.85EcI0BsMf短期弯矩短期弯矩Mk一般处于

21、第一般处于第阶段，阶段，刚度计算需要研究构件带裂缝刚度计算需要研究构件带裂缝时的工作情况时的工作情况。 20lBMSfk对钢筋混凝土梁fEssshAEBy5 . 3162 . 015. 120短期刚度的计算短期刚度的计算钢筋混凝土受弯构件085. 0IEBcs预应力混凝土受弯构件要求不出现裂缝的构件要求不出现裂缝的构件允许出现裂缝的构件允许出现裂缝的构件crcrcsIEB185. 00长期荷载作用下的抗弯刚度长期荷载作用下的抗弯刚度 在长期荷载作用下，由于混凝土的在长期荷载作用下，由于混凝土的徐变徐变，会使梁的挠度随时，会使梁的挠度随时间增长。此外，钢筋与混凝土间间增长。此外，钢筋与混凝土间粘

22、结滑移徐变粘结滑移徐变、混凝土、混凝土收缩收缩等等也会导致梁的挠度增大。根据长期试验观测结果，长期挠度与也会导致梁的挠度增大。根据长期试验观测结果，长期挠度与短期挠度的比值短期挠度的比值q q 可按下式计算，可按下式计算，q4 . 00 . 2sqkkBMMMB) 1( q采用荷载标准采用荷载标准组合组合qsBB 采用荷载准永采用荷载准永久组合久组合受弯构件的挠度变形验算受弯构件的挠度变形验算 由于弯矩沿梁长的变化的，由于弯矩沿梁长的变化的，抗弯抗弯刚度沿梁长也是变化的刚度沿梁长也是变化的。但按变刚。但按变刚度梁来计算挠度变形很麻烦。度梁来计算挠度变形很麻烦。 规范规范为简化起见，取同号弯为简

23、化起见，取同号弯矩区段的最大弯矩截面处的最小刚矩区段的最大弯矩截面处的最小刚度度Bmin，按等刚度梁来计算按等刚度梁来计算这样挠度的简化计算结果比按这样挠度的简化计算结果比按变刚度梁的理论值略偏大。变刚度梁的理论值略偏大。但但靠近支座处的曲率误差对梁靠近支座处的曲率误差对梁的最大挠度影响很小的最大挠度影响很小，且挠度计算，且挠度计算仅考虑弯曲变形的影响，实际上还仅考虑弯曲变形的影响，实际上还存在一些剪切变形，因此按最小刚存在一些剪切变形，因此按最小刚度度Bmin计算的结果与实测结果的误计算的结果与实测结果的误差很小。差很小。“最小刚度刚度原则最小刚度刚度原则”6.4 混凝土结构的耐久性混凝土结

24、构应能在自然和人为环境的化学和物理作用下，混凝土结构应能在自然和人为环境的化学和物理作用下，满足在规定的满足在规定的设计工作寿命设计工作寿命内不出现无法接受的承载力减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。小、使用功能降低和不能接受的外观破损等的耐久性要求。耐久性耐久性是指结构在预定设计工作寿命期内，在正常维护条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。全功能要求的能力。对于一般建筑结构，设计工作寿命为对于一般建筑结构，设计工作寿命为50

25、年年，重要的建筑物，重要的建筑物可取可取100年年。近年来，随着建筑市场化的发展，业主也可以对建筑的寿近年来，随着建筑市场化的发展，业主也可以对建筑的寿命提出更高要求。对于其它土木工程结构，根据其功能要命提出更高要求。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求，设计工作寿命也有差别，如桥梁工程一般要求在100年年以上。以上。世界上经济发达国家的工程建设大体上经历了三个阶段：世界上经济发达国家的工程建设大体上经历了三个阶段：大规模建设大规模建设；新建与改建、维修并重新建与改建、维修并重；重点转向既有建筑物的维修改造重点转向既有建筑物的维修改造。目前经济发达

26、国家处于第三阶段目前经济发达国家处于第三阶段，结构因耐久性不足而失，结构因耐久性不足而失效，或为保证继续正常使用而付出巨大维修代价，这使得效，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。耐久性问题变得十分重要。我国我国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。寿命。我国真正进入大规模建设是在改革开放以后，

27、因此国外发达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，够重视，避免重蹈发达国家的覆辙避免重蹈发达国家的覆辙，对国家经济建设造成巨，对国家经济建设造成巨大浪费。大浪费。碳化一、影响混凝土结构耐久性的因素内部因素：内部因素： 混凝土强度混凝土强度 渗透性渗透性 保护层厚度保护层厚度 水泥品种水泥品种 标号和用量标号和用量 外加济等外加济等外部因素：外部因素： 环境温度环境温度 湿度湿度 CO2含量含量 侵蚀性介质等侵蚀性介质等1、混凝土的冻融破坏、混凝土的冻融破坏 混凝土水化结

28、硬后，内部有很多毛细孔。在浇筑混凝土时，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。为得到必要的和易性，往往会比水泥水化所需要的水多些。 多余的水份多余的水份滞留在混凝土毛细孔中。低温时水份因结冰产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。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。引起结构破坏。 防止混凝土冻融破坏的主要措施是防止混凝土冻融破坏的主要措施是降低水灰比降低水灰比，减少混凝减少混凝

29、土中多余的水份土中多余的水份。 冬季施工时，应冬季施工时，应加强养护加强养护，防止早期受冻，并掺入防冻剂，防止早期受冻，并掺入防冻剂等。等。2、混凝土的碱集料反应、混凝土的碱集料反应混凝土集料中的某些混凝土集料中的某些活性矿物活性矿物与混凝土微孔中的与混凝土微孔中的碱性溶液碱性溶液产生化学反应称为碱集料反应。产生化学反应称为碱集料反应。碱集料反应产生的碱碱集料反应产生的碱-硅酸盐凝胶，吸水后会产生膨胀，硅酸盐凝胶，吸水后会产生膨胀，体体积可增大积可增大34倍倍，从而混凝土的剥落、开裂、强度降低，甚，从而混凝土的剥落、开裂、强度降低，甚至导致破坏。至导致破坏。引起碱集料反应有三个条件引起碱集料反

30、应有三个条件：混凝土的凝胶中有碱性物质混凝土的凝胶中有碱性物质。这种碱性物质主要来自于水。这种碱性物质主要来自于水泥，若水泥中的含碱量（泥，若水泥中的含碱量（Na2O，K2O）大于）大于0.6%以上时，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；则会很快析出到水溶液中，遇到活性骨料则会产生反应；骨料中有活性骨料骨料中有活性骨料，如蛋白石、黑硅石、燧石、玻璃质火，如蛋白石、黑硅石、燧石、玻璃质火山石、安山石等含山石、安山石等含SiO2的骨料；的骨料；水分水分。碱骨料反应的充分条件是有水分，在干燥环境下很。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。难发生碱骨料反应

31、。3、侵蚀性介质的腐蚀、侵蚀性介质的腐蚀硫酸盐腐蚀硫酸盐腐蚀：硫酸盐溶液与水泥石中的：硫酸盐溶液与水泥石中的氢氧化钙氢氧化钙及水化铝酸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。中也存在。当硫酸盐的浓度（以当硫酸盐的浓度（以SO2的含量表示）达到的含量表示）达到2时，时，就会产生严重的腐蚀。就会产生严重的腐蚀。酸腐蚀酸腐蚀：混凝土是碱性材料，：混凝土是碱性材料，遇到酸性物质遇到酸性物质会产生化学反应，会产

32、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有CO2的水。此外有些油脂、腐植质也呈酸性，对混凝土有腐的水。此外有些油脂、腐植质也呈酸性，对混凝土有腐蚀作用。蚀作用。海水腐蚀海水腐蚀：在海港、近海结构中的混凝土构筑物，经常收到：在海港、近海结构中的混凝土构筑物，经常收到海水的侵蚀。海水中的海水的侵蚀。海水中的NaCl、MgCl2、MgSO4、K2SO4等成分，等成分，尤其是尤其是Cl- -和和硫酸镁硫酸镁对混凝土

33、有较强的腐蚀作用。在海岸飞溅区，对混凝土有较强的腐蚀作用。在海岸飞溅区，受到干湿的物理作用，也有利于受到干湿的物理作用，也有利于Cl- -和和SO4的渗入，极易造成钢的渗入，极易造成钢筋锈蚀。筋锈蚀。4、混凝土的碳化、混凝土的碳化混凝土中碱性物质混凝土中碱性物质（Ca(OH)2）使混凝土内的钢筋表明形成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。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（但由于大气中的二氧化碳（CO2）与混凝土中的碱性物质）与混凝土中的碱性物质发生反应，发生反应，使混凝土的使混凝土的Ph值降低值降低。其他物质，如。其他物质，如SO2

34、、H2S，也能与混凝土中的碱性物质发生类似的反应，使混凝土的也能与混凝土中的碱性物质发生类似的反应，使混凝土的Ph值降低，这就是混凝土的碳化。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当混凝土保护层被碳化到钢筋表面时，将破坏钢筋表面的，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。收缩，可导致混凝土的开裂。因此，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，到保护层完全碳混凝土的碳化从构件表面开始向内发展

35、，到保护层完全碳化，所需要的时间与化，所需要的时间与碳化速度碳化速度、混凝土保护层厚度混凝土保护层厚度、混凝混凝土密实性土密实性以及以及覆盖层情况覆盖层情况等因素有关。等因素有关。1 环境因素环境因素碳化速度主要取决于空气中的碳化速度主要取决于空气中的CO2浓度浓度和向混凝土中的和向混凝土中的扩扩散速度散速度。空气中的。空气中的CO2浓度大，混凝土内外浓度大，混凝土内外CO2浓度梯度也浓度梯度也愈大，因而愈大，因而CO2向混凝土内的渗透速度快，碳化反应也快。向混凝土内的渗透速度快，碳化反应也快。空气湿度空气湿度和和温度温度对碳化反应速度有较大影响。因为碳化反对碳化反应速度有较大影响。因为碳化反

36、应要产生水份向外扩散，应要产生水份向外扩散，湿度越大，水份扩散越慢湿度越大，水份扩散越慢。当空。当空气相对湿度大于气相对湿度大于80%，碳化反应的附加水份几乎无法向外，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。扩散，使碳化反应大大降低。而在极干燥环境下而在极干燥环境下，空气中的，空气中的CO2无法溶于混凝土中的孔无法溶于混凝土中的孔隙水中，碳化反应也无法进行。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试验表明，当混凝土周围介质的相对湿度为相对湿度为50%75%时时，混凝土碳化速度最快混凝土碳化速度最快。环境温度越高，碳化的化学反应速。环境温度越高，碳化的化学反应速度

37、越快，且度越快，且CO2向混凝土内的扩散速度也越快。向混凝土内的扩散速度也越快。2 材料因素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。体积中可碳化物质的含量，因而对混凝土碳化有重要影响。单位体积中单位体积中水泥的用量越多水泥的用量越多，会提高混凝土的强度，又会，会提高混凝土的强度，又会提高混凝土的抗碳化性能。提高混凝土的抗碳化性能。水灰比水灰比也是影响碳化的主要因素。在水泥用量不变的条件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

38、就下，水灰比越大，混凝土内部的孔隙率也越大，密实性就越差，越差，CO2的渗入速度越快，因而碳化的速度也越快。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。水灰比大会使混凝土孔隙中游离水增多，有利于碳化反应。混凝土中混凝土中外加掺合料和骨料品种外加掺合料和骨料品种对碳化也有一定的影响。对碳化也有一定的影响。3 施工养护条件施工养护条件混凝土搅拌、振捣和养护条件影响混凝土的混凝土搅拌、振捣和养护条件影响混凝土的密实性密实性，因而对碳，因而对碳化有较大影响。此外，养护方法与龄期对化有较大影响。此外，养护方法与龄期对水泥的水化程度水泥的水化程度有影有影响，进

39、而影响混凝土的碳化。所以保证混凝土施工质量对提高响，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。混凝土的抗碳化性能十分重要。4 覆盖层覆盖层不同饰面材料的碳化深度比不同饰面材料的碳化深度比5、钢筋锈蚀、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。钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题。当混凝土未碳化时当混凝土未碳化时，由于水泥的高碱性，钢筋表面形成一层，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。致密的氧化膜，阻止了钢筋锈蚀电化学过程。当混凝土被碳化当混凝土被碳化，钢筋表面的氧化膜被破坏，在有水份和氧，钢筋表面

40、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。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（氢氧化亚铁钢筋锈蚀产生的铁锈（氢氧化亚铁Fe(OH)3），体积比铁增加），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。加快发展。氧气和水份是钢筋锈蚀必要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混凝土的碳化仅是为钢筋锈蚀提供了可能锈蚀提供了可能。当构件使用环境很干燥（湿度当构件使用环境很干燥（湿度40%），或完全处于水中，），或完全处于水中，钢筋的锈蚀极慢，几乎不发生锈蚀。钢筋

41、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成立体发展。凝土的碳化形成立体发展。但近年来的研究发现，但近年来的研究发现，锈蚀程度与荷载产生的横向锈蚀程度与荷载产生的横向裂缝宽度无明显关系裂缝宽度无明显关系，在一般大气环境下，裂缝宽，在一般大气环境下，裂缝宽度即便达到度即便达到0.3mm，也只是在裂缝处产生锈点。，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，因此这是由于钢筋锈蚀是一个电化学过程，因此锈蚀主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要取决于氧气通过混凝土保护层向

42、钢筋表面的阴极的扩散速度的扩散速度，而这种扩散速度主要取决于混凝土的，而这种扩散速度主要取决于混凝土的密实度密实度。裂缝的出现仅是使裂缝处钢筋局部脱钝，使锈蚀过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。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因此，防止钢筋锈蚀最重要的措施是在增加混凝土的的密实性密实性和混凝土的和混凝土的保护层厚度保护层厚度。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大处发生个别点的“坑蚀坑蚀”，继而逐渐形成，继而逐

43、渐形成“环蚀环蚀”，同时，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，会导致锈蚀时，会导致沿钢筋长度出现纵向裂缝沿钢筋长度出现纵向裂缝，甚至导致混凝土，甚至导致混凝土保护层脱落，习称保护层脱落，习称“暴筋暴筋”，从而导致截面承载力下降，直，从而导致截面承载力下降，直至最终引起结构破坏。至最终引起结构破坏。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大处发生个别点的“坑蚀坑蚀”，继而逐渐形成，继而逐渐形成“环蚀环蚀”，同时，同时向裂缝两边扩展，形成锈

44、蚀面，使钢筋有效面积减小。严重向裂缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重锈蚀时，会导致锈蚀时，会导致沿钢筋长度出现纵向裂缝沿钢筋长度出现纵向裂缝，甚至导致混凝土，甚至导致混凝土保护层脱落，习称保护层脱落，习称“暴筋暴筋”，从而导致截面承载力下降，直，从而导致截面承载力下降，直至最终引起结构破坏。至最终引起结构破坏。T0T1T2时间锈蚀量脱钝纵向开裂破坏面积减小屈服强度降低粘结力降低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大处发生个别点的“坑蚀坑蚀”，继而逐渐形成，继而逐渐形成“环蚀环蚀”，同时，同时向裂缝

45、两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重向裂缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重锈蚀时，会导致锈蚀时，会导致沿钢筋长度出现纵向裂缝沿钢筋长度出现纵向裂缝，甚至导致混凝土，甚至导致混凝土保护层脱落，习称保护层脱落，习称“暴筋暴筋”，从而导致截面承载力下降，直，从而导致截面承载力下降，直至最终引起结构破坏。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，采用除增加混凝土的密实度和保护层厚度外，采用涂面涂面层层、钢筋阻锈剂钢筋阻锈剂、涂层钢筋涂层钢筋等措施来防止钢筋的锈等措施来防止钢筋的锈蚀。蚀。二、结构工作环境类别混凝土结构的耐久性与结构工作的混凝土结构的耐久性与结构工作

46、的环境环境有密切关系。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。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。对于不同环境对于不同环境，可以采取不同措施来保证结构使用寿命。，可以采取不同措施来保证结构使用寿命。如在恶劣环境如在恶劣环境，一味增加混凝土保护层是不经济的，效果也，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。不一定好。可在构件表面采用防护涂层。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混凝土结构的耐久性极限状态，是指经过一定使用年限后，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

47、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。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。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。才终止。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环境，混凝土保护层完全碳对于不允许钢筋锈蚀的构件和环境，混凝土保护层完全碳化，即化，即钢筋脱钝的时间钢筋脱钝的时间T1。不允许钢筋锈蚀的构件和环境有：预应

48、力混凝土构件；低温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。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钢筋锈蚀后截面损失率达到某一值T2 ，如，如15%，可依耐，可依耐久性等级而定。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，钢筋截面损失失承载力还有相当长的时间，钢筋截面损失15%对结构承载对结构承载力的影响还不是很严重。力

49、的影响还不是很严重。3 结构或构件的可靠指标降低到某一允许值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、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，失效概率逐渐增大。低，失效概率逐渐增大。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。极限状态。但结构经过维修，其可靠度将提高。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位移达到某一限值。徐变是混

50、凝土的一项性质，有些结构甚至是重大结构因徐变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。过大而发生破坏，这也可认为是一种耐久性破坏。对结构寿命的计算还是一个很困难的问题，目前主要对基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。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，为混凝土保护层完全碳化所需要的时间，若不容许钢筋若不容许钢筋锈蚀锈蚀，则，则T1即为结构寿命即为结构寿命；若允许钢筋有一定量的锈蚀若允许钢筋有一定量的锈蚀，则可取开始出现沿钢筋产生，则可取开始出

51、现沿钢筋产生纵向裂缝的时间纵向裂缝的时间T1+T2作为结构寿命作为结构寿命；若允许结构承载力开始下降若允许结构承载力开始下降，则可取结构寿命则可取结构寿命T1+T2+T3。四、保证耐久性的措施1 最小保护层厚度最小保护层厚度：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（设计工作寿命建筑结构（设计工作寿命50年），年），规范规范规定了最小混规定了最小混凝土保护层厚度。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。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（当对结构设计工作寿命有更

52、高要求时（100年），混凝土保年），混凝土保护层厚度应将表护层厚度应将表5-1的数值乘以的数值乘以1.4或采用表面防护，定期或采用表面防护，定期维修等措施。维修等措施。2 混凝土的要求混凝土的要求：耐久性的另一个重要方面是耐久性的另一个重要方面是混凝土密实性混凝土密实性，因为密实性好，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。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胶比和保证水泥用量。提高混凝土密实性主要是减小水胶比和保证水泥用量。若混凝土种氯离子含量过大，则会对钢筋锈蚀有恶劣影响。若混凝土种氯离子含量过大，则会对钢筋锈蚀有恶劣影响。3 裂缝控制裂缝控制：

53、裂缝的出现加快了混凝土的碳化，也是使钢筋开：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。进行控制。规范规范根据结构构件所处环境类别，钢筋种类对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：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：一级：严格要求不出现裂缝的构件严格要求不出现裂缝的构件；按荷载标准组合计算时，；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。构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力。二级：二级：一般要

54、求不出现裂缝的构件一般要求不出现裂缝的构件；按荷载标准组合计算时，；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，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；有可靠经验时可适当放松；三级：三级：允许出现裂缝的构件允许出现裂缝的构件；按荷载标准组合并考虑长期作用；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规范规定的限值。影响计算时，构件的最大裂缝宽度应满足规范规定的限值。4 其他措施其他措施对于结构中使用

55、环境较差的构件，对于结构中使用环境较差的构件，宜设计成可更换或易更宜设计成可更换或易更换的构件。换的构件。对于暴露在侵蚀性环境中的结构和构件，宜采用带肋对于暴露在侵蚀性环境中的结构和构件，宜采用带肋环氧环氧涂层钢筋涂层钢筋，预应力钢筋应有防护措施。，预应力钢筋应有防护措施。采用有利提高耐久性的采用有利提高耐久性的高强混凝土高强混凝土。T约 1mm/每 l=10m、每温升 10，但浇筑后 23 天恢复（T0）水化热对框架结构的影响大型构件与小尺寸构件共同组成的结构（如基础梁与薄墙板、大型构件与小尺寸构件共同组成的结构（如基础梁与薄墙板、大尺寸梁与薄楼板等），以及梁柱框架结构中均可能因温差的大尺寸梁与薄楼板等），以及梁柱框架结构中均可能因温差的影响产生裂缝。影响产生裂缝。混凝土下沉和泌水混凝土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，下沉量约为混凝土浇筑后，在凝结过程中会产生下沉和泌水，下沉量约为浇筑高度的浇筑高度的1%。当下沉受到钢