结构加固第2章-尚守平

1、第二章 结构损伤鉴定加固湖南大学湖南大学 尚守平尚守平2015.9.2015.9.混凝土的裂缝尚守平2015一、裂缝的危害二、裂缝的分类三、裂缝的成因四、裂缝的防治五、裂缝的修复一、裂缝的危害 对于受弯构件的楼板，尽管受弯区允许有在一定范围宽度内的裂缝存在，但是裂缝对结构承载力的影响是不可忽视的。楼板产生裂缝，对使用者所带来的最直接的问题是渗漏水的危害，严重影响结构的耐久性和使用寿命，从而影响结构安全性。 有些裂缝会引起局部钢筋锈蚀，降低建筑物构件的使用寿命，或发生渗漏水而影响正常使用；有的虽然不会影响结构或出现渗漏水，但却破坏了建筑物的美观，使使用者产生不良的心理影响。 裂缝将对结构的承载力

2、、抗渗性、抗钢筋锈蚀性、抗化学侵蚀性等耐久性能产生严重的危害，影响结构承载力和使用安全性。有些裂缝会影响结构的整体性，降低结构的刚度，影响结构的承载力。二、裂缝的分类 根据混凝土裂缝产生的原因，可分为结构性裂缝与非结构性裂缝两大类。 1、结构性裂缝由各种外荷载、地基沉降、地震作用引起的裂缝，也称荷载裂缝。它包括由外荷载的直接应力引起的裂缝和在外荷载作用下结构次应力引起的裂缝。 2、非结构性裂缝由各种非荷载变形（不包括地基沉降）引起的裂缝。它包括塑性裂缝、干缩裂缝、温度裂缝等。 从国内外的研究资料以及大量的工程实践来看，非结构性裂缝在工程中占了绝大多数，约为80，其中以收缩裂缝为主导。按裂缝产生

3、的时间划分： 1、施工期间出现的裂缝。包括塑性收缩裂缝、沉降收缩裂缝、干燥收缩裂缝、自身收缩裂缝、温度裂缝、施工设置操作不当出现的裂缝、早期冻胀作用引起的裂缝以及一些不规则裂缝。 2、使用期间出现的裂缝。包括钢筋锈蚀膨胀产生的裂缝、盐碱类介质及酸性侵蚀气液引起的裂缝、冻融循环造成的裂缝、碱骨料反应引起的裂缝以及循环动荷载作用下损伤累积引起的裂缝等。 裂缝的分类按裂缝的形状划分： 纵向裂缝，平行于构件长边，顺筋分布，主要由钢筋锈蚀作用引起。 横向裂缝，垂直于构件长边，主要由荷载作用、温差作用引起。 剪切裂缝，由于竖向荷载或震动引起。 斜向裂缝、八字形或倒八字形裂缝。常见于墙体、混凝土梁。主要因地

4、基的不均匀沉降以及温差作用引起。 x形裂缝，常见于窗间墙、窗肚墙面上。由于水平地震作用或者水平荷载引起。 各种不规则裂缝，如反复冻融或火灾等引起的裂缝。此外，还有因混凝土拌和或运输时间过长引起的网状缝。 由于水泥安定性不合格引起的不规则网状裂缝。裂缝的分类三、裂缝的成因 混凝土在硬化过程中会产生体积变形。由于各种材料的线膨胀系数不同，由互相约束而产生初始压应力、拉应力或剪应力，造成在骨料与水泥村的粘结面上或水泥石本身之间出现肉眼难以看到的细微裂缝，一般称之为微裂缝。在荷载或温度作用下，裂缝扩展，并逐渐互相贯运，从而出现较大的肉眼可以看到的裂缝。一般宽度达到0.030.05mm时称为宏观裂缝，即

5、通常所说的裂缝。混凝土的裂缝实际上是微裂缝的扩展。混凝土的裂缝实际上是微裂缝的扩展。 游离氧化钙引起的水泥安定性不合格导致游离氧化钙引起的水泥安定性不合格导致的砼龟裂；的砼龟裂；混凝土配合比设计原因： 设计中水泥等级或品种选用不当。 配合比中水灰比过大导致砼干缩过大。 水泥用量越大，导致砼凝缩过大； 大体积砼水化热过高。 裂缝的成因材料原因： 粗细集料含泥量过大，造成混凝土收缩增大； 细骨料粒径太小； 混凝土外加剂、掺合料选择不当。 水泥品种原因。普通硅酸盐水泥水化热高；大体积砼宜选用水化热低的矿渣硅酸盐水泥。裂缝的成因设计、施工原因： 设计结构中的断面突变而局部加强筋配置不足而产生的应力集中

6、裂缝；或施工缝设置不当； 对构件施加预应力反拱过大； 设计中构造钢筋配置过少或过粗； 设计中未充分考虑混凝土构件的收缩变形； 设计中采用的混凝土等级过高，水泥用量过大，收缩较大； 砼硬化过程中养护不到位； 设计、施工中对降低大体积砼水化热的措施不够所致。裂缝的成因其它原因： 由于结构地基的不均匀沉降等情况，造成混凝土开裂，产生沉降裂缝。在施工过程中，钢筋表面污染，混凝土保护层太小或太大，浇灌中碰撞钢筋使其移位等都可能引起裂缝。 使用荷载超负。 野蛮装修，随意拆除承重墙或凿洞等，引起裂缝。 周围环境影响，酸、碱、盐等对构筑物的侵蚀，引起裂缝。 意外事件，火灾、轻度地震等引起构筑物的裂缝。裂缝的成

7、因四、裂缝的防治对干缩裂缝的预防措施： 选用收缩量较小的水泥，一般采用中低热水泥和粉煤灰水泥，降低水泥的用量。 混凝土的干缩受水灰比的影响较大，因此在混凝土配合比设计中应尽量控制好水灰比（不宜过大）的选用，同时添加合适的减水剂。 严格控制大体积混凝土的水化热。 加强混凝土的早期养护，并适当延长混凝土的养护时间。 在混凝土结构中设置合适的伸缩缝。对收缩裂缝的预防措施： 选用收缩值较小、早期强度较高的水泥； 严格控制水灰比，添加高效的减水剂来增加混凝土的坍落度和易性，减少水泥及水的用量； 浇筑混凝土前将基层和模板浇水均匀湿透； 及时覆盖塑料薄膜或者潮湿的草垫、麻片等，以保持混凝土终凝之前表面湿润，

8、或者对混凝土表面喷洒养护剂等进行养护； 在高温和大风天气设置遮阳和挡风设施及时养护。裂缝的防治对温度裂缝的预防措施： 尽量选用低热、中热水泥。如矿渣水泥、粉煤灰水泥等。 减低水泥的用量； 降低水灰比； 改善骨料级配，掺加粉煤灰或高效减水剂来减少水泥的用量，降低水化热； 改善混凝土的搅拌工艺，降低混凝土浇筑温度； 在混凝土中掺和一定量的减水、增塑、缓凝等作用的外加剂，改善混凝土拌和物的流动性、保水性，降低水化热； 高温季节浇筑时可以采用搭设遮阳板等辅助措施控制混凝土的温升，减低浇筑混凝土的温度； 在大体积混凝土内部设置冷却管道，通冷水或者冷气冷却，减少混凝土内外温差。裂缝的防治对由化学反映引起的

9、裂缝的预防措施： 选用碱性小的砂石骨料；禁用没处理的海沙、石。 可选择在钢筋表面涂刷不影响粘结的 防腐涂料 ； 选用合适的掺和材料，抑制碱骨料反应； 保证钢筋保护层的厚度； 选用好的混凝土砂石级配； 混凝土浇筑时震捣密实。裂缝的防治对沉降裂缝的预防措施： 对松软土填土地基在施工前应进行必要的夯实和加固，以保证地基沉降减少到最少程度。 对于地基位于不同的土层时，保证楼板有足够的强度和刚度，且支撑牢固，并使地基受力均匀。地震区不允许使用不同类型的基础； 模板拆除的时间不能过早，注意拆除的先后顺序。裂缝的防治对受力裂缝的预防措施：宜选用较细直径的变形钢筋，以增大钢筋与混凝土接触的表面积，提高钢筋与混

10、凝土的粘接强度。增加钢筋有效配筋率，从而减小钢筋应力和裂缝间距。 对构件施加预应力。裂缝的防治五、裂缝的修复 混凝土置换法 混凝土置换法是将严重损坏或失效的混凝土除掉，置换新的混凝土或其他材料。具体施工骤如下。 1)剔除混凝土。 2)处理混凝土面层及钢筋。 3)置换材料的配置。 4)养护及粉刷。 裂缝的修复 表面封闭法 表面封闭法是一种在细微裂缝（宽度一般小于0.2mm）的表面涂膜以提高其防水性及耐久性的方法，是一较简单的裂缝修补方法。通过密封裂缝表面达到防止水分、二氧化碳以及其他有害介质侵入的目的。这种方法的缺点是修补工作无法深入到裂缝内部。不适合有明显水压的裂缝。表面封闭所采用的密封材料因

11、修补目的及使用环境不同而异。裂缝的修复 灌浆法 化学灌浆采用化学灌浆料来处理混凝土形成的裂缝，一般采用化学灌浆料、快速凝结剂和膨胀水泥砂浆配合使用。当需要在裂缝全深度范围注入修补材料，以提高其防水缝和耐久性时，化学灌浆是经常使用的方法。 措施：采取措施降低混凝土表面游离水的蒸发速度、减小混凝土的面层干缩和增大混凝土面层早期扰裂强度；混凝土施工振捣要密实，后期养护要到位；控制水的用量或掺加外加剂从而减少混凝土收缩；控制混凝土内部和表面的温度差减小温度应力，减少温度裂缝的产生。如果用有机化学灌浆料来封闭裂缝，如果用有机化学灌浆料来封闭裂缝，2大缺点：大缺点： 要求裂缝中干燥无水；耐久性差。要求裂缝

12、中干燥无水；耐久性差。裂缝的修复 表面修补法 这种方法主要适用于结构稳定或构件的承载能力没有受到影响的表层裂缝的处理。通常在裂缝的表面涂抹水泥浆、环氧胶泥或在混凝土表面涂刷油漆、沥青等防腐材料。裂缝的修复压力注浆法修补裂缝机械动力法：利用压送设备将补缝浆液注入混凝土裂隙，达到闭塞的目的，该方法属传统方法，效果很好。 低压注浆法：利用弹性补缝器将注缝胶注入裂缝，不用电力，十分方便，效果也很理想。裂缝的修复 开槽填补法 也称嵌缝法，沿混凝土裂缝开凿成槽，用聚合物水泥砂浆将其填补封闭的方法。常在槽中嵌填塑性或刚性止水材料，达到封闭裂缝的目的。我们常用的材料有聚氯乙烯胶泥、塑料油膏、丁基橡胶、聚合物水

13、泥砂浆等等。适用于结构允许开槽而宽度较大但数量不多的裂缝，如墩台或路面混凝土的裂缝。 裂缝的修复 涂膜封闭法修补裂缝 在混凝土表面涂刷防水涂膜以封闭微细裂缝的修补方法称涂膜封闭法，适用于宽度小于0.2 mm的微细裂缝的修补。裂缝的修复 结构加固法 这种方法是指当裂缝影响到混凝土结构的性能时，采用的对混凝土结构进行加固处理的方法。常用的主要有以下几种方法：加大混凝土结构的截面面积，在构件的角部外包型钢、采用预应力法加固、粘贴钢板加固、增设支点加固以及喷射混凝土补强加固，HPFL加固法等。裂缝的修复 仿生自愈合法 仿生自愈合法是一种新的裂缝处理方法，它模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某种物质，而使

14、创伤部位得到愈合的机能，在混凝土的传统组分中加入某些特殊组分(如含粘结剂的液芯纤维或胶囊），在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统，当混凝土出现裂缝时分泌出部分液芯纤维可使裂缝重新愈合。 裂缝的修复图 2.1-1正截面弯曲裂缝2.1 荷载损伤及变形损伤图 2.1-2 剪切裂缝图 2.1-3 扭转裂缝图 2.1-4受压裂缝图 2.1-5砼収缩裂缝图 2.1-6 地基不均匀沉降导致的墙体斜裂缝图 2.1-7 温度升降引起旳斜裂缝图 2.1-8 超长现浇砼楼屋面板开裂图 2.1-9 楼面板四角450裂缝（a）云图（b）垂直环流示意图图2.2-1 热带气旋2.2 风灾风灾图2.2-2 “龙吸水”

15、现象图2.2-3 陆龙卷塔科马海峡大桥位于美国华盛顿州的塔科马海峡。第一座塔科马海峡大桥，绰号舞动的格蒂，于1940年7月1日通车，四个月后戏剧性地被微风摧毁(气弹颤振)，这一幕正好被一支摄影队拍摄了下来，该桥因此声名大噪。重建的大桥于1950年通车，被称为：强壮的格蒂；2007年，新的平行桥通车。 大桥的倒塌发生在一个此前从未见过的扭曲形式发生后，当时的风速大约为每小时40英里。这就是力学上的扭转变形，中心不动，两边因有扭矩而扭曲，并不断振动。这种振动是由于空气弹性颤振引起的。颤振的出现使风对桥的影响越来越大，最终桥梁结构像麻花一样彻底扭曲了。在塔科马海峡大桥坍塌事件中，风能最终战胜了钢的挠

16、曲变形，使钢梁发生断裂。拉起大桥的钢缆断裂后使桥面受到的支持力减小并加重了桥面的重量。随着越来越多的钢缆断裂，最终桥面承受不住重量而彻底倒塌了。 塔科马海峡大桥的坍塌使得空气动力学和共振实验成为了建筑工程学的必修课。这里的共振和受迫共振（由周期运动引发的，如步伐整齐的一队士兵渡桥）不同。在该案例中没有周期性扰动。当时风速稳定在每小时42英里（67公里/小时），频率0.2赫兹。这样的风速本应对大桥够不成威胁。因此此次事件只能被理解为空气动力学和结构分析不严密所致，以后所有的桥梁，无论是整体还是局部，都必须通过严格的数学分析和风洞测试。 视频大桥最终坍塌的画面被当地照相馆的老板巴尼埃利奥特（Bar

17、ney Elliott）拍摄了下来。1998年，塔科马海峡大桥的坍塌视频被美国国会图书馆选定保存在美国国家电影登记处，这段震撼人心的视频被誉为“在文化、历史和审美学方面有着重要意义”。这段珍贵的电影胶片仍然对学习工程学、建筑学和物理学的学生起着警示的作用。残骸保护沉没的大桥残骸编号92001068，被登记在国家历史地点记录册中。水下的残骸已经作为一座人工礁石被保护起来。塔科马海峡吊桥（英语：Tacoma Narrows Bridge）是位于美国华盛顿州塔科马的两条悬索桥。第一座塔科马海峡大桥，绰号舞动的格蒂，于1940年7月1日通车，四个月后戏剧性地被微风摧毁，这一幕正好被一支摄影队拍摄了下来

18、，该桥因此声名大噪。重建的大桥于1950年通车，被称为：强壮的格蒂；2007年，新的平行桥通车。公路：华盛顿州16号干线地点：塔科马海峡（Tacoma Narrows）连接：塔科马（Tacoma）至吉格港（Gig Harbor）昵称：强健的格蒂（Sturdy Gertie）桥梁形式：双悬索桥主跨：2800英尺（853米）全长：5979英尺（1822米）通航净空：187.5英尺（ 57.15米）通车日期：1950年10月14日（西行）；2007年7月15日（东行）收费：3美元（东行）弯（梁桥）拉（斜拉桥，悬索桥）剪（各种梁端部）扭（超静定桥面系：如风荷载下）压（拱桥）不均匀沉降（地基、基础）图图2.3-1 室内火灾时间室内火灾时间温度曲线温度曲线2.3 室内火灾室内火灾 温度(0C)钢种100200300400500600700普通低碳钢1.001.001.000.670.520.300.05普通低合金钢1.001.000.850.750.600.400.20钢筋的强度折减系数sK图2.3-2 实际室内火灾的温时曲线与国际标准升温曲线当量升温时间当量升温时间TaTa) 18lg(3450tTT标准升温 时温曲线Ta=exp(T/204)名称代表制品形态温度（）模制玻璃玻璃砖、杯、缸