温湿胀缩变形裂损机理课件

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溫濕脹縮變形裂損機理溫濕脹縮與自然環境一.溫度與濕度溫度與濕度因素存在於自然界任何一個角落裏，是不以人們意志為轉移的客觀自然規律。對於工程結構來說，溫度與濕度變化因素也可以說是不可避免的。二.脹縮現象的危害性熱脹冷縮和濕脹幹縮現象對於工程結構來說，其危害性卻很大。正像人們患的傷風感冒，雖然不曾引起人們足夠的關注，但有可能引發其他重大疾病。同樣，導致工程結構裂損倒塌的大事故，也往往都從幾條微不足道的溫度裂縫開始。關於這一點，從事工程事故分析工作的工程師們應該有一個清醒的認識。幹濕脹縮與當量溫差

一.幹濕脹縮現象的影響因素影響工程結構或混凝土幹縮、濕脹變化的因素很多，首先是時間、溫度、風速等直接影響結構或混凝土濕度效果的因素；其次還有水泥品種、水泥細度、水泥用量、水灰比、用水量、砂石品質、砂石級配、澆搗品質、養護條件等眾多複雜因素。每一個因素的影響程度都不可能用準確的數字來進行計算或表達，只能引入一個個計算參數來進行一些近似的估計，但這樣作沒有實用意義，因為幹縮現象的評估或幹縮應力與幹縮裂縫的分析是個難度很大的工作。二.幹縮當量溫差在實際工作中，人們為了方便，只能憑經驗對混凝土的幹縮現象、幹縮應力和幹縮裂縫進行宏觀上的模糊控制。據統計，在一般的環境條件、材料選擇和施工操作情況下，混凝土從澆築終凝到全乾燥這個時段發生的總幹縮量，相當於混凝土在溫度下降了15℃左右這個幅度範圍內的冷縮量。為了計算上的方便，也就把這個15℃左右的溫度作為估算混凝土幹縮量的當量溫差，合併到溫度應力和溫度脹縮計算程式中去。脹縮變形與結構裂縫

一.三個條件下麵所說的脹縮現象是熱脹冷縮現象，已將幹縮當量溫差包括進去。混凝土及其結構構件在溫度變化下要產生相應的熱脹冷縮現象，並形成應力，出現裂縫是離不開以下三個條件的，不僅理論上如此，實踐中也有了充分的案例證明。1.溫度變化條件所謂脹、縮、變形，都是相對而言，如果溫度永久保持在不變狀態，就談不上熱脹冷縮，談不上溫度應力和溫度裂縫的問題。所以要研究分析溫度應力和溫度裂縫，必須有一個相對而言的基準溫度T。這個基準溫度T多指混凝土終凝達到一定強度時的施工溫度。在這個溫度基礎上，隨著氣溫的變化，混凝土的溫度升高了，相對於施工時的溫度與狀態來說必會產生熱脹現象。溫度降低了，就會產生冷縮現象。既然熱脹冷縮現象是相對而言，也可把結構構件的局部溫度，比如把外牆板室內側的溫度視為基準溫度，則外牆板室外側的溫度在嚴冬時大幅度下降，外牆板外側就會出現冷縮現象和冷縮裂縫。內外側牆面上的溫度差就成了溫度應力與溫度裂縫的計算溫差。總之，沒有溫差，就不會有脹縮現象，也沒有溫度應力和溫度裂縫問題。脹縮變形與結構裂縫

2.結構約束條件事實上，包括混凝土等結構構件在內的任何物體，在其不受任何約束的條件下，完全可以自由脹縮，並不會產生任何內應力，也不會出現裂縫。只有在其脹縮現象受到制約的條件下，才能產生應力和裂縫。必須注意，這裏所說的裂縫並不單指人們通常所說的冷縮裂縫或收縮裂縫，還要包括熱脹裂縫。結構構件的受約束程度是隨結構構件，尤其是節點構造的不同而變化的。約束程度越高，所產生的脹縮應力就越大，裂縫現象就可能越嚴重。約束程度以約束係數表達，通常將百分之百的全約束程度用約束係數來表示，而把百分之百放鬆的情況用來表示，一般現澆鋼筋混凝土結構的約束係數都在0.5以上。3.線脹係數條件線脹係數表徵著各種材料在溫度變化下熱脹冷縮一個度量的指標，常用建築材料的線脹係數見前面第3章的3.4節。碳纖維的線脹係數則為負值，不是熱脹冷縮，而是熱縮冷脹，這一點，也值得關注。研究結構溫度應力、溫度裂縫問題，還必須研究線脹係數這個相對固定的條件。脹縮變形與結構裂縫

二.脹縮應變計算根據定義及條件，得到脹縮應變的計算公式為

(6-1)式中：——脹縮應變量；

——約束程度係數；

——線脹係數；

——計算溫度差。當計算應變量之值大於混凝土的極限應變(抗拉極限)1×10－4時混凝土就會出現裂縫。裂縫機理分類

一.冷縮裂縫1.板面冷縮裂縫板面冷縮剪切裂縫又分外牆板外表面裂縫與屋面板板底面裂縫兩種情況。在嚴冬氣候條件下，外牆板外表面溫度接近氣溫，在北方地區，往往在0℃以下，而內表面則接近室溫，一般在+20℃左右；屋面板，尤其是沒有及時作好保溫隔熱層或者是保溫隔熱層年久失效的屋面板，板頂溫度接近室外氣溫，偏低；而板底接近室內氣溫，偏高，不論是外牆板還是屋頂板，都有一個板面計算溫差存在。以高溫一側為基準溫度，則低溫側溫差幅度都在30℃以上。低溫側產生強烈的冷縮趨勢，直接受到斷面上高溫一側的制約，就在高溫側產生熱脹引起的壓力，低溫側產生了一個抵抗冷縮的應力，這個均勻分佈於全板面內的冷縮應力就將使低溫側板面產生冷縮裂縫。本來冷縮應力應該機會均等，但是哪里約束程度高而抵抗力小，裂縫就先在哪里出現。因此，屋面板上的冷縮裂縫首先出現在與短向跨度支座平行處附近，也可能逐步向長向跨度支座平行處發展。而外牆板內因為存在一個自重或荷載而產生的垂直壓應力，可以與垂直方向的冷縮應力相抵消，所以冷縮裂縫只出現在垂直方向，而不出現在水準方向，(如圖6.1所示)。裂縫機理分類

裂縫機理分類

2.板角冷縮切角裂縫夏季施工的樓面梁板在驟然降溫的條件下，面大且薄的板面不僅降溫冷縮速度快，而且幹縮量也比斷面相對要大許多的梁要大而快，板與梁之間就有一個收縮量差的問題，不等量的收縮變形必定在梁、板接觸的介面上產生一個制約(抵抗)收縮的剪應力，這個剪應力就是產生板面切角裂縫的原因(如圖6.2所示)。裂縫機理分類

應該說明，在外框架梁熱脹量過大，板的熱脹量小，甚至還產生冷縮與幹縮的情況下，也同樣能產生板面切角裂縫，只是與前一種機理相反，經仔細觀察，兩種裂縫外表完全相似，只是產生的時節不一樣。在事故分析工作中，這些都是必須關注的細節問題。裂縫機理分類

3.大體積混凝土表面冷縮張拉裂縫大體積混凝土在澆築後3天～7天的時間內，體內釋放了大量的水泥水化熱，導致了混凝土升溫、熱脹，體積內部溫度高，體積表面溫度低，內外形成較大溫差，如果就在這時候來一個寒潮，混凝土外表收縮更大，就會導致嚴重的表面裂縫問題。這種裂縫屬於表面冷縮張拉裂縫，沒有方向性。關於大體積混凝土的養護溫度調控與抗裂問題，在後面的第20章還將作專門討論。裂縫機理分類

4.框架梁軸向冷縮張拉裂縫大量的框架梁，尤其是那些敞開通風，暴露於外的框架梁，一旦受到寒流襲擊，梁端在框架節點的強勁約束下，會在梁身產生強大的冷縮應力。由於框架梁中性軸附近的腰筋配置量嚴重不足，抗冷縮變形能力低，就會在梁的中性軸附近產生兩端細、中間粗、走向垂直的棗核型裂縫。由於梁頂存在由於荷載引起的壓應力，可以與冷縮應力抵消，而梁底則配有足夠的受力筋，有足夠的抗裂能力，所以棗核形裂縫只是上不到頂，下不及底而出現在中腰。某中學教學樓出現的800餘條裂縫，就是屬於棗核型冷縮裂縫。裂縫機理分類

二.熱脹裂縫混凝土結構在升溫熱脹的條件下，只產生膨脹效應和壓應力，不應該產生裂縫。長期以來，至少是召開國內第一次結構裂縫會議——上海會議以來，工程學術界都是這麼認為的，因此在鋼筋混凝土結構理論中就沒有熱脹裂縫這名稱與說法。前些年，有人還將地下室牆面、板面上出現的所有裂縫，包括外牆板的內、外兩面在盛夏與嚴冬條件下出現的不同裂縫，統統歸納成收縮裂縫，甚至把裂縫原因歸於高性能、高強度混凝土的早期微裂現象。此種認識有不妥之處，值得探討。不論從那個角度看，下列幾種裂縫，歸屬於熱脹裂縫，才算比較確切。1.火災中的煤倉外表裂縫某煤倉在施工中因電焊引起範本著火，從而引起了火災。災後見到的是內壁面混凝土被燒焦，而外牆面有大量豎直脹裂裂縫存在。裂縫機理分類

2.烈日下的屋頂板板底裂縫在烈日曝曬下的屋頂板，板面溫度升高膨脹，在板斷面內產生了偏心壓應力，從而導致了板底面的偏心力矩，引起張拉裂縫。3.烈日輻射下的地下室外牆板內立面上豎直裂縫一般情況下地下室外牆板內立面上的豎直裂縫出現在夏季，顯然系因外側遭曬烤膨脹引起的內壁張拉應力所致。相反，外牆板外側立面上也出現了豎直裂縫，該裂縫的成因和機理卻迥然不同，系外側面直接冷縮引起。4.正常氣溫條件下的大體積混凝土表面的無方向性裂縫大體積混凝土澆築以後，尚在水泥水化熱階段，溫度高、體積膨脹，如果遇到的是驟至的寒潮低溫，可以認為是混凝土表面冷縮裂縫。如果遇到的是酷暑高溫，就可能會保持內外溫度平衡，差別不大，相安無事，裂縫可能不會出現。如果遇到的是正常溫度，則顯然應理解為體內水化熱升溫膨脹引起的表面張拉裂縫。其生成機理與板的一側受高溫曬烤引起的低溫側裂縫完全一致。裂縫機理分類

三.板(梁)面熱脹與冷縮應力的理論計算公式溫差內力分析如圖6.3所示。

裂縫機理分類

(1)條件。梁(板)斷面bh、彈性模量E、梁(板)頂面溫度t1、底面溫度t2、t1>t2，呈均勻變化，t1－t2=t0(2)公式推導。以中性軸處的溫度視為平均溫度條件下頂面壓縮應變(6-2)頂面壓縮應力(6-3)斷面合壓力(6-4)底面拉伸應變(6-5)底面拉伸應力(6-6)斷面合拉力(6-7)斷面溫度力偶(6-8)式中：

——梁(板)的斷面慣性矩。裂縫機理分類

3.計算結論從以上公式推導，得到了以下結論：(1)全跨度溫度應力和彎矩圖形為矩形，正彎矩，在低溫一側全跨度內彎矩強度或溫度應力強度為均等。因此，全跨度內低溫側裂縫機會為均等。(2)低溫側永遠為拉應力區，高溫側永遠為壓應力區，因此，溫度裂縫只出現在低溫一側，不出現在高溫一側。(3)兩面出現溫差原因系高溫一側吸收外熱引起，則應定義為熱脹裂縫；系低溫一側失熱引起(散熱引起)，則應定義為冷縮裂縫。但不論熱脹裂縫還是冷縮裂縫，必定只出現在低溫一側，不會向中性軸以上擴展，永遠不會形成貫穿性裂縫。(4)實際工程中出現兩面貫穿性裂縫，既存在因夏天曝曬吸熱的問題，又存在因冬天嚴寒失熱問題，兩種原因並存，裂縫才會貫穿。裂縫處理

溫度應力的產生既然是基於約束程度、溫差幅度與線脹係數三個條件，裂縫發生發展到一定程度，內能(應變能)釋放，應力鬆弛，約束程度就會逐漸放鬆。三個條件失去一個(約束條件)以後，裂縫就不會繼續發展，只要不出現其他伴生裂縫，尤其是雜交裂縫，對結構安全是不會有直接威脅的。但既然出現了裂縫，對結構的剛度和整體性就有了削弱，不進行處理，就是帶病工作，很可能導致大事故。因此，待裂縫一穩定，就應該及時進行裂縫封閉處理。關於伸縮縫間距問題的討論

關於建築結構的允許長度，各國不同時期制訂的規範都作過明確規定。我國現行混凝土結構規範GB50010—2002也就此作了相應規定：室內條件下的鋼筋混凝土框架限長為55m，室外條件下則限長為35m。各國各種規範的規定數值差別很大，這是一個很有爭議的問題，為了加強對溫度脹縮裂縫機理問題的認識，不妨在這裏作一些討論。當前國際上關於這個問題存在著兩個學派，一派主張“放”，一派主張“抗”。各國規範對伸縮縫間距做出規定，就是接受了主張“放”的主流派的觀點。其觀點是：鑒於在熱脹冷縮作用下，過長的建築物總的熱脹冷縮量太大，會導致建築物中間出現大量裂縫。為了減少裂縫，就只有將長度縮小，留置更多的伸縮縫，主動將建築物進行分段放鬆，免得被動地出現大量的不規則裂縫。這就是“放”的方法。“抗”的觀點與之相反，主張強化結構自身，爭取主動，控制裂縫，保持建築結構應有的長度及其整體性，不設伸縮縫。兩種觀點都有一定道理，現試討論如下。關於伸縮縫間距問題的討論

一.“放”的麻煩性對於一個建築結構來說，能保持其整體性當然是理想的，要人為地將它劃分成若干段，不僅會喪失整體性，而且會帶來很多麻煩。比如一個600多米長的廠房，如果按30m左右留一道伸縮縫，就要將一個完整的廠房分割成二十幾段，中間要留置二十幾道伸縮縫。伸縮縫要增加工作量，要解決屋面防雨，地下防滲，側面防風問題，如果使用不利，就會給管理帶來麻煩，給工程增加造價，對工程的安全性與耐久性都有負面影響。因此認為，放的辦法，只有不得已而為之。關於伸縮縫間距問題的討論

二.“放”的有效性用伸縮縫放鬆以後，是否就可取得建築結構不致裂縫或減少裂縫的效果，應作一些具體分析。1.定量分析現以一道鋼筋混凝土圍牆為例，來做定量分析。設牆基對圍牆的約束係數為0.5，圍牆的計算溫差取30℃的最低值，按理論計算，其脹縮應變已大於鋼筋混凝土的極限抗拉伸應變，顯然會出現裂縫。計算公式表明，脹縮應變量指單位長度範圍內的應變值，與結構總長度並無關系。只有裂縫的總條數與裂縫的總寬度才與結構長度有關。這一性質也說明，不管怎樣劃分結構長度，裂縫總是會分散出現，不會以人們意志為轉移，集中出現到伸縮縫去。因此說明“放”的辦法並不會完全消除裂縫，只能是分散裂縫。關於伸縮縫間距問題的討論

2.定性分析在冷縮條件下，由於上部結構圍牆的冷縮，要受到無冷縮的地基的制約，因而會在圍牆與地基的接觸介面上產生一組均勻分佈的背向阻抗剪應力。這組剪應力對於牆板來說是偏心張拉力，以牆板的長向中分線為不動點，剪切阻抗應力從牆端向不動點逐漸聚集，聚集到不動點時其值為最大。當其值已大於牆板的允許抗拉能力時，裂縫就會在中分線上產生，將牆板一分為二，然後二分為四，循序遞進，直至將長牆板分到極短時，地基對牆板的約束程度已低到可以忽略不計，裂縫才會終止。對於短牆板來說，不同之處只是因為其長度短一些，半段牆上聚集起來的阻抗剪切力可能值要低一些，因此中分線上裂縫的起步計算溫度可能要高一些，也就是裂縫會出現得稍晚一些而已。但一分為二、二分為四……的開裂規律並不會改變，如圖6.