结构裂损(缝)机理课件

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結構裂損(縫)機理結構裂縫與工程事故之間的關係一.體溫失常和結構裂縫人體的健康狀態，大多從體溫變化上反應出來。體溫高低異常，一定是病的徵兆。同樣，工程結構是否在正常情況之下運行？結構安全方面是否存在問題？就必須先從結構的變形和裂縫檢查開始。結構存在裂縫，就是工程有問題，就是可能出現事故的預兆。因此，關注裂縫、研究裂縫，是一件十分重要的工作。結構裂縫與工程事故之間的關係二.疾病診斷和裂縫檢測疾病診斷，貴在及時。不能及時提前把疾病診斷出來，把病情控制、消除在其早期初發階段，而是等病情爆發，治療難度就大了，需要付出的代價就高了。有經驗的醫師能從一個“健壯如牛”的人的表面特徵看出其是否已“病入膏肓”，還不需要作多少病理檢測工作，憑摸脈搏、量體溫、看舌苔、觀氣色就能知病情，作診斷。同樣，有素養的工程師，也應該能從工程結構中那些尚在早期孕育階段、被人們所忽視的細小裂縫，預見到其發展趨勢和安危狀態，並及時採取措施，將事故隱患消除於萌芽狀態。這就是研究結構裂縫機理的目的。如果對結構裂縫採取視而不見的態度，任其發展，則很可能在一夜之間，構成工程倒塌事故，造成人們生命財產的巨大損失。結構裂縫與工程事故之間的關係三.結構裂縫與工程事故結構裂縫從其孕育階段裸眼難辨的微裂現象開始，逐漸發育拓展，引起構件損傷、結構變形、體系失穩，最後發展到工程坍毀。從這一發生髮展的全過程看，有其必然性，也有規律。但從時間上看，則差異很大。有些裂縫發展緩慢，可以經歷多少年，而結構卻能堅持不倒；而有些裂縫則發展迅猛，一夜之間，連鎖反應，惡性循環，就可能發展成坍塌事故。總之，結構裂縫機理涉及到很多物理力學因素和工程環境條件，是十分複雜的問題，很值得深入研究。結構裂縫定義及其研究範圍

為了便於對結構裂縫進行研究，首先必須對結構裂縫的定義和計畫研究的範圍做出規定。一.定義凡是工程結構都由具有一定材料強度的結構構件組成。所謂材料強度，實際上是指組成材料的分子結構(微觀結構)之間具有足夠的黏附力、咬合力和內聚力。由於某種外力或內力的破壞作用，導致結構材料分子之間的黏附力、咬合力和內聚力降低或消失，而使材料分子之間沿一定的介面線互相分離，這條分離線或分離介面即成為結構裂縫。對這種內在或外來的作用力產生的原因、性質、及其後果進行全過程研究，就是對結構裂縫的研究。結構裂縫定義及其研究範圍

二.範圍由於結構類型和結構體系種類繁多，各種不同類型和體系的結構裂縫的性質和機理也截然不同。本書所指的結構裂縫，僅限於磚混結構裂縫和鋼筋混凝土結構裂縫，尤其是以鋼筋混凝土結構為主體來進行討論，暫不涉及鋼結構裂縫、塑纖結構裂縫和薄膜結構裂縫等新內容。結構裂縫機理結構裂縫機理與以下多種表徵著結構裂縫特性的要素密切相關。一.裂縫部位隨著裂縫所在建築結構上部位的不同，其開裂機理的不同，產生的原因和後果也不同。因為不同的結構部位有其不同的受力(荷載)條件和不同的抵抗(承載力)能力。因此也就有其不同的開裂機理、發展趨勢和後果。根據部位不同，可以細分為以下幾種不同裂縫。(1)基礎裂縫。分佈在獨立基礎上、條形基礎上、筏板基礎上或箱型基礎上，多因地基沉降不均引起。以筏板上出現的貫通裂縫危險性為最大。(2)牆面裂縫。分磚牆裂縫、剪力牆裂縫、填充牆裂縫等不同情況。結構裂縫定義及其研究範圍

(4)梁身裂縫。分梁底面裂縫、梁側面裂縫、梁端傾斜縫等幾種情況，以梁端傾斜裂縫危險性為最大。梁底保護層裂縫較細微而密集，梁側立面棗核型裂縫最顯眼，容易引起關注。(5)節點裂縫。危險性極大，加固處理難度最大。但出現幾率不高。(6)樓板裂縫。裂縫幾率最高，直接影響使用功能，最為用戶所關注，呼聲最高。(7)屋面板裂縫。機理複雜，原因多樣，涉及屋面防水功能，處理難度大。結構裂縫定義及其研究範圍

二.裂縫產狀裂縫產狀的不同，也表徵著裂縫原因、裂縫性質、裂縫機理的不同。裂縫產狀可以分為以下幾種不同類型，以便進行研究。(1)平行密集型。這種裂縫表明作用力大，而且穩定；力的傳遞直接而且均勻；構件質地均勻，抵抗力均衡。比如簡支鋼筋混凝土梁跨中梁底所見平行密集型裂縫(如圖3.1所示)。又如壓力機下混凝土試塊上的密集型平行剪脹裂縫(如圖3.2所示)。結構裂縫定義及其研究範圍

(2)傾斜成組型。這種裂縫多出現在牆上，表明原因單一，有規律性，多因地基變形引起，或溫度應力引起。比如磚混結構房屋底層外縱牆兩端所見的成組傾斜裂縫和頂層外縱牆兩端所見的成組傾斜裂縫(如圖3.3所示)。結構裂縫定義及其研究範圍

(3)分散雜亂型。表明外力多樣或多變，結構構件內部也同時存在病灶或質地不均等毛病。比如膨脹土地基上的磚牆上裂縫(如圖3.4所示)。(4)樹枝狀展開型。此種裂縫必有特殊原因，須作專門研究。以膨脹土地基上的框架填充牆裂縫為典型(如圖3.5所示)。結構裂縫定義及其研究範圍

三.裂縫走向裂縫走向指出現在牆面上裂縫的傾向而言，分以下幾種情況。(1)水準裂縫：多見於梁底牆面上的水準裂縫，門窗過梁端的牆面水準裂縫，或牆勒腳處的水準裂縫。(2)垂直裂縫：由於一般牆體，尤其是磚砌牆體的抗拉能力低，所以牆身上的垂直裂縫比較多見。(3)傾斜裂縫：根據裂縫偏離垂直位置的度數與方向的不同，可以按其不同的方位角來表示傾斜裂縫的特徵，傾斜方向與裂縫原因和裂縫機理有著密切的關係。結構裂縫定義及其研究範圍

四.裂縫傾角由於牆的方位角的不同和裂縫傾斜度的不同，裂縫原因、裂縫機理以及裂縫的嚴重程度也迥然不同。五.裂縫尺度裂縫尺度應用寬度、深度與長度三個尺寸來表示比較全面。現行設計與施工規範只關注裂縫寬度，而對裂縫深度與裂縫長度不加限制，不予關注，是不全面的。結構裂縫定義及其研究範圍

六.裂縫年齡裂縫年齡是表徵裂縫特性的一個重要指標，可以劃分為以下三個年齡段。(1)孕育期微裂縫：一般裸眼很難分辨，宜用放大鏡或顯微尺進行檢測。(2)青壯期新裂縫：青壯期新裂縫指正在成長發育中的結構裂縫。因為正在發育期，所以其變化極大，檢測時應特別標明檢測時間和氣溫情況。(3)老年期舊裂縫：裂縫進入老年期後，裂口已被塵垢和油漬污染，表明開裂作用已趨穩定，不再有發展，可進行裂縫封閉和加固處理了。結構裂縫分類

為了表述方便，可將裂縫按其所在的結構部位來劃分結構裂縫種類。為了理論分析工作的方便，也可按裂縫產生的原因進行分類。

一.按裂縫所在的結構部位分類如前述，可按裂縫所在部位的不同，分為基礎裂縫、牆、柱裂縫、梁、板裂縫等多種裂縫。從不同的裂縫類型就可判斷和識別其不同的性質。這也是在最初進行裂縫檢測階段的裂縫分類方法，為的是讓檢測報告的讀者先對裂縫分佈情況和事故嚴重程度知道個輪廓。結構裂縫分類

二.按裂縫成因分類在進行裂縫機理分析、尋找事故原因階段，最適於按裂縫成因分類。這種分類方法多出現於裂縫研究報告。但在裂縫處理與結構加固階段，為了表述和操作方便，仍以按裂縫所在部位分類比較直觀。1.荷載超限裂縫由於結構所承受的荷載超過了允許限額——規範和設計規定的極限荷載，使結構構件的內應力超過了其材料允許強度而產生的結構裂縫，稱為荷載超限裂縫。隨著外部荷載條件的不同與內部應力狀態的不同，又可細劃分為下麵幾種不同的結構裂縫類型。細分裂縫類型的目的，只是為了便於進行結構裂縫機理的研究。結構裂縫分類

(1)彎折裂縫——脆裂狀，∧字型，比如梁的變形(撓度)太大引起梁底混凝土保護層崩裂所呈現的裂縫。(2)彎拉裂縫——撕開狀，刀口型，比如梁底受拉主筋屈伏之初所形成的梁底彎曲張拉裂縫。(3)軸拉裂縫——張拉狀，棗核型，比如梁側立面上由於冷縮變形引起的軸向張拉裂縫。(4)剪切裂縫——錯口狀，滑移型，比如筏板或無梁樓板沖剪破壞所引起滑移錯動裂縫。(5)剪拉裂縫——錯動狀，分離型，比如鋼筋混凝土梁端節點出現的張開型剪切裂縫。(6)剪壓裂縫——錯動狀，閉合型，比如鋼筋混凝土梁端節點出現的閉合型剪切裂縫。(7)剪脹裂縫——鬆散狀，崩裂型，比如橋樑支座下由於壓力集中引起的剪脹裂縫，呈鬆散狀，崩裂型。結構裂縫分類

(8)壓屈裂縫——碎損狀，雜亂型，比如壓力機下混凝土試塊最後屈伏階段所呈現的碎損裂縫。(9)扭剪裂縫——無規則，扭損型，比如地震條件下框架柱節點附近出現的無規則裂縫。荷載超限裂縫將在第4章專門討論。2.地基下沉裂縫地基下沉裂縫是建築物上的常見裂縫，也是機理比較複雜、危險性比較大的一種裂縫。其特性是源於地基的不均勻下沉，因此裂縫必然首先出現在基礎面上，如地基梁、筏板基礎等敏感的部位；然後出現在建築物周圍的勒腳和散水坡上，並逐步反應在底層牆的窗臺下和窗角上、底層框架柱的節點附近。只有發展到極嚴重階段，底層結構剛度被極大削弱以後，才逐漸向上層擴展。同樣，地基下沉裂縫也可細分為多類，這些內容將在後面第5章中專門討論。結構裂縫分類

3.變形失調裂縫長期以來，人們在結構設計工作中，其精力基本上完全集中用在結構內力計算工作上，並滿足於力學上的數字平衡，而對於變形協調條件的關注卻很不夠。其實，用仿生學的觀點來分析與研究工程事故，就不難悟出：變形協調條件往往比力學平衡條件更為重要。變形失調對結構裂縫來說要更為敏感，更容易發展成坍塌事故。在工程結構中，變形失調現象主要表現在以下幾個方面。1)溫濕度變化引起的變形失調溫濕度變化是一種每時每刻都存在的無法規避的客觀規律。而熱脹、冷縮、濕脹、幹縮，又是所有建築材料的物理屬性。因此，溫濕度變化引起的結構變形失調現象是一種最普遍也是最嚴峻的現象。由於變形失調，進一步加劇了結構裂縫的發生發展。結構裂縫分類

2)線脹係數(材料性能)不同引起的變形失調每一種材料都有其不同的線脹係數，就拿磚石、混凝土和鋼材這幾種最基本的建築材料來說，其線脹係數也都有差別舉例如下。(1)磚石砌體的線脹係數。(2)素混凝土的線脹係數。(3)鋼筋混凝土的線脹係數。(4)鋼材的線脹係數。建築物所有結構都是由多種建築材料組合而成，因此，即使在溫濕度條件相同的情況下各種材料也就是結構的各個部位均有不同的脹縮變形現象存在，很難協調，裂縫現象也就很難避免。結構裂縫分類

3)構件剛度分佈不均引起的變形失調結構構件的剛度是與構件斷面的慣性矩和彈性模量密切相關的，結構構件變形則與結構剛度成反比。結構構件之間如果各自擁有的剛度互不適應，或結構體系的剛度分佈不均勻，則必然引起結構的變形失調，導致結構裂縫。4)構件斷面內的變形失調壓彎構件的結構計算是建立在平斷面假定和平衡設計假定基礎之上的。要維持這兩個假定的成立，就必須滿足構件斷面內的變形協調條件。也就是斷面中性軸不變，中性軸以上的壓縮變形和中性軸以下的拉伸變形，以及混凝土的極限壓縮變形和鋼筋的極限拉伸變形都必須滿足變形協調條件。否則，就將在斷面內出現變形失調，引起結構裂縫甚至坍毀。結構裂縫分類

5)梁板之間的變形失調梁與板是結構體系中的兩個重要成員，梁板之間的變形不協調將導致抵抗力偏低的板面會出現裂縫現象。而較嚴重的板面裂縫會直接導致板的使用功能喪失，比如板面滲漏，地面磚碎裂、室內裝修汙損，這些最為用戶所忌諱與關注。因此對梁板變形協調問題給予高度關注是很有必要的。6)梁、柱之間的變形失調梁與柱是結構體系中的中流砥柱，相當於支撐人體的脊樑骨，來不得半點含糊。梁與柱之間的變形不協調，比如強梁弱柱，則必然在柱上出現裂縫，形成薄弱環節，導致坍塌危險。與其走強梁弱柱路線，冒結構坍塌之險，倒不如走強柱弱梁之道，讓裂縫首先出現在梁上，形成塑性鉸，放鬆對柱的約束程度。雖然體系的整體剛度削弱了，承載能力衰減了，但尚能維持不倒狀態，免於坍塌之險。當然最理想的路線是謀求梁柱之間的變形協調，只是由於影響梁柱變形協調的因素太多，這條路線難度極大。結構裂縫分類

7)框架與填充牆之間的變形失調填充牆本來並不承受荷載，填充牆上出現些許裂縫也無關緊要。但是如果框架與填充牆之間的變形嚴重失調，牆面裂縫現象特別嚴重，在當前市場對居住環境高標準、高裝修、高質量要求特別強烈的條件下，牆面裂縫嚴重損壞牆面裝飾，這是很難被人們接受的。因此，從設計與施工角度如何防止框架與填充牆的變形失調也成了重要課題。

8)結構體系內部的系統變形失調作為結構體系，如框架體系、框剪體系，框筒體系、剪力牆體系……其體系內的剛度分佈必須是協調的，系統內部彼此之間的剛度必須是互相適應的。否則，必然出現體系整體變形不協調的問題。

9)上部結構與基礎的剛度可以說是無限大的，而地基的剛度，尤其是軟弱地基的剛度則極小，彼此之間必然存在變形不協調的問題，最容易導致地基不均勻沉降，引起結構裂縫甚至整體坍塌事故。關於變形失調裂縫問題將在第7章再作進一步深入探討。結構裂縫分類

4.溫濕脹縮裂縫溫濕脹縮裂縫是變形失調裂縫中的主體，所以在裂縫分類中將它單獨列出，以便引起關注。溫濕脹縮裂縫是建築物上最常見的裂縫。有人宣稱“世界上沒有不裂縫的建築物”，指的就是溫濕脹縮裂縫實在很難避免。因為溫濕度是客觀環境賦予結構構件的一種物理屬性，它既無處不在，無時不在，又隨時在變化著，導致了結構構件內部微結構(分子)的脹縮變形，因而產生內應力，引起裂縫。但是構件在自由脹縮條件下並不產生內應力，也不至於出現裂縫，只有在受約束條件下，其自由脹縮被限制了，才會產生應力和裂縫。因此，產生溫濕脹縮裂縫的前提條件有三個：結構裂縫分類

1)約束條件。約束條件隨約束程度而變，百分之百受約束時稱全約束，可用約束係數1.0來表達；百分之百放鬆時為不約束，可用約束係數0來表達。多數結構的受約束條件只是部分約束，隨約束程度的高低不同調整約束係數，變化幅度在0～1之間，用約束係數來表述。

2)線脹係數。由於建築材料的不同，其物理性能、線脹係數也完全不同。因此，即使在約束程度相同，溫濕度條件相同的情況下，不同材料組成的結構構件之間也會產生不同的脹縮量，形成脹縮應力，導致結構裂縫。線脹係數用α表示。

3)溫(濕)差幅度。溫(濕)差幅度是隨環境氣候條件而變化的，即使像沿海地帶氣候比較溫和，溫(濕)差變化幅度比較小，但季節性溫差也在30℃以上，加上幹濕脹縮當量溫差，計算溫差則在40℃以上。內陸幹熱嚴寒地區，計算溫差一般都在60℃以上。最突出的地區比如格裏木盆地，其晝夜溫差就達30℃，季節性極限溫差在70℃以上，因此其溫(濕)脹縮變形的計算溫差應當在80℃以上。如此大的計算溫差，如此強烈的脹縮變形作用，再加上強大的脹縮應力，導致的結構裂縫現象自然是很嚴重的，也很難被控制的。關於溫度脹縮裂縫問題將在第6章專門討論。結構裂縫分類

5.早期自生裂縫根據形成機理的不同，早期自生裂縫又可細分為以下三種類型：1)早期自生微裂縫混凝土的早期自生微裂縫發生在水泥水化過程中，由於水泥水化形成的水泥石的收縮作用，混凝土會形成裸眼難辨的微裂縫，出現在水泥石與粗細骨料接觸的介面上。這種微裂縫系水泥薄膜的化學作用收縮所致，並不會影響混凝土的後期強度，也與混凝土中、後期在環境條件變化和荷載應力狀態下出現的危險性結構裂縫無關。但由於高強混凝土或高性能混凝土的水泥用量大，一般為普通混凝土水泥用量的2倍左右，因此所含的水泥石薄膜比普通混凝土要厚得多，所以高性能混凝土或高強混凝土的早期自生微裂縫也比普通混凝土要嚴重得多，因而有人對高強混凝土或高性能混凝土的推廣與應用產生了疑慮，實際上是沒有必要的，因為高強混凝土的強度中包含了這種影響。結構裂縫分類

2)早期吸附分離裂縫含水量偏高的塑性混凝土在初凝前後的失水乾燥過程中，受周圍乾燥範本的吸附作用，在毛細吸附作用影響半徑範圍內的邊沿混凝土向範本移動。而在吸附半徑以外的混凝土則保持原地不動，甚至由於內聚力作用，還向中央地帶(相反方向)蠕動聚集。因而在中間地帶形成了一條沿周邊走向的塑性混凝土裂縫，稱之為塑性分離縫，如圖3.6所示。關於早期自生微裂縫的更深入分析參見第8章。結構裂縫分類

3)早期沉落阻滯裂縫高流動性混凝土入模搗固成型以後，還有一個相當長的依靠自重作用沉落的過程。在其自動沉落過程中，如果遇到貼近側範本的水準鋼筋或水準預埋件的阻滯或遇到範本水準介面的阻滯作用，使沉落作用不能順利地連續地完成，就會在阻滯線以下形成一條水準的阻滯裂縫。如圖3.7與圖3.8所示。結構裂縫分類

6.其他特殊反應裂損以上五種裂縫是最常見的裂縫。但在很多情況下，裂縫形成的原因及其開裂機理很特殊，並不屬於以上的常見裂縫，而是由於以下幾種特殊反應所致。1)雜散電流腐蝕裂損鋼筋混凝土結構內部出現雜散電流的原因是由於結構材料質地不勻、組織多變，形成電位差；或因存在漏電現象和靜電感應現象，形成雜散電流，構成對鋼筋的電化學腐蝕，導致結構裂縫。2)堿骨料反應裂損澆築混凝土用的碎石或卵石中如果含有較多的活性骨料，比如蛋白石、方石英、流紋岩、安山岩、白雲石等，會與水泥的高鹼度發生反應，產生體積膨脹的膠體，從內部將混凝土脹裂、崩開、剝落，這種裂損往往無法救治。3)氯離子腐蝕裂損氯離子對鋼筋混凝土有強烈的腐蝕作用。氯離子富集於沿海地區的潮濕空氣中，更富集於海水和海砂中，因此，受潮汐直接襲擊的海港碼頭堤岸工程，用海水和海砂代替自來水和河砂澆築混凝土的一切工程，受氯離子的腐蝕作用最嚴重。還有北方冬天直接撒氯鹽防凍的路面、橋樑工程，用氯化鈣防凍進行冬季施工的工程，都受到氯離子直接腐蝕作用。結構裂縫分類

4)酸腐蝕裂損普通矽酸鹽水泥混凝土沒有耐酸腐蝕能力，在與各種酸類及硫酸鹽接觸的環境中，自然有酸性腐蝕問題，必須考慮。5)鹽漬土腐蝕碎損鹽漬土腐蝕混凝土的現象比氯離子腐蝕現象更可怕，這是一個新課題。我國內陸新疆、青海、西藏、內蒙等地區存在大量的鹹水內湖，鹽漬土面積幾乎占了全國版圖的一半。這些飽含鹵