裂缝和变形解析

1、9.1 概述概述 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 耐久性耐久性结构在所处的工作环境中，在结构在所处的工作环境中，在设计使用年设计使用年 限限内，在正常维护条件下不需要进行大修就能完成内，在正常维护条件下不需要进行大修就能完成 预定功能的能力。如预定功能的能力。如混凝土不发生严重风化、腐蚀、混凝土不发生严重风化、腐蚀、 脱落，钢筋不发生锈蚀脱落，钢筋不发生锈蚀等。等。 适用性适用性是结构在正常使用荷载作用下具有良好的是结构在正常使用荷载作用下具有良好的 工作性能，如不产生影响使用的过大工作性能，如不产生影响使用的过大挠度挠度或或振幅振幅， 不

2、产生让使用者感到不安的裂缝等。不产生让使用者感到不安的裂缝等。 安全性安全性是结构在设计使用期限内，应能承受正常是结构在设计使用期限内，应能承受正常 施工、正常使用时可能出现的各种作用的能力。在施工、正常使用时可能出现的各种作用的能力。在 作用（如作用（如地震地震）或偶然事件（如）或偶然事件（如爆炸爆炸）发生时及发）发生时及发 生后，结构能保持整体稳定，不致发生连续倒塌。生后，结构能保持整体稳定，不致发生连续倒塌。 结结 构构 的的 功功 能能 承载能力承载能力 极限状态极限状态 正常适用正常适用 极限状态极限状态 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和

3、耐久性 耐久性耐久性 适用性适用性 安全性安全性 结构的结构的 功能功能 正常使用极限状态正常使用极限状态 变形验算变形验算 裂缝宽度验算裂缝宽度验算 保证结构耐久保证结构耐久 性的必要措施性的必要措施 承载能力极限状态承载能力极限状态 受弯（第四章）受弯（第四章） 受剪（第五章）受剪（第五章） 受压（第六章）受压（第六章） 受拉（第七章）受拉（第七章） 受扭（第八章）受扭（第八章） 9.1 概述概述 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 对于结构的正常使用极限状态，应当使用对于结构的正常使用极限状态，应当使用荷载的标准值和准荷载的标准值和准 永

4、久值，材料强度采用标准值。永久值，材料强度采用标准值。 正常使用极限状态主要验算构件的裂缝宽度以及变形（刚正常使用极限状态主要验算构件的裂缝宽度以及变形（刚 度）。度）。 验算时应当考虑验算时应当考虑短期效应组合以及长期效应组合短期效应组合以及长期效应组合两种情况。两种情况。 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： 荷载效应的标准组合：荷载效应的标准组合： CS 荷载效应的频遇组合：荷载效应的频遇组合： 荷载效应的准永久组合：荷载效应的准永久组合： Qik n i cikQGkk SSSS 2 1 Qik n i qikQGk SSSS 2 11ff Qik n i qi

5、Gk SSS 1 q 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 9.2 裂缝宽度验算裂缝宽度验算 裂缝裂缝 荷载引起的裂缝：荷载引起的裂缝： 非荷载引起的裂缝：非荷载引起的裂缝： 占占20% ct ft 计算计算wmax wmax 材料收缩、温度变化、混凝土碳材料收缩、温度变化、混凝土碳 化后引起钢筋锈蚀、地基不均匀化后引起钢筋锈蚀、地基不均匀 沉降。（占沉降。（占80%） 裂缝宽度和挠度一般可分别用控制最大钢筋直径和最大跨高比来裂缝宽度和挠度一般可分别用控制最大钢筋直径和最大跨高比来 控制，只有在构件截面尺寸小，钢筋应力高时进行验算。控制，只有在构

6、件截面尺寸小，钢筋应力高时进行验算。 为防止温度应力过大引起的开裂，规定了最大伸缩缝为防止温度应力过大引起的开裂，规定了最大伸缩缝 之间的间距。之间的间距。 为防止由于钢筋周围砼过快的碳化失去对钢筋的保护为防止由于钢筋周围砼过快的碳化失去对钢筋的保护 作用，出现锈胀引起的沿钢筋纵向的裂缝，规定了钢作用，出现锈胀引起的沿钢筋纵向的裂缝，规定了钢 筋的混凝土保护层的最小厚度。筋的混凝土保护层的最小厚度。 非荷载引起的裂缝非荷载引起的裂缝 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 9.2.1 验算公式验算公式 裂缝控制裂缝控制：规范规范根据对结构构件裂缝的

7、不同要求，将裂缝根据对结构构件裂缝的不同要求，将裂缝 控制分为三个等级：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；按荷载标准组合荷载标准组合计算时，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：一般要求不出现裂缝的构件一般要求不出现裂缝的构件；按荷载；按荷载标准组合标准组合计算时，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；而按荷荷 载准永久组合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，计算时，构件受拉边缘混凝土不宜出现拉应力，

8、 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附表规定的限值。影响计算时，构件的最大裂缝宽度应满足附表规定的限值。 limmax ww 钢筋混凝土构件的裂缝控制等级均为三级：钢筋混凝土构件的裂缝控制等级均为三级： 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 9.2.1 wmax计算方法计算方法 1 建筑工程规范关于建筑工程规范关于wmax的计算方法的计算方法 ftk NN (a) (b) (c) (d)

9、 s sk ct=ftk NcrNkNkNs 11 max 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 在裂缝出现前在裂缝出现前，混凝土和钢筋的应变沿构件的长度基本上是，混凝土和钢筋的应变沿构件的长度基本上是 均匀分布的。均匀分布的。 当混凝土的拉应力达到抗拉强度时当混凝土的拉应力达到抗拉强度时，首先会在构件最薄弱截，首先会在构件最薄弱截 面位置出现第一条（批）裂缝。面位置出现第一条（批）裂缝。 裂缝出现瞬间裂缝出现瞬间，裂缝截面位置的混凝土退出受拉工作，应力，裂缝截面位置的混凝土退出受拉工作，应力 为零，而钢筋拉应力应力产生突增为零，而钢筋拉应力应力

10、产生突增DDs= ft /r r，配筋率越小，配筋率越小，DDs 就越大。就越大。 由于钢筋与混凝土之间存在粘结由于钢筋与混凝土之间存在粘结，随着距裂缝截面距离的增，随着距裂缝截面距离的增 加，混凝土中又重新建立起拉应力加，混凝土中又重新建立起拉应力 t，而钢筋的拉应力则随距，而钢筋的拉应力则随距 裂缝截面距离的增加而减小。裂缝截面距离的增加而减小。 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 当距裂缝截面有足够的长度当距裂缝截面有足够的长度 l 时，混凝土拉应力时，混凝土拉应力 增大到增大到 ft， 此时将出现新的裂缝。此时将出现新的裂缝。 如果两条

11、裂缝的间距小于粘结应力传递长度如果两条裂缝的间距小于粘结应力传递长度，混凝土拉应力，混凝土拉应力 不可能达到不可能达到 ft，因此将不会出现新的裂缝，因此将不会出现新的裂缝，裂缝出现完成。裂缝出现完成。 从第一条（批）裂缝出现到裂缝全部出齐为从第一条（批）裂缝出现到裂缝全部出齐为裂缝出现阶段裂缝出现阶段， 该阶段的荷载增量并不大，主要取决于混凝土强度的离散程度。该阶段的荷载增量并不大，主要取决于混凝土强度的离散程度。 裂缝间距裂缝间距的计算公式即是以该阶段的受力分析建立的。的计算公式即是以该阶段的受力分析建立的。 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐

12、久性 裂缝出齐后裂缝出齐后，随着荷载，随着荷载 的继续增加，砼回缩，钢的继续增加，砼回缩，钢 筋不断伸长，在一定区段筋不断伸长，在一定区段 由钢筋与砼应变差的累积由钢筋与砼应变差的累积 量，即形成了裂缝宽度。量，即形成了裂缝宽度。 这是裂缝宽度计算的依据这是裂缝宽度计算的依据。 粘结滑移理论粘结滑移理论认为裂缝认为裂缝 宽度是由于钢筋与混凝土宽度是由于钢筋与混凝土 之间的粘结破坏，出现相之间的粘结破坏，出现相 对滑移，引起裂缝处混凝对滑移，引起裂缝处混凝 土的回缩引起的。土的回缩引起的。 Ncr+D DN 211 Ncr+D DN w1w2w3ftk Nk Nk 分布分布 ftk sm sk

13、(b) (a) (c) (d) (e) 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 平均裂缝宽度平均裂缝宽度 m m 0 csm d)( l lw m s sq cm s sq cmsm sm cm mcmsmm 1)(l E l E llw 式中：式中： c ：裂缝间混凝土自身伸长对裂缝宽度的影响系数。：裂缝间混凝土自身伸长对裂缝宽度的影响系数。 c = 0.85； sm ：纵向钢筋的平均拉应变， ：纵向钢筋的平均拉应变， sm = sq ； ：纵向受拉钢筋应变不均：纵向受拉钢筋应变不均 匀系数。匀系数。 Lm：平均裂缝间距。：平均裂缝间距。 lm+

14、 cmlm lm+ smlm wmwm ck cm sm sq c分布分布 s分布分布 (a) (c) (b) 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 平均裂缝间距平均裂缝间距lm的计算的计算 )08. 09 . 1 ( te eq m d cl r 与受力特性有关的系数与受力特性有关的系数，轴心受拉轴心受拉 =1.1，受弯、偏心受受弯、偏心受 压压 =1.0，偏心受拉偏心受拉 =1.05。 c 最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离（最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离（保护层保护层 厚度厚度），），20c65。 纵向受拉钢筋的纵向受拉

15、钢筋的相对粘结相对粘结特征系数特征系数，光面钢筋光面钢筋 =0.7，变变 形钢筋形钢筋 =1.0。 deq受拉区受拉区纵向钢筋的纵向钢筋的等效直径。等效直径。 r rte 截面的截面的纵向钢筋纵向钢筋有效配筋率有效配筋率 iii ii eq dn dn d 2 te s te A A r r te r r 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 h h/2 b b f h f h/2 h b b bf h fh/2 h h f b f h/2 hb hf bf (a) (b) (c) (d) Ate= 5 . 0 bh )(5 . 0 ff hbb

16、bh 矩形、矩形、T形截面形截面 倒倒T形截面、工字形截面形截面、工字形截面 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 裂缝截面钢筋应力裂缝截面钢筋应力 sq的计算的计算 0.87h0 h0 Nk sqAs MkC sqAs (a)轴心受拉轴心受拉(b)受弯受弯 sq 轴心受拉：轴心受拉： 受受 弯：弯： s0 k sq 87.0Ah M s k sq A N 是按照荷载准永久组合计算的裂缝截面处纵向受拉是按照荷载准永久组合计算的裂缝截面处纵向受拉 普通钢筋的应力。普通钢筋的应力。 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂

17、缝、变形和耐久性 e e0 e Nk h0a s AsA s e nse0s AsA s sA s C Cc z sqAs Nk (c)偏心受拉偏心受拉(d)偏心受压偏心受压 C sqAs sA s )( s0s k sq ahA eN 偏心受拉：偏心受拉： 偏心受压：偏心受压： zA zeN s k sq )( 0 20 f )(1(12. 087. 0h e h z s0s yee 20 00 s )( /4000 1 1 h l he 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 钢筋应变不均匀系数钢筋应变不均匀系数 的计算的计算 65.0 1.1

18、 sqte tk sq sm r f (0.2 1.0) 由于钢筋与混凝土间存在粘结应力，随由于钢筋与混凝土间存在粘结应力，随 着距裂缝截面距离的增加，裂缝间混凝土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，逐渐参与受拉工作，钢筋应力逐渐减小， 因此钢筋应力沿纵向的分布是不均匀的。因此钢筋应力沿纵向的分布是不均匀的。 钢筋应力不均匀系数钢筋应力不均匀系数 ：反映了受拉钢筋应变的不均匀性；反映了受拉钢筋应变的不均匀性； 表明了裂缝间混凝土参加受拉工作程度的影响系数（对减小表明了裂缝间混凝土参加受拉工作程度的影响系数（对减小 变形和裂缝宽度的贡献）。变形和裂缝宽度的贡

19、献）。 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 （5） 最大裂缝宽度最大裂缝宽度wmax 短期荷载的影响：短期荷载的影响：在荷载短期效应组合作用下，取实测裂缝宽在荷载短期效应组合作用下，取实测裂缝宽 度度wt与上述计算的平均裂缝宽度与上述计算的平均裂缝宽度wm的比值为荷载短期效应裂缝的比值为荷载短期效应裂缝 扩大系数扩大系数 s。大量裂缝测量结果统计表明，。大量裂缝测量结果统计表明， s的概率密度分布基的概率密度分布基 本为正态分布。本为正态分布。根据可靠概率根据可靠概率95%的要求的要求，对轴心受拉和偏心，对轴心受拉和偏心 受拉构件，受拉构件，

20、s=1.9，对受弯和偏心受压构件，对受弯和偏心受压构件， s =1.66。 长期荷载的影响：长期荷载的影响：由于混凝土的由于混凝土的滑移徐变滑移徐变和和拉应力的松弛拉应力的松弛以及以及 混凝土的收缩混凝土的收缩等因素，使裂缝随时间推移逐渐增大。长期荷载等因素，使裂缝随时间推移逐渐增大。长期荷载 下裂缝的扩大系数下裂缝的扩大系数 l =1.5。 )08. 09 . 1 ( max te eq s sq clsmls d c E ww r )08. 09 . 1 ( max te eq s sq cr d c E w r 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形

21、和耐久性 当配筋率当配筋率r r相同时，钢筋直径越细，裂缝间距越小，裂缝相同时，钢筋直径越细，裂缝间距越小，裂缝 宽度也越小，也即裂缝的分布和开展会密而细，这是控制宽度也越小，也即裂缝的分布和开展会密而细，这是控制 裂缝宽度的一个重要原则。裂缝宽度的一个重要原则。 )08. 09 . 1 ( max te eq s sq cr d c E w r 受弯和偏心受压构件：受弯和偏心受压构件：acr =1.51.660.85=1.9 偏心受拉构件：偏心受拉构件：acr =1.51.90.851.05=2.4 轴心受拉构件：轴心受拉构件：acr =1.51.90.851.1=2.7 第第9 9章章 钢

22、筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 （6） 控制裂缝宽度的措施控制裂缝宽度的措施 如果如果wmax超过允许值，则应采取相应措施：超过允许值，则应采取相应措施： u 如适当减小钢筋直径，使钢筋在混凝土中均匀分布；如适当减小钢筋直径，使钢筋在混凝土中均匀分布； u 采用与混凝土粘结较好的变形钢筋；采用与混凝土粘结较好的变形钢筋； u 适当增加配筋量（适当增加配筋量（不不够够经济经济合理），以降低使用阶段的钢筋合理），以降低使用阶段的钢筋 应力。应力。 这些方法都能一定程度减小正常使用条件下的裂缝宽度。这些方法都能一定程度减小正常使用条件下的裂缝宽度。 但对限制裂缝宽

23、度而言，最根本的方法也是采用但对限制裂缝宽度而言，最根本的方法也是采用预应力混凝预应力混凝 土结构。土结构。 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 9.3 受弯构件挠度验算受弯构件挠度验算 9.3.1 验算公式验算公式 lim,max,ff aa 9.3.2 af,max的计算方法的计算方法 钢筋混凝土受弯构件挠度计算的特点钢筋混凝土受弯构件挠度计算的特点 EI lM EI lqg a kkk 2 0 4 0 f 48 5)( 384 5 材料力学中均布荷载：材料力学中均布荷载： 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

24、- f 关系为直线。关系为直线。由于混由于混 凝土开裂、弹塑性应力凝土开裂、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，钢筋混凝钢筋混凝 土适筋梁的土适筋梁的M- f 关系不再是直线，关系不再是直线， EI不再为常数。不再为常数。 2 1 EI 2 (a)(b) M af0EI(B) M 0 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 截面的弯曲刚度截面的弯曲刚度B就是弯矩由就是弯矩由0增大到增大到0.5Mu0.7Mu过程中，过程中， 纯弯曲段截面弯曲刚度的总平均值。（纯弯曲段截面弯曲刚度的总平均值。（荷载荷载&时间时间） r Mk

25、 o D Dc o a a D DcD Ds as h0 Mk b b lcr 短期刚度短期刚度Bs的计算的计算 EI M r 1 r M EI 1 s B M r hr k 0 smcm 1 1 f E 2 0ss s 5 . 31 6 2 . 015. 1 r hAE B r r 0 ff f )( bh hbb r c 2 0 k cm Ebh M ss0 k sm EAh M 式中：式中： 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 s k k )1( B MM M B q Ms 荷载短期效应组合算得的弯矩。荷载短期效应组合算得的弯矩。(恒载活

26、载恒载活载) 弯矩弯矩标标 准值。准值。 Ml 荷载长期效应组合算得的弯矩。荷载长期效应组合算得的弯矩。(恒载活载恒载活载 q) 准永准永 久组合久组合值。值。 挠度增大系数。挠度增大系数。 = 2.0 0.4r r /r r Bs 短期刚度。短期刚度。 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 长期刚度长期刚度B的计算的计算 B1min BBmin MBmin Mlmax BA gk+qk (a) (b) + gk+qk Bmin Bmin (a) (b) 受弯构件挠度的计算受弯构件挠度的计算 取同一弯矩符号区段内取同一弯矩符号区段内最小刚度最小刚

27、度作为其等效刚度，视构件为等作为其等效刚度，视构件为等 刚度梁按材力的方法计算。刚度梁按材力的方法计算。 “最小刚度刚度原则最小刚度刚度原则” 提高刚度的有效措施提高刚度的有效措施 h0 或或As 即即增加增加r r 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 （5）对挠度及裂缝验算的讨论）对挠度及裂缝验算的讨论 与截面承载力计算的区别；与截面承载力计算的区别； 配筋率对承载力和挠度的影响；配筋率对承载力和挠度的影响； 跨高比；跨高比； 混凝土结构构件变形限值；混凝土结构构件变形限值； 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的

28、裂缝、变形和耐久性 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 9.4 混凝土构件的截面延性混凝土构件的截面延性 9.4.2 延性的概念延性的概念 1 1、延性的定义延性的定义：截面从屈服开始至到达极限承载能力期：截面从屈服开始至到达极限承载能力期 间变形能力。间变形能力。 2 2、延性意义延性意义： 吸收和耗散地震能量；吸收和耗散地震能量； 防止脆性破坏；防止脆性破坏； 调整结构变形，适应结构的不均匀沉降和温度变形等；调整结构变形，适应结构的不均匀沉降和温度变形等； 使结构充分实现内力重分布；使结构充分实现内力重分布； 第第9 9章章 钢筋混凝土构件

29、的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 9.4.2 9.4.2 影响截面延性的因素影响截面延性的因素 截面曲率延性系数截面曲率延性系数 ay cu y u x hk 0 )1 ( . 钢筋屈服应变钢筋屈服应变 截面达到截面达到 极限承载极限承载 力时受压力时受压 区高度区高度 截面屈服时截面屈服时 受压区高度受压区高度 系数系数 截面延性影响因素截面延性影响因素： 混凝土的极限压应变、钢筋屈服强度、混凝土强度、钢混凝土的极限压应变、钢筋屈服强度、混凝土强度、钢 筋的配筋率。筋的配筋率。 混凝土的极限压应变提高，延性增大。混凝土的极限压应变提高，延性增大。（加密箍筋）（加密箍筋）

30、 受拉钢筋增加，延性降低受拉钢筋增加，延性降低 受压钢筋增加，延性增大受压钢筋增加，延性增大 限制受拉钢筋配筋率；限制受拉钢筋配筋率； 规定受压钢筋和受拉钢筋的最规定受压钢筋和受拉钢筋的最 小比例（小比例（0.3-0.50.3-0.5）；）； 平截面假定：平截面假定： 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 9.4 耐久性设计耐久性设计 耐久性是指结构在预定设计工作寿命期内，在正常维护条件耐久性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而满足正常使用和安全功能要求下，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

31、能力。的能力。 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，以致结构不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。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况，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。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允许范围时，结构的使用寿命才终只有当严重超出正常维修允许范围时，结构的使用寿命才终 止。止。 混凝土的碳化混凝土的碳化和和钢筋的锈

32、蚀钢筋的锈蚀是影响混凝土结构耐久性最主要是影响混凝土结构耐久性最主要 的因素。的因素。 碳化 影响混凝土结构耐久性的因素：影响混凝土结构耐久性的因素： 内部因素：内部因素： u 混凝土强度混凝土强度 u 渗透性渗透性 u 保护层厚度保护层厚度 u 水泥品种水泥品种 u 标号和用量标号和用量 u 外加剂等外加剂等 外部因素：外部因素： u 环境温度环境温度 u 湿度湿度 u CO2含量含量 u 侵蚀性介质等侵蚀性介质等 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 1 1 混凝土的冻融破坏混凝土的冻融破坏 混凝土水化结硬后，内部有很多毛细孔。在浇筑混凝土时

33、，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生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。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。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，减少混凝土减少混凝土 中多余的水份中多余的水份。

34、 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，并掺入防冻剂等。，防止早期受冻，并掺入防冻剂等。 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 2 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产生化学 反应称为碱集料反应。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，体积可增体积可增 大大34倍倍，从而混凝土的剥落、开裂、强度降低，甚至导致破坏。，从而混凝土的剥落

35、、开裂、强度降低，甚至导致破坏。 引起碱集料反应有三个条件：引起碱集料反应有三个条件： 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泥，若水。这种碱性物质主要来自于水泥，若水 泥中的含碱量（泥中的含碱量（Na2O，K2O）大于）大于0.6%以上时，则会很快析出到水以上时，则会很快析出到水 溶液中，遇到活性骨料则会产生反应；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、玻璃质火山石、安，如蛋白石、黑硅石、燧石、玻璃质火山石、安 山石等含山石等含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

36、下很难发生碱。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。骨料反应。 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 3 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钙发生及水化铝酸钙发生 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。硫化学反应，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，海水及一些土壤中也存在。酸盐除在一些化工企业存在外，海水及一些土壤中也存在。当硫酸盐当硫酸盐 的浓度（以的浓度（以

37、SO2的含量表示）达到的含量表示）达到2时，就会产生严重的腐蚀。时，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，使混会产生化学反应，使混 凝土产生裂缝、脱落，并导致破坏。酸不仅存在于化工企业，在地下凝土产生裂缝、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有水，特别是沼泽地区或泥炭地区广泛存在碳酸及溶有CO2的水。此外的水。此外 有些油脂、腐植质也呈酸性，对混凝土有腐蚀作用。有些油脂、腐植质也呈酸性，对混凝土有腐蚀作用。 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

38、收到海水的：在海港、近海结构中的混凝土构筑物，经常收到海水的 侵蚀。海水中的侵蚀。海水中的NaCl、MgCl2、MgSO4、K2SO4等成分，尤其是等成分，尤其是Cl- -和和 硫酸镁硫酸镁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，也有利于作用，也有利于Cl- -和和SO4的渗入，极易造成钢筋锈蚀。的渗入，极易造成钢筋锈蚀。 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 4 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氧化

39、膜，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。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发生反应，）与混凝土中的碱性物质发生反应， 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、H2S，也能与混凝土中的，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，这就是混凝土的值降低，这就是混凝土的 碳化。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，将破坏钢筋表面的氧化膜，将破坏钢筋表面的氧化膜， 引起钢筋

40、的锈蚀。此外，碳化还会加剧混凝土的收缩，可导致混凝引起钢筋的锈蚀。此外，碳化还会加剧混凝土的收缩，可导致混凝 土的开裂。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，到保护层完全碳化，所需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、混凝土密实性混凝土密实性以及以及覆盖覆盖 层情况层情况等因素有关。等因素有关。 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 5 5 环境因素

41、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散速度扩散速度。 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浓度梯度也愈大，因而浓度梯度也愈大，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。因为碳化反应要产对碳化反应速度有较大影响。因为碳化反应要产 生水份向外扩散，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。当空气相对湿度大。当空气相对湿度大 于于80%，碳化反应的附加水份几乎无法向外扩散，使碳化反应

42、大，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。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隙水中，无法溶于混凝土中的孔隙水中， 碳化反应也无法进行。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，混凝混凝 土碳化速度最快土碳化速度最快。环境温度越高，碳化的化学反应速度越快，且。环境温度越高，碳化的化学反应速度越快，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。 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 6

43、 6 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体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。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，又会提，会提高混凝土的强度，又会提 高混凝土的抗碳化性能。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下，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，密实性就越差，水灰比越大，混凝土内部的孔隙率也越大，密实性就越差，

44、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。 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 7 7 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

45、水化程度水泥的水化程度有影有影 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。 8 8 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 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 9 9 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。 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 当混凝土未碳化时当混凝土未碳化时

46、，由于水泥的高碱性，钢筋表面形成一层致密的，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。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，在有水份和氧气的条，钢筋表面的氧化膜被破坏，在有水份和氧气的条 件下，就会发生锈蚀的电化学反应。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，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。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。 氧气和水份是钢筋锈蚀必要条

47、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混凝土的碳化仅是为钢筋锈蚀提 供了可能供了可能。 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，钢筋的），或完全处于水中，钢筋的 锈蚀极慢，几乎不发生锈蚀。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。碳化形成立体发展。 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 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裂缝宽度无明锈蚀程

48、度与荷载产生的横向裂缝宽度无明 显关系显关系，在一般大气环境下，裂缝宽度即便达到，在一般大气环境下，裂缝宽度即便达到0.3mm，也只是，也只是 在裂缝处产生锈点。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，因此锈蚀主要取决于氧气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通过混凝土保护层向钢筋表面的阴极的扩散速度，而这种扩散速，而这种扩散速 度主要取决于混凝土的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，使锈蚀过程得以开始，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

49、制作用。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的因此，防止钢筋锈蚀最重要的措施是在增加混凝土的密实性密实性和混和混 凝土的凝土的保护层厚度保护层厚度。此外，还可采用。此外，还可采用涂面层涂面层、钢筋阻锈剂钢筋阻锈剂、涂层涂层 钢筋钢筋等措施来防止钢筋的锈蚀。等措施来防止钢筋的锈蚀。 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 钢筋锈蚀引起混凝土结构损伤过程：首先在裂缝宽度较大处发生个别钢筋锈蚀引起混凝土结构损伤过程：首先在裂缝宽度较大处发生个别 点的点的“坑蚀坑蚀”，继而逐渐形成，继而逐渐形成“环蚀环蚀”，同时向裂缝

50、两边扩展，形成，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沿钢筋长度出现 纵向裂缝纵向裂缝，甚至导致混凝土保护层脱落，俗称，甚至导致混凝土保护层脱落，俗称“暴筋暴筋”，从而导致截，从而导致截 面承载力下降，直至最终引起结构破坏。面承载力下降，直至最终引起结构破坏。 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 9.4.1 结构的工作环境分类结构的工作环境分类 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。

51、 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。 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 9.4.2 结构耐久性等级结构耐久性等级 9.4.3 对混凝土的基本要求对混凝土的基本要求 保证耐久性的措施：保证耐久性的措施： 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、三类环境一般建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（设计工作寿命筑结构（设计工作寿命50年），年），规范规范

52、规定了最小混凝土规定了最小混凝土 保护层厚度。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高要求时（100年），混凝土保护年），混凝土保护 层厚度应将表层厚度应将表5-1的数值乘以的数值乘以1.4或采用表面防护，定期维修等或采用表面防护，定期维修等 措施。措施。 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，因为密实性好对，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。延缓混凝土的碳化和钢筋锈蚀有很大作用。 提

53、高混凝土密实性主要是减小水灰比和保证水泥用量。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。 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 其他措施其他措施 对于结构中使用环境较差的构件，对于结构中使用环境较差的构件，宜设计成可更换或易更换宜设计成可更换或易更换 的构件。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，宜采用带肋环氧涂环氧涂 层钢筋层钢筋，预应力钢筋应有防护措施。，预应力钢筋应有防护措施。

54、 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。 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 当距裂缝截面有足够的长度当距裂缝截面有足够的长度 l 时，混凝土拉应力时，混凝土拉应力 增大到增大到 ft， 此时将出现新的裂缝。此时将出现新的裂缝。 如果两条裂缝的间距小于粘结应力传递长度如果两条裂缝的间距小于粘结应力传递长度，混凝土拉应力，混凝土拉应力 不可能达到不可能达到 ft，因此将不会出现新的裂缝，因此将不会出现新的裂缝，裂缝出现完成。裂缝出现完成。

55、 从第一条（批）裂缝出现到裂缝全部出齐为从第一条（批）裂缝出现到裂缝全部出齐为裂缝出现阶段裂缝出现阶段， 该阶段的荷载增量并不大，主要取决于混凝土强度的离散程度。该阶段的荷载增量并不大，主要取决于混凝土强度的离散程度。 裂缝间距裂缝间距的计算公式即是以该阶段的受力分析建立的。的计算公式即是以该阶段的受力分析建立的。 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 h h/2 b b f h f h/2 h b b bf h fh/2 h h f b f h/2 hb hf bf (a) (b) (c) (d) Ate= 5 . 0 bh )(5 . 0 f

56、f hbbbh 矩形、矩形、T形截面形截面 倒倒T形截面、工字形截面形截面、工字形截面 r Mk o D Dc o a a D DcD Ds as h0 Mk b b lcr 短期刚度短期刚度Bs的计算的计算 EI M r 1 r M EI 1 s B M r hr k 0 smcm 1 1 f E 2 0ss s 5 . 31 6 2 . 015. 1 r hAE B r r 0 ff f )( bh hbb r c 2 0 k cm Ebh M ss0 k sm EAh M 式中：式中： 第第9 9章章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性 4 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氧化膜，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。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发生反应，）与混凝土中的碱性物质发生