荷載超限裂縫機理課件

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荷載超限裂縫機理一．荷載標準和安全水準荷載狀態(tài)荷載標準是安全水準的基礎。以荷載標準值再乘以荷載分項系數(shù)(即超載系數(shù))將荷載值放大，再從另一方面將材料強度標準值乘以材料分項系數(shù)將材料強度計算值縮小，得到的綜合安全系數(shù)就取得了最終的安全儲備。比較起來，我國荷載標準值在國際上處于較低水平。以量大面廣的居住用房與辦公用房為例，我國的標準荷載取值為150kgf/m2(新規(guī)范為200kgf/m2)，而美、加兩國則取240kgf/m2，英國取250kgf/m2，法、德、俄取200kgf/m2，日本取290kgf/m2，澳大利亞取300kgf/m2，且我國的荷載分項系數(shù)取1.4，而美、加取1.7，英國取1.6。因此我國的荷載安全水準實際上只有美國的51.5％和英國的52.5％，顯然是偏低了許多。但是我國荷載標準也是經(jīng)過大量的實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和長期的工程實踐考查驗證過的。從現(xiàn)實情況考察，在符合國情的生活與辦公用房中，最主要的活荷載也只是常用家具在起控制作用，采用150×1.4＝210kgf/m2或200×1.4＝280kgf/m2的設計荷載，也應該認為綽綽有余了。當前居高不下的結構裂縫現(xiàn)象和工程事故發(fā)生率是否真正與荷載安全水準偏低有關，是一個值得研究與探討的問題荷載狀態(tài)二.承載力極限狀態(tài)根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，現(xiàn)行的設計都是保證滿足結構承載力極限狀態(tài)要求的，也就是滿足力學平衡條件。保證結構的任何構件，任何部位在荷載條件下所產(chǎn)生的內(nèi)應力不超過其材料允許強度，保證構件和體系的穩(wěn)定，保證構件和體系在長期工作條件下不進入不允許的變形狀態(tài)。既然如此，也就不應該出現(xiàn)危險性的結構裂縫，更不應該形成事故。那么，居高不下的結構裂縫現(xiàn)象和安全事故原因值得探討。荷載狀態(tài)三.正常使用極限狀態(tài)現(xiàn)行規(guī)范明確了結構設計必須滿足正常使用極限狀態(tài)的要求，還特別對裂縫控制和變形控制作了詳細規(guī)定，裂縫寬度控制在0.2mm～0.4mm的范圍內(nèi)；各種梁的撓度控制在1/200～1/600跨度范圍內(nèi)；地基基礎的沉降差控制在3/1000傾斜的范圍內(nèi)；高層建筑的頂點位移控制在1/400～1/1000樓高的范圍內(nèi)；層間位移控制在1/550～1/1200層高范圍內(nèi)。從以上的控制水準來看，TJ10-74、GBJ10-89、GB50010—2002三代規(guī)范基本上保持原地踏步，沒有多少與承載力安全水準提高相適應的變化，因此認為存在安全水準偏低的問題，這是否就是引起裂縫的主要原因，值得作深入研討。荷載狀態(tài)四.超載狀態(tài)按理只有在荷載條件超過了兩種極限狀態(tài)規(guī)定的標準限額時，才會導致結構裂縫，引發(fā)工程事故。可是有關工作人員在長期的大量的工程事故分析工作中發(fā)現(xiàn)，極少遇到過荷載超限的情況出現(xiàn)。大量的結構裂損事故甚至工程坍塌事故往往出現(xiàn)在負荷未滿，遠遠沒有達到設計計算值的情況下。原因是應該研討的。相反，在一些現(xiàn)場進行的荷載試驗中，或者在進行結構拆除的實踐中還發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構具有很大的延性，即使在超載狀態(tài)下，仍具有很高的抗裂損抗傾覆能力，很不容易進入坍塌狀況，這又從另一方面提出了疑問，都是應該深入研討的。荷載狀態(tài)五.非常狀態(tài)這里所指的結構非常狀態(tài)是指結構的帶病工作狀態(tài)。在正常情況下，由于有各種安全系數(shù)的保護，結構即使在承載力極限狀態(tài)或正常使用極限狀態(tài)下也不一定出現(xiàn)結構裂縫。可是由于某種偶然的特殊原因乘虛而入，導致了結構局部出現(xiàn)了某種裂縫，則已成為病態(tài)。在帶病工作狀態(tài)下，結構構件或整個體系的剛度銳減，計算圖形或計算模型都可能大不一樣，情況也就迥然不同了。很多本不應該出現(xiàn)的結構構件裂損事故或工程坍塌事故，可以說絕大多數(shù)都是結構在帶病工作的情況下出現(xiàn)的。因此認為，加強工程事故防范工作，應從勘察、設計、施工到使用的每一個階段，隨時給予關注。對結構裂縫等異常現(xiàn)象，宜及時處理，以免帶病工作，釀成事故。應力狀態(tài)

一.內(nèi)力圖形結構裂縫是由于結構在荷載作用條件下所產(chǎn)生的內(nèi)力值超過了結構材料的強度允許值而形成。研究結構裂縫機理，應從研究結構的內(nèi)力圖形開始。結構構件的內(nèi)力圖形包括彎矩圖和剪力圖。試以最常見的簡支梁與固端梁為例，來說明其分別在均布荷載與集中荷載兩種情況下的彎矩圖形及剪力圖形的變化(如圖4.1所示)。并進一步對由彎曲應力與剪應力合成的主拉應力進行研究。因為主拉應力是直接產(chǎn)生結構裂縫的作用力。應力狀態(tài)

應力狀態(tài)

二.主拉應力狀態(tài)從跨度內(nèi)的彎矩圖形與剪力圖形來考察主拉應力的變化狀態(tài)(如圖4.2所示)，就可推知全跨度范圍內(nèi)結構裂縫可能出現(xiàn)的狀態(tài)，就以簡支梁在均布荷載條件下為例，梁的跨中彎矩為最大，因此梁底拉應力也為最大，拉應力方向為水平，而跨中的剪應力則為零，所以主拉應力方向也只能是彎曲拉應力的方向，其值為,此拉應力在一般情況下，完全由梁底充足的配筋所承受。因此不致出現(xiàn)規(guī)范允許以外的裂縫。在梁底支座附近，彎矩等于零，彎曲應力(水平向)已不存在，僅存在垂直方向的最大剪應力，而在一般情況下，剪力設計值V控制在0.2～0.25fcbho范圍之內(nèi)，也就是梁的斷面bho提供的抗剪強度有足夠的安全儲備，純剪破壞現(xiàn)象是絕對不會發(fā)生的。只有在從跨中到支座之間這個范圍內(nèi)，隨著水平方向彎曲應力的逐漸減小，垂直方向剪應力的逐漸加強，主拉應力的方向由水平逐漸向右下方傾斜，發(fā)展到支座附近時主拉應力方向趨近于45°的方向。這就是主拉應力的應力狀態(tài)，如附圖4.2(d)。應力狀態(tài)

應力狀態(tài)

三.壓應力狀態(tài)1.支座處壓應力狀態(tài)(1)在集中荷載作用下其實際作用面積At小，而支座的承壓計算面積Ab大的情況下，即Ab>At時，如圖4.3(a)、(b)所示，壓應力得到擴散，則支座下構件產(chǎn)生裂縫的可能性不會大。(2)在集中荷載作用于支座邊緣，壓應力不能擴散，即壓力的實際作用面積與承壓計算面積相等，也就是At=Ab的情況下，如圖4.3(c)。壓應力失去了擴散衰減的機會，壓應力超載裂縫就可能產(chǎn)生，因此，集中壓力的偏心作用現(xiàn)象在設計與施工中應該盡量避免。江西某商住樓坍塌事故就是教訓。(3)不管屬于圖4.3(a)、(b)，還是圖4.3(c)的情況，集中壓力在傳遞擴散過程中，會產(chǎn)生水平方向的剪脹力，形成豎向成束狀的剪脹裂縫。這是一種危險性很大的裂縫。北京礦業(yè)學院教學大樓坍塌事故、江西某商住樓坍塌事故都與這種剪脹裂縫有關。應力狀態(tài)

應力狀態(tài)

2.梁內(nèi)的壓應力狀態(tài)梁內(nèi)壓應力按線性規(guī)律分布于梁的中性軸以上。應力強度隨彎矩的變化而變化。根據(jù)梁斷面的平衡破壞設計理論進行足夠配筋和混凝土抗壓強度偏高的優(yōu)勢，梁內(nèi)出現(xiàn)壓應力超限導致結構裂縫引起事故的幾率很低。只是在預應力混凝土構件中，梁端的底部本來是因負彎矩的存在而屬于壓應力區(qū)，如果預應力張拉索在梁端底部區(qū)域沒有及時彎起轉向梁頂區(qū)域，則梁底可能會壓應力超限，引起剪壓破壞的危險，如圖4.4所示。應力狀態(tài)

應力狀態(tài)

四.屋(桁)架節(jié)點內(nèi)的應力狀態(tài)理論上桁架(或屋架)僅有受軸向力的壓桿和拉桿兩種構件，除了節(jié)點區(qū)在由壓力向拉力轉化過程中應力狀態(tài)比較復雜外，桿件應力狀態(tài)應該是很規(guī)范的?？墒怯捎阼旒軜嬙斐叽缟系氖┕ふ`差，或因桿件自重應力和溫濕度脹縮變形應力的存在，實際工程中的桁(屋)架的應力狀態(tài)仍是復雜的。次應力多集中出現(xiàn)在節(jié)點區(qū)附近，尤其是端節(jié)點，往往存在剪應力。這兩種應力引起的裂縫導致的結構的損傷與破壞屬于脆性破壞。在工程事故分析工作中，必須倍加注意。應力狀態(tài)

五.應力合成與應力疊加在很多情況下，結構構件上的裂縫分布情況與理論分析得到的結構應力分析情況不是很吻合。本來裂縫開展的方向與應力方向應該正交，實際情況是方向有很大偏離。本來裂縫分布應該很有規(guī)律，實際裂縫分布卻常常沒有規(guī)律。出現(xiàn)這樣的異常情況是因為產(chǎn)生了應力合成與應力疊加的問題。1.應力合成在同一荷載條件下產(chǎn)生的兩種應力比如垂直方向的剪應力與水平方向的張拉應力經(jīng)過合成以后，應該成為大小和方向一定的主拉應力，可是由于構件各個部位材料阻抗能力(抗裂能力)的不均勻，會導致裂縫方向略有改變。2.應力疊加當在一種荷載作用下結構已產(chǎn)生了某一種應力，如果又有另一荷載出現(xiàn)，產(chǎn)生了新的應力，兩種應力疊加，則不僅會影響應力和裂縫的走向，也會影響裂縫的產(chǎn)狀。這都是在裂縫機理分析過程中會遇到的異常情況。根據(jù)異常情況就可找出特殊的裂縫原因和事故原因。這都是工程事故分析工作中的關鍵點。裂縫狀態(tài)

本來裂縫狀態(tài)與應力狀態(tài)應該是直接相關，完全相應的。裂縫走向應該與理論分析的應力走向正交，裂縫產(chǎn)狀應該與應力圖形呼應。真若如此，則只須進行一次理論上的應力計算，繪出內(nèi)力圖形，裂縫和事故的真相也就會大白?？墒窃趯嶋H的工程事故分析工作中，情況并非完全如此，眼前的結構裂縫往往是產(chǎn)狀、走向多種多樣。原因在于實際工程的環(huán)境條件，內(nèi)在因素往往是千差萬別，錯綜復雜的。因此致裂因素也就錯綜復雜。要理出頭緒，首先應該從理論上的應力分析下手，再進行裂縫現(xiàn)狀的詳細檢測記錄，綜合觀察，對比分析，找出裂縫原因。最后才根據(jù)實際的裂縫狀態(tài)，認定裂縫的真實性質、發(fā)展趨勢及其危害性。出現(xiàn)在實際工程結構上的值得關注的危險裂縫狀態(tài)有下列多種，它們往往是惡性事故的元兇。裂縫狀態(tài)

一.沖剪裂縫沖剪裂縫多出現(xiàn)在柱頂或柱底的無梁板面上，比如無梁樓板或筏板基礎上。一般在設計過程中多把注意力集中在板的抗彎能力方面，而忽視了板的抗沖剪能力。沖剪裂縫環(huán)柱頭周邊均勻分布，危險性極大，接近脆性破壞，沒有延性，不給預警，如圖4.5所示。裂縫狀態(tài)

二.剪壓裂縫剪壓裂縫是剪力與壓力同時存在同時作用而形成的裂縫，如圖4.6所示。多出現(xiàn)在受力的桁(屋)架的端節(jié)點附近，裂縫雖然屬于擠壓、閉合型，從外表檢查，似乎裂縫寬度并不大，因而容易誤判成危險性不大，甚至被視為無害裂縫?？墒撬矊儆诖嘈云茐男土芽p，會沿裂縫面產(chǎn)生滑動，導致桁(屋)架體系變形、失穩(wěn)，直致猝然坍塌。裂縫狀態(tài)

三.剪拉裂縫在擠壓力、剪切力與拉力同時存在的情況下，其共同作用的結果，就產(chǎn)生剪拉裂縫。剪拉裂縫屬于錯動狀，張拉型裂縫。裂縫寬度大，不僅外觀上看來危險性大，實際上也是一種危險型裂縫。它多出現(xiàn)在鋼筋混凝土梁的支座附近或桁架的端節(jié)點附近，如圖4.7所示。裂縫狀態(tài)

四.剪脹或擠脹裂縫剪脹裂縫是在強大的集中荷載作用下結構在產(chǎn)生強大的壓縮變形的同時，由于壓縮機理尋求壓應力擴散的機會而自然形成與壓縮方向正交的變形，這也稱擠脹現(xiàn)象。擠脹裂縫則與壓縮變形方向平行，與剪脹方向垂直，并呈束狀出現(xiàn)，危險性極大。壓力機下混凝土試塊上最先出現(xiàn)的裂縫就屬于擠脹或稱剪脹裂縫(如圖4.8所示)。北京礦業(yè)學院教學樓倒塌事故發(fā)生時磚混夾心柱上出現(xiàn)的裂縫就屬于剪脹裂縫。裂縫狀態(tài)

五.脆性碎損如果在梁或板的受壓區(qū)的表面出現(xiàn)不規(guī)則的條、塊狀碎裂現(xiàn)象，則必然是梁、板剛度不夠，而配筋過量，導致了梁、板受壓區(qū)的抗壓或抗剪能力不夠，引起的脆性破壞，危險性極大。現(xiàn)時結構設計中很時尚的大客廳、小臥室、大跨度、薄樓板，卻仍在板內(nèi)用分離配筋的方式，沒有彎起鋼筋抗剪，最容易出現(xiàn)這樣的脆性碎損裂縫事故(如圖4.9所示)。裂縫狀態(tài)

六.雜交裂縫若兩種以上不同原因產(chǎn)生不同性質的裂縫，先后出現(xiàn)，迅速雜交，必具有很強的活力。其發(fā)展迅猛，一夜之間，可以將大樓破壞。江西某商住樓坍塌事故和北京礦業(yè)學院教學樓坍塌事故都是裂縫雜交促成的后果。七.其他裂縫其他裂縫主要指的是最常見的張拉裂縫，比如板面上的通長貫穿裂縫、墻面上的通長傾斜裂縫、梁側面的棗核型裂縫、梁底的密集型裂縫，這類裂縫的出現(xiàn)幾率最大，數(shù)量最多。因為它們往往影響使用功能，影響外觀，最被人們所關注，也是很有害的裂縫。但絕不是危險性最大的裂縫。在工程事故分析工作中應該心中有數(shù)，分別對待，以免陷于被動。安全評估

一.評估問題的提出按習慣，人們在遇到結構變形、裂縫等異?，F(xiàn)象時，最關心的有兩件事：一是設計是否滿足承載力要求；二是使用荷載是否超過設計限額。在未見到其他的明顯原因，比如地基下沉等情況時，往往只把注意力集中放在荷載問題上。一旦查明在荷載方面不存在問題時，就掉以輕心。而事故也就在這樣的情況下悄悄來臨。實踐證明，設計與超載方面存在問題的情況確實是極少的，而結構裂縫引起工程事故的幾率卻很高。因此，對結構裂縫現(xiàn)象進行安全評估，必須持絕對慎重的態(tài)度。要查明原因，切不可輕易放過。安全評估

二.安全評估的內(nèi)容在初步懷疑裂縫原因系由荷載引起