第2章建筑结构基本设计原理

1、第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理 第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理2.1 结构结构设计的基本要求和极限状态设计的基本要求和极限状态2.2 结构上的作用、作用效应和结构抗力结构上的作用、作用效应和结构抗力2.3 概率概率极限状态设计法极限状态设计法2.4 极限状态极限状态实用实用设计表达式设计表达式2.5 房屋结构的耐久性要求房屋结构的耐久性要求第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理1.安全性安全性 建筑结构在其设计使用年限内应能够承受可能出现的建筑结构在其设计使用年限内应能够承受可能出现的各种作用。且在设计规定的偶然事件发生时及

2、发生后，结构应各种作用。且在设计规定的偶然事件发生时及发生后，结构应能保持必需的整体稳定性，不致倒塌。能保持必需的整体稳定性，不致倒塌。2.1.1 结构的功能要求结构的功能要求2.适用性适用性 建筑结构在其设计使用年限内应能满足预定的使用要建筑结构在其设计使用年限内应能满足预定的使用要求，有良好的工作性能，其变形、裂缝或振动等性能均不超过求，有良好的工作性能，其变形、裂缝或振动等性能均不超过规定的限度等。规定的限度等。3.耐久性耐久性 建筑结构在其设计使用年限内应有足够的耐久性。例建筑结构在其设计使用年限内应有足够的耐久性。例如保护层厚度不得过薄、裂缝不得过宽而引起钢筋锈蚀等。如保护层厚度不得

3、过薄、裂缝不得过宽而引起钢筋锈蚀等。2.1 结构设计的基本要求和极限状态结构设计的基本要求和极限状态 第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理结构可靠性结构可靠性结构在规定的时间内（即设计使用年限），在规结构在规定的时间内（即设计使用年限），在规定的条件下（结构正常的设计、施工、使用和维修条件），完定的条件下（结构正常的设计、施工、使用和维修条件），完成预定功能（如承载力、刚度、稳定性、抗裂性、耐久性和动成预定功能（如承载力、刚度、稳定性、抗裂性、耐久性和动力性能等）的力性能等）的能力能力。 结构可靠度结构可靠度结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预结构在规定的时间内，在规

4、定的条件下，完成预定功能的定功能的概率概率，即结构可靠度是结构可靠性的概率度量。，即结构可靠度是结构可靠性的概率度量。 结构的设计使用年限结构的设计使用年限设计规定的结构或结构构件不需进行设计规定的结构或结构构件不需进行大大修修即可按其预定目的使用的时期。即可按其预定目的使用的时期。第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理2.1.2 结构的极限状态结构的极限状态结构的极限状态结构的极限状态是指整个结构或结构的一部分超过某一特定是指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规定的某一功能要求，此特定状态称为该状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极

5、限状态。功能的极限状态。 结构的极限状态分为两类：承载能力极限状态和正常使用极限结构的极限状态分为两类：承载能力极限状态和正常使用极限状态。状态。承载能力极限状态（承载能力极限状态（ultimate limit states） 结构或结构构结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。正常使用极限状态正常使用极限状态 （serviceability limit states） 结构或结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理超过承载能

6、力极限状态的情形：超过承载能力极限状态的情形： 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡，如雨篷整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡，如雨篷压重不足而倾覆、烟囱抗风不足而倾倒、挡土墙抗滑不足在土压重不足而倾覆、烟囱抗风不足而倾倒、挡土墙抗滑不足在土压力作用下而整体滑移等。压力作用下而整体滑移等。 结构构件或其连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳结构构件或其连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），如轴心受压构件中混凝土达到了轴心抗压强度、构件破坏），如轴心受压构件中混凝土达到了轴心抗压强度、构件的钢筋因锚固长度不足而被拔出等；或因变形过大而不适于继的钢筋因锚固长度不足而被拔出等；或因变形过大而不

7、适于继续承受荷载。续承受荷载。 结构转变为机动体系，如构件发生三铰共线而形成机结构转变为机动体系，如构件发生三铰共线而形成机动体系，丧失承载能力。动体系，丧失承载能力。 结构或构件丧失稳定，如细长柱到达临界荷载后压屈结构或构件丧失稳定，如细长柱到达临界荷载后压屈失稳而破坏。失稳而破坏。第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理超过正常使用极限状态的情形：超过正常使用极限状态的情形： 影响正常使用或外观的变形，如吊车梁变形过大导致吊影响正常使用或外观的变形，如吊车梁变形过大导致吊车不能正常行驶、梁挠度过大影响外观等。车不能正常行驶、梁挠度过大影响外观等。 影响正常使用或耐久性能的局

8、部损坏，如水池池壁开裂影响正常使用或耐久性能的局部损坏，如水池池壁开裂漏水不能正常使用、如裂缝过宽导致钢筋锈蚀等。漏水不能正常使用、如裂缝过宽导致钢筋锈蚀等。 影响正常使用的振动，如由于机器振动而导致结构的振影响正常使用的振动，如由于机器振动而导致结构的振幅超过按正常使用要求所规定的限位等。幅超过按正常使用要求所规定的限位等。 影响正常使用的其它特定状态，如相对沉降量过大等。影响正常使用的其它特定状态，如相对沉降量过大等。第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理2.1.3 建筑结构的设计方法建筑结构的设计方法 我国现行设计规范采用的是以我国现行设计规范采用的是以概率理论概率理论

9、为基础的极限状态为基础的极限状态设计法，以设计法，以可靠指标可靠指标度量结构构件的可靠度，采用度量结构构件的可靠度，采用分项系数分项系数的的设计表达式进行设计。设计表达式进行设计。 混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范（GB500102002）要求结构构）要求结构构件应根据件应根据承载能力极限状态及正常使用极限状态承载能力极限状态及正常使用极限状态的要求分别按的要求分别按规定进行计算或验算。规定进行计算或验算。第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理2.2 结构上的作用、作用效应和结构抗力结构上的作用、作用效应和结构抗力2.2.1 结构上的作用结构上的作用一一. 按随时间的变异

10、分类按随时间的变异分类 永久荷载永久荷载G 在结构使用期内，其值随时间因素的变化不大，或其变化与其在结构使用期内，其值随时间因素的变化不大，或其变化与其平均值相比可以忽略的荷载，如自重，通常称为恒荷载。永久平均值相比可以忽略的荷载，如自重，通常称为恒荷载。永久荷载这一随机变量符合正态分布。荷载这一随机变量符合正态分布。可变荷载可变荷载Q 在结构使用期内，其值随时间变化，且其变化与其平均值相比在结构使用期内，其值随时间变化，且其变化与其平均值相比不可以忽略的荷载不可以忽略的荷载，如楼面活荷载、风荷载、雪荷载等。，如楼面活荷载、风荷载、雪荷载等。第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算

11、原理1. 荷载的标准值荷载标准值是建筑结构按极限状态设计时采用的荷载基本代表荷载标准值是建筑结构按极限状态设计时采用的荷载基本代表值。荷载标准值可由设计基准期（统一规定为值。荷载标准值可由设计基准期（统一规定为50年）最大荷载年）最大荷载概率分布的某一分位值确定。概率分布的某一分位值确定。 永久荷载标准值永久荷载标准值Gk 可按结构设计规定的尺寸和可按结构设计规定的尺寸和荷载规范荷载规范规定的材料容重（或规定的材料容重（或单位面积的自重）平均值确定，一般相当于单位面积的自重）平均值确定，一般相当于永久荷载概率分布永久荷载概率分布的平均值的平均值。对于自重变异性较大材料，可根据荷载对结构不利。对

12、于自重变异性较大材料，可根据荷载对结构不利或有利，分别取其自重的上限值或下限值。或有利，分别取其自重的上限值或下限值。可变荷载标准值可变荷载标准值Q k荷载规范荷载规范规定，办公楼、住宅楼面均布活荷载标准值均为规定，办公楼、住宅楼面均布活荷载标准值均为2.0kN/m2。二二. 荷载的代表值荷载的代表值第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理2. 荷载组合值荷载组合值 是当结构承受两种或两种以上可变荷载时，承是当结构承受两种或两种以上可变荷载时，承载能力极限状态按基本组合设计和正常使用极限状态按标载能力极限状态按基本组合设计和正常使用极限状态按标准组合设计采用的准组合设计采用的可

13、变荷载代表值可变荷载代表值。 3.荷载频遇值荷载频遇值是正常使用极限状态按频遇组合设计采用的一是正常使用极限状态按频遇组合设计采用的一种种可变荷载代表值可变荷载代表值 。 4.荷载准永久值荷载准永久值 是正常使用极限状态按准永久组合和频遇组是正常使用极限状态按准永久组合和频遇组合设计采用的一种合设计采用的一种可变荷载代表值可变荷载代表值。 第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理1、作用效应、作用效应S (1)永久荷载永久荷载 性质：其量值是不确定的，其量值不随时间变化性质：其量值是不确定的，其量值不随时间变化 数学描述：随机变量概率模式，基本服从正态分布数学描述：随机变量概率

14、模式，基本服从正态分布 (2)可变荷载可变荷载 性质：其量值是不确定的，其量值也随时间变化性质：其量值是不确定的，其量值也随时间变化 数学描述：把数学描述：把随机过程模式随机过程模式简化成简化成随机变量模式随机变量模式 简化方法：分析荷载最大值分布规律，是一随机变量简化方法：分析荷载最大值分布规律，是一随机变量 分布规律：极值分布规律：极值I型概率分布模式型概率分布模式2.2.2 作用效应和结构抗力作用效应和结构抗力第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理2、结构抗力、结构抗力R 抗力：抵抗作用效应的能力抗力：抵抗作用效应的能力 性质：与时间有关的随机过程性质：与时间有关的随机

15、过程 材料的性能，结构尺寸等都是随机变量；材料的性能，结构尺寸等都是随机变量； 有些材料的力学性能是随时间变化的。有些材料的力学性能是随时间变化的。 简化：忽略随时间的变化，用随机变量模型描述。简化：忽略随时间的变化，用随机变量模型描述。 抗力不定性主要因素：抗力不定性主要因素： 材料性能的不定性材料性能的不定性 几参数的不定性几参数的不定性 计算模式的不定性计算模式的不定性 第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理2.3.1 功能函数与极限状态方程功能函数与极限状态方程结构或构件能否完成预定功能与结构的荷载效应结构或构件能否完成预定功能与结构的荷载效应S和和结构的结构的抗力抗

16、力R有关。有关。结构的功能函数结构的功能函数：Z=R-S当当Z0时，时， 结构处于可靠状态，结构处于可靠状态， 当当Z0时，时， 结构处于极限状态，结构处于极限状态， 当当Z0时，时， 结构处于失效状态。结构处于失效状态。 RSO结构可靠结构可靠Z0结构失效结构失效Z0极限状极限状Z=0450第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理2.3.2 结构可靠度与失效概率结构可靠度与失效概率 结构的功能函数结构的功能函数Z=R-S0的概率称为结构构件的失效概率的概率称为结构构件的失效概率pf 。1. 结构的失效概率结构的失效概率 pf当结构的效应当结构的效应S及结构的抗及结构的抗力力R

17、均符合正态分布均符合正态分布时时，结，结构的功能函数构的功能函数Z=R-S也符合也符合正态分布正态分布，其平均值其平均值 Z= R- S ，标准差标准差22SRZ fz(Z) z zZzpfO功能函数功能函数Z的概率密度函数的概率密度函数222)(exp21)(ZZZZZf 第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理结构可靠度结构可靠度是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成是指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，即结构可靠度是结构可靠性的概率度量，预定功能的概率，即结构可靠度是结构可靠性的概率度量，用用ps表示，则有表示，则有ps +pf =1 。 ZZ

18、ZZfZPpZZZfd 2)(exp21d 00220 ZZZt ZZZZftttPpZZ d2exp212 （）为标准正态分布函数。）为标准正态分布函数。 ZZZZ 1第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理2. 结构构件的可靠度指标结构构件的可靠度指标 可靠指标可靠指标 令令22SRSRZZ ZZfp fp 越大，越大，pf 就越小，即结构越可靠。就越小，即结构越可靠。可靠指标可靠指标 与失效概率与失效概率 pf 的对应关系的对应关系 1.01.52.02.52.73.23.74.2pf1.5910-16.6810-22.2810-26.2110-33.510-36.910

19、-41.110-41.310-5第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理 设计可靠指标设计可靠指标 结构构件承载能力极限状态的设计可靠指标结构构件承载能力极限状态的设计可靠指标 设计可靠指标设计可靠指标 设计规范规定的、作为设计结构或结构构设计规范规定的、作为设计结构或结构构件时所应达到的可靠指标，亦称为目标可靠指标。一般采用件时所应达到的可靠指标，亦称为目标可靠指标。一般采用“校准法校准法”确定。确定。校准法校准法通过对原有规范可靠度的反演计算和综合分析，确定通过对原有规范可靠度的反演计算和综合分析，确定以后设计时所采用的结构构件的可靠指标。以后设计时所采用的结构构件的可靠指

20、标。破坏类型破坏类型安全等级安全等级一级一级二级二级三级三级延性破坏延性破坏3.73.22.7脆性破坏脆性破坏4.23.73.2统一标准统一标准规定规定 ： 第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理2.4 极限状态实际设计表达式极限状态实际设计表达式2.4.1 承载能力极限状态设计表达式承载能力极限状态设计表达式1. 1. 基本表达式基本表达式对于承载能力极限状态，结构构件应按荷载效应的对于承载能力极限状态，结构构件应按荷载效应的基本组合基本组合进行计算，必进行计算，必要时尚应按荷载效应的要时尚应按荷载效应的偶然组合偶然组合进行计算。进行计算。 0 S R式中式中 S 荷载效应

21、荷载效应组合设计值组合设计值 0 结构重要性系数结构重要性系数，对对安全等级分别为安全等级分别为一、二、三一、二、三级级的结构构件的结构构件分别取分别取1.1， 1.0，0.9 R 结构构件的承载力设计值结构构件的承载力设计值承载能力极限状态设计表达式：承载能力极限状态设计表达式：第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理 2. . 荷载效应组合设计值荷载效应组合设计值S式中式中 G 永久荷载分项系数永久荷载分项系数；SGk 按按永久荷载标准值永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值；计算的荷载效应值；由可变荷载效应控制的组合由可变荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合由永久荷载效

22、应控制的组合 niQikciQiGkGSSS1 niQikciQikQQGkGSSSS211 SQik 按可变按可变荷载标准值荷载标准值Qik计算的荷载效应值；其中计算的荷载效应值；其中SQ1k为诸可变为诸可变荷载效应中起控制作用者；荷载效应中起控制作用者； ci 第第i个可变荷载个可变荷载Qi的组合系数的组合系数。 Qi 第第i个可变个可变荷载分项系数荷载分项系数；当考虑以竖向永久荷载效应控制的组合时，参与组合的可变荷载仅限于当考虑以竖向永久荷载效应控制的组合时，参与组合的可变荷载仅限于竖向荷载。竖向荷载。第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理对于一般对于一般排架、刚架结构

23、排架、刚架结构，基本组合可采用简化规则，按下列组合值中最不，基本组合可采用简化规则，按下列组合值中最不利确定。利确定。由可变荷载效应控制的组合由可变荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合 niQikciQiGkGSSS1 kQQGkGSSS11 结构设计时，应根据所考虑的设计状况，选用不同的组合；对持久和短暂设结构设计时，应根据所考虑的设计状况，选用不同的组合；对持久和短暂设计状况，应采用基本组合；对偶然设计状况，应采用偶然组合计状况，应采用基本组合；对偶然设计状况，应采用偶然组合。对于对于偶然组合偶然组合，荷载效应组合的设计值按下列规定确定：偶然荷载的代表值，荷载

24、效应组合的设计值按下列规定确定：偶然荷载的代表值不乘分项系数；与偶然荷载同时出现的其他荷载可根据观测资料和工程经验不乘分项系数；与偶然荷载同时出现的其他荷载可根据观测资料和工程经验采用适当的代表值。采用适当的代表值。 niQikQiGkGSSS19 . 0 第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理 3. . 荷载分项系数，荷载设计值荷载分项系数，荷载设计值 荷载分项系数荷载分项系数 G 、 Q 永久荷载分项系数永久荷载分项系数 G当永久荷载效应对结构不利时：对由可变荷载效应控制的组合，应取当永久荷载效应对结构不利时：对由可变荷载效应控制的组合，应取1.2，对由永久荷载效应控制的

25、组合，应取对由永久荷载效应控制的组合，应取1.35。当永久荷载效应对结构有利时：一般情况下应取当永久荷载效应对结构有利时：一般情况下应取1.0，对结构的倾覆、滑，对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取移或漂浮验算，应取0.9。 可变荷载分项系数可变荷载分项系数 Q一般情况下应取一般情况下应取1.4，对工业建筑楼面结构，当活荷载标准值大于，对工业建筑楼面结构，当活荷载标准值大于4kN/m2时，从经济效果考虑，应取时，从经济效果考虑，应取1.3。第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理 荷载设计值荷载设计值荷载组合值系数荷载组合值系数 ci、荷载组合值、荷载组合值 ci Qik风荷载取

26、风荷载取 ci =0.6，大部分可变荷载取，大部分可变荷载取 ci =0.7 ，个别可变荷载取，个别可变荷载取 ci =0.90.95（例如，对于书库、贮藏室的楼面活荷载，（例如，对于书库、贮藏室的楼面活荷载， ci =0.9 ） 。荷载分项系数与荷载标准值的乘积为荷载分项系数与荷载标准值的乘积为荷载设计值荷载设计值，如永久荷载设计值，如永久荷载设计值 G Gk、可变荷载设计值、可变荷载设计值 Q Qk。第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理 结构构件的承载力设计值结构构件的承载力设计值fc ，fs 混凝土混凝土、钢筋的、钢筋的强度设计值。强度设计值。4. 材料分项系数、材料

27、强度设计值材料分项系数、材料强度设计值) , , ,() , , ,(ksskcckkscffRffRR fck ，fsk 混凝土混凝土、钢筋的、钢筋的强度强度标准标准值。值。 c ， s 混凝土混凝土、钢筋的材料分项系数、钢筋的材料分项系数。 k 几何参数的标准几何参数的标准值。值。第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理 c 、 s的确定方法：的确定方法：对钢筋混凝土轴心受拉构件进行可靠度分析，此时构件承载力仅与钢对钢筋混凝土轴心受拉构件进行可靠度分析，此时构件承载力仅与钢筋有关，属于延性破坏，筋有关，属于延性破坏， =3.2，求得钢筋的材料分项系数，求得钢筋的材料分项系数

28、 s；根据已经确定的根据已经确定的 s ，对钢筋混凝土轴心受压构件进行可靠度分析，此，对钢筋混凝土轴心受压构件进行可靠度分析，此时构件承载力不仅与钢筋有关，而且与混凝土有关，属于脆性破坏，时构件承载力不仅与钢筋有关，而且与混凝土有关，属于脆性破坏， =3.7，求得混凝土的材料分项系数，求得混凝土的材料分项系数 c。结果：结果：混凝土的材料分项系数混凝土的材料分项系数 c=1.4，热轧钢筋的材料分项系数热轧钢筋的材料分项系数 s=1.1，预应力钢筋的材料分项系数预应力钢筋的材料分项系数 s=1.2。桥涵工程中：混凝土的材料分项系数桥涵工程中：混凝土的材料分项系数 c=1.45，热轧钢筋的材料分项

29、系数，热轧钢筋的材料分项系数 s=1.20，预应力钢筋的材料分项系数，预应力钢筋的材料分项系数 s=1.25。第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理 标准组合标准组合Sk ： niiciSSSS2kQQ1kGkk 频遇组合频遇组合Sf： niiqiqSSS1kQGk 式中，式中， f1 、 qi 可变荷载可变荷载Q1的频遇值系数，的频遇值系数，第第i个可变荷载个可变荷载Qi的准永的准永久值系数久值系数，由，由荷载规范荷载规范查取。查取。2. 正常使用极限状态设计表达式正常使用极限状态设计表达式 CS S 正常使用极限状态的正常使用极限状态的荷载效应组合值荷载效应组合值（如变形

30、、裂缝宽度、应力等（如变形、裂缝宽度、应力等的组合值）；的组合值）；C 结构构件达到正常使用要求所规定的变形、裂缝宽度和应力等的结构构件达到正常使用要求所规定的变形、裂缝宽度和应力等的限限值值。 niQikqikQGSSSS211fkf 准永久组合准永久组合Sq：第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理规范规范按使用阶段对结构构件裂缝的不同要求，将裂缝控制等级分为按使用阶段对结构构件裂缝的不同要求，将裂缝控制等级分为三级：三级：一级：一级：严格要求不裂，使用阶段不允许出现拉应力。严格要求不裂，使用阶段不允许出现拉应力。二级：二级：一般要求不裂，使用阶段允许出现拉应力，但应作限制

31、。一般要求不裂，使用阶段允许出现拉应力，但应作限制。三级：三级：允许开裂，应验算裂缝宽度。允许开裂，应验算裂缝宽度。w wlim3. 正常使用极限状态验算规定正常使用极限状态验算规定变形验算变形验算挠度验算挠度验算f flim式中式中 f 受弯构件按荷载短期效应组合并考虑长期效应组合影响计算的受弯构件按荷载短期效应组合并考虑长期效应组合影响计算的最大挠度。最大挠度。 flim 规范规范允许挠度允许挠度。第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理例例1：一简支梁，跨度为：一简支梁，跨度为6米，作用于上的均布荷载，恒载标准值米，作用于上的均布荷载，恒载标准值gk=3kN/m，分项系数

32、分项系数 G=1.2，活荷载标准值活荷载标准值qk=6kN/m，分分项项系数系数 Q=1.4，分别计算梁分别计算梁跨中截面弯矩的基本效应组合、短期效应组合和长期效应组合跨中截面弯矩的基本效应组合、短期效应组合和长期效应组合（活荷载准活荷载准永久系数永久系数 qi = 0.4）解：基本效应组合：解：基本效应组合：mkN546)64 . 132 . 1(81)(81)(22kQkG lqgMS 短期效应组合：短期效应组合：长期效应组合：长期效应组合：mkN5 .406)63(81)(81)(22kkss lqgMSmkN3 .246)64 . 03(81)(81)(22kqik lqgMSll 第

33、第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理2.5 房屋结构的耐久性要求房屋结构的耐久性要求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的能力。行大修和加固而满足正常使用和安全功能要求的能力。 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，结构或结构某，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。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。但经过简单修补、维修

34、，费用不大，可恢复使用要求的情况，可以认为没但经过简单修补、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。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止。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。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年，重要的建筑物可取年，重要的建筑物可取100年。年。第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理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： 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

35、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第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理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，为得到必要的混凝土水化结硬后，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。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体积膨胀，引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。起混凝土内部结

36、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。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。 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，减少混凝土中多余的水份减少混凝土中多余的水份。 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，并掺入防冻剂等。，防止早期受冻，并掺入防冻剂等。第第2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理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

37、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、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

38、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2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理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

39、，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。

40、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，经常受到海水的：在海港、近海结构中的混凝土构筑物，经常受到海水的侵蚀。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2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构

41、基本计算原理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，也能与混凝土中的碱性物质发生类似的反应，使混凝土的的碱性物质发生类似的反应，使混凝土的Ph值降低，这就是混凝土值降低，这就是混凝土的碳化。的碳化。当混凝土保护层

42、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2

43、 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理5 5 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

44、80%，碳化反应的附加水份几乎无法向外扩散，使碳化反应大，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2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本

45、计算原理6 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积中可碳化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。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，又会提高混凝土的，会提高混凝土的强度，又会提高混凝土的抗碳化性能。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，水灰比越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，大，混凝土内部的孔隙率也越大，密实性就越差，CO

46、2的渗入速度越快，的渗入速度越快，因而碳化的速度也越快。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2 2章章 建筑结构基本计算原理建筑结构基本计算原理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，因而对碳化有较大影响。，因而对碳化有较大影响。此外，养护方法与龄期对此外，养护方法与龄期对水泥的水化程度水泥的水化程度有影响，进而影响混凝土的碳化。有影响，进而影