溫濕脹縮變形裂損機(jī)理課件

返回總目錄

溫濕脹縮變形裂損機(jī)理溫濕脹縮與自然環(huán)境一.溫度與濕度溫度與濕度因素存在于自然界任何一個(gè)角落里，是不以人們意志為轉(zhuǎn)移的客觀自然規(guī)律。對(duì)于工程結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，溫度與濕度變化因素也可以說(shuō)是不可避免的。二.脹縮現(xiàn)象的危害性熱脹冷縮和濕脹干縮現(xiàn)象對(duì)于工程結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其危害性卻很大。正像人們患的傷風(fēng)感冒，雖然不曾引起人們足夠的關(guān)注，但有可能引發(fā)其他重大疾病。同樣，導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)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(kāi)始。關(guān)于這一點(diǎn)，從事工程事故分析工作的工程師們應(yīng)該有一個(gè)清醒的認(rèn)識(shí)。干濕脹縮與當(dāng)量溫差

一.干濕脹縮現(xiàn)象的影響因素影響工程結(jié)構(gòu)或混凝土干縮、濕脹變化的因素很多，首先是時(shí)間、溫度、風(fēng)速等直接影響結(jié)構(gòu)或混凝土濕度效果的因素；其次還有水泥品種、水泥細(xì)度、水泥用量、水灰比、用水量、砂石質(zhì)量、砂石級(jí)配、澆搗質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)條件等眾多復(fù)雜因素。每一個(gè)因素的影響程度都不可能用準(zhǔn)確的數(shù)字來(lái)進(jìn)行計(jì)算或表達(dá)，只能引入一個(gè)個(gè)計(jì)算參數(shù)來(lái)進(jìn)行一些近似的估計(jì)，但這樣作沒(méi)有實(shí)用意義，因?yàn)楦煽s現(xiàn)象的評(píng)估或干縮應(yīng)力與干縮裂縫的分析是個(gè)難度很大的工作。二.干縮當(dāng)量溫差在實(shí)際工作中，人們?yōu)榱朔奖?，只能憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)混凝土的干縮現(xiàn)象、干縮應(yīng)力和干縮裂縫進(jìn)行宏觀上的模糊控制。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一般的環(huán)境條件、材料選擇和施工操作情況下，混凝土從澆筑終凝到全干燥這個(gè)時(shí)段發(fā)生的總干縮量，相當(dāng)于混凝土在溫度下降了15℃左右這個(gè)幅度范圍內(nèi)的冷縮量。為了計(jì)算上的方便，也就把這個(gè)15℃左右的溫度作為估算混凝土干縮量的當(dāng)量溫差，合并到溫度應(yīng)力和溫度脹縮計(jì)算程序中去。脹縮變形與結(jié)構(gòu)裂縫

一.三個(gè)條件下面所說(shuō)的脹縮現(xiàn)象是熱脹冷縮現(xiàn)象，已將干縮當(dāng)量溫差包括進(jìn)去。混凝土及其結(jié)構(gòu)構(gòu)件在溫度變化下要產(chǎn)生相應(yīng)的熱脹冷縮現(xiàn)象，并形成應(yīng)力，出現(xiàn)裂縫是離不開(kāi)以下三個(gè)條件的，不僅理論上如此，實(shí)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(duì)而言，如果溫度永久保持在不變狀態(tài)，就談不上熱脹冷縮，談不上溫度應(yīng)力和溫度裂縫的問(wèn)題。所以要研究分析溫度應(yīng)力和溫度裂縫，必須有一個(gè)相對(duì)而言的基準(zhǔn)溫度T。這個(gè)基準(zhǔn)溫度T多指混凝土終凝達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)的施工溫度。在這個(gè)溫度基礎(chǔ)上，隨著氣溫的變化，混凝土的溫度升高了，相對(duì)于施工時(shí)的溫度與狀態(tài)來(lái)說(shuō)必會(huì)產(chǎn)生熱脹現(xiàn)象。溫度降低了，就會(huì)產(chǎn)生冷縮現(xiàn)象。既然熱脹冷縮現(xiàn)象是相對(duì)而言，也可把結(jié)構(gòu)構(gòu)件的局部溫度，比如把外墻板室內(nèi)側(cè)的溫度視為基準(zhǔn)溫度，則外墻板室外側(cè)的溫度在嚴(yán)冬時(shí)大幅度下降，外墻板外側(cè)就會(huì)出現(xiàn)冷縮現(xiàn)象和冷縮裂縫。內(nèi)外側(cè)墻面上的溫度差就成了溫度應(yīng)力與溫度裂縫的計(jì)算溫差?？傊瑳](méi)有溫差，就不會(huì)有脹縮現(xiàn)象，也沒(méi)有溫度應(yīng)力和溫度裂縫問(wèn)題。脹縮變形與結(jié)構(gòu)裂縫

2.結(jié)構(gòu)約束條件事實(shí)上，包括混凝土等結(jié)構(gòu)構(gòu)件在內(nèi)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，并不會(huì)產(chǎn)生任何內(nèi)應(yīng)力，也不會(huì)出現(xiàn)裂縫。只有在其脹縮現(xiàn)象受到制約的條件下，才能產(chǎn)生應(yīng)力和裂縫。必須注意，這里所說(shuō)的裂縫并不單指人們通常所說(shuō)的冷縮裂縫或收縮裂縫，還要包括熱脹裂縫。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受約束程度是隨結(jié)構(gòu)構(gòu)件，尤其是節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的不同而變化的。約束程度越高，所產(chǎn)生的脹縮應(yīng)力就越大，裂縫現(xiàn)象就可能越嚴(yán)重。約束程度以約束系數(shù)表達(dá)，通常將百分之百的全約束程度用約束系數(shù)來(lái)表示，而把百分之百放松的情況用來(lái)表示，一般現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的約束系數(shù)都在0.5以上。3.線脹系數(shù)條件線脹系數(shù)表征著各種材料在溫度變化下熱脹冷縮一個(gè)度量的指標(biāo)，常用建筑材料的線脹系數(shù)見(jiàn)前面第3章的3.4節(jié)。碳纖維的線脹系數(shù)則為負(fù)值，不是熱脹冷縮，而是熱縮冷脹，這一點(diǎn)，也值得關(guān)注。研究結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力、溫度裂縫問(wèn)題，還必須研究線脹系數(shù)這個(gè)相對(duì)固定的條件。脹縮變形與結(jié)構(gòu)裂縫

二.脹縮應(yīng)變計(jì)算根據(jù)定義及條件，得到脹縮應(yīng)變的計(jì)算公式為

(6-1)式中：——脹縮應(yīng)變量；

——約束程度系數(shù)；

——線脹系數(shù)；

——計(jì)算溫度差。當(dāng)計(jì)算應(yīng)變量之值大于混凝土的極限應(yīng)變(抗拉極限)1×10－4時(shí)混凝土就會(huì)出現(xiàn)裂縫。裂縫機(jī)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墻板外表面裂縫與屋面板板底面裂縫兩種情況。在嚴(yán)冬氣候條件下，外墻板外表面溫度接近氣溫，在北方地區(qū)，往往在0℃以下，而內(nèi)表面則接近室溫，一般在+20℃左右；屋面板，尤其是沒(méi)有及時(shí)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(nèi)氣溫，偏高，不論是外墻板還是屋頂板，都有一個(gè)板面計(jì)算溫差存在。以高溫一側(cè)為基準(zhǔn)溫度，則低溫側(cè)溫差幅度都在30℃以上。低溫側(cè)產(chǎn)生強(qiáng)烈的冷縮趨勢(shì)，直接受到斷面上高溫一側(cè)的制約，就在高溫側(cè)產(chǎn)生熱脹引起的壓力，低溫側(cè)產(chǎn)生了一個(gè)抵抗冷縮的應(yīng)力，這個(gè)均勻分布于全板面內(nèi)的冷縮應(yīng)力就將使低溫側(cè)板面產(chǎn)生冷縮裂縫。本來(lái)冷縮應(yīng)力應(yīng)該機(jī)會(huì)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(xiàn)。因此，屋面板上的冷縮裂縫首先出現(xiàn)在與短向跨度支座平行處附近，也可能逐步向長(zhǎng)向跨度支座平行處發(fā)展。而外墻板內(nèi)因?yàn)榇嬖谝粋€(gè)自重或荷載而產(chǎn)生的垂直壓應(yīng)力，可以與垂直方向的冷縮應(yīng)力相抵消，所以冷縮裂縫只出現(xiàn)在垂直方向，而不出現(xiàn)在水平方向，(如圖6.1所示)。裂縫機(jī)理分類

裂縫機(jī)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，而且干縮量也比斷面相對(duì)要大許多的梁要大而快，板與梁之間就有一個(gè)收縮量差的問(wèn)題，不等量的收縮變形必定在梁、板接觸的界面上產(chǎn)生一個(gè)制約(抵抗)收縮的剪應(yīng)力，這個(gè)剪應(yīng)力就是產(chǎn)生板面切角裂縫的原因(如圖6.2所示)。裂縫機(jī)理分類

應(yīng)該說(shuō)明，在外框架梁熱脹量過(guò)大，板的熱脹量小，甚至還產(chǎn)生冷縮與干縮的情況下，也同樣能產(chǎn)生板面切角裂縫，只是與前一種機(jī)理相反，經(jīng)仔細(xì)觀察，兩種裂縫外表完全相似，只是產(chǎn)生的時(shí)節(jié)不一樣。在事故分析工作中，這些都是必須關(guān)注的細(xì)節(jié)問(wèn)題。裂縫機(jī)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筑后3天～7天的時(shí)間內(nèi)，體內(nèi)釋放了大量的水泥水化熱，導(dǎo)致了混凝土升溫、熱脹，體積內(nèi)部溫度高，體積表面溫度低，內(nèi)外形成較大溫差，如果就在這時(shí)候來(lái)一個(gè)寒潮，混凝土外表收縮更大，就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的表面裂縫問(wèn)題。這種裂縫屬于表面冷縮張拉裂縫，沒(méi)有方向性。關(guān)于大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)溫度調(diào)控與抗裂問(wèn)題，在后面的第20章還將作專門討論。裂縫機(jī)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(kāi)通風(fēng)，暴露于外的框架梁，一旦受到寒流襲擊，梁端在框架節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)勁約束下，會(huì)在梁身產(chǎn)生強(qiáng)大的冷縮應(yīng)力。由于框架梁中性軸附近的腰筋配置量嚴(yán)重不足，抗冷縮變形能力低，就會(huì)在梁的中性軸附近產(chǎn)生兩端細(xì)、中間粗、走向垂直的棗核型裂縫。由于梁頂存在由于荷載引起的壓應(yīng)力，可以與冷縮應(yīng)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(xiàn)在中腰。某中學(xué)教學(xué)樓出現(xiàn)的800余條裂縫，就是屬于棗核型冷縮裂縫。裂縫機(jī)理分類

二.熱脹裂縫混凝土結(jié)構(gòu)在升溫?zé)崦浀臈l件下，只產(chǎn)生膨脹效應(yīng)和壓應(yīng)力，不應(yīng)該產(chǎn)生裂縫。長(zhǎng)期以來(lái)，至少是召開(kāi)國(guó)內(nèi)第一次結(jié)構(gòu)裂縫會(huì)議——上海會(huì)議以來(lái)，工程學(xué)術(shù)界都是這么認(rèn)為的，因此在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)理論中就沒(méi)有熱脹裂縫這名稱與說(shuō)法。前些年，有人還將地下室墻面、板面上出現(xiàn)的所有裂縫，包括外墻板的內(nèi)、外兩面在盛夏與嚴(yán)冬條件下出現(xiàn)的不同裂縫，統(tǒng)統(tǒng)歸納成收縮裂縫，甚至把裂縫原因歸于高性能、高強(qiáng)度混凝土的早期微裂現(xiàn)象。此種認(rèn)識(shí)有不妥之處，值得探討。不論從那個(gè)角度看，下列幾種裂縫，歸屬于熱脹裂縫，才算比較確切。1.火災(zāi)中的煤倉(cāng)外表裂縫某煤倉(cāng)在施工中因電焊引起模板著火，從而引起了火災(zāi)。災(zāi)后見(jiàn)到的是內(nèi)壁面混凝土被燒焦，而外墻面有大量豎直脹裂裂縫存在。裂縫機(jī)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(nèi)產(chǎn)生了偏心壓應(yīng)力，從而導(dǎo)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墻板內(nèi)立面上豎直裂縫一般情況下地下室外墻板內(nèi)立面上的豎直裂縫出現(xiàn)在夏季，顯然系因外側(cè)遭曬烤膨脹引起的內(nèi)壁張拉應(yīng)力所致。相反，外墻板外側(cè)立面上也出現(xiàn)了豎直裂縫，該裂縫的成因和機(jī)理卻迥然不同，系外側(cè)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(wú)方向性裂縫大體積混凝土澆筑以后，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(rèn)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(huì)保持內(nèi)外溫度平衡，差別不大，相安無(wú)事，裂縫可能不會(huì)出現(xiàn)。如果遇到的是正常溫度，則顯然應(yīng)理解為體內(nèi)水化熱升溫膨脹引起的表面張拉裂縫。其生成機(jī)理與板的一側(cè)受高溫曬烤引起的低溫側(cè)裂縫完全一致。裂縫機(jī)理分類

三.板(梁)面熱脹與冷縮應(yīng)力的理論計(jì)算公式溫差內(nèi)力分析如圖6.3所示。

裂縫機(jī)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(dǎo)。以中性軸處的溫度視為平均溫度條件下頂面壓縮應(yīng)變(6-2)頂面壓縮應(yīng)力(6-3)斷面合壓力(6-4)底面拉伸應(yīng)變(6-5)底面拉伸應(yīng)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(jī)理分類

3.計(jì)算結(jié)論從以上公式推導(dǎo)，得到了以下結(jié)論：(1)全跨度溫度應(yīng)力和彎矩圖形為矩形，正彎矩，在低溫一側(cè)全跨度內(nèi)彎矩強(qiáng)度或溫度應(yīng)力強(qiáng)度為均等。因此，全跨度內(nèi)低溫側(cè)裂縫機(jī)會(huì)為均等。(2)低溫側(cè)永遠(yuǎn)為拉應(yīng)力區(qū)，高溫側(cè)永遠(yuǎn)為壓應(yīng)力區(qū)，因此，溫度裂縫只出現(xiàn)在低溫一側(cè)，不出現(xiàn)在高溫一側(cè)。(3)兩面出現(xiàn)溫差原因系高溫一側(cè)吸收外熱引起，則應(yīng)定義為熱脹裂縫；系低溫一側(cè)失熱引起(散熱引起)，則應(yīng)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(xiàn)在低溫一側(cè)，不會(huì)向中性軸以上擴(kuò)展，永遠(yuǎn)不會(huì)形成貫穿性裂縫。(4)實(shí)際工程中出現(xiàn)兩面貫穿性裂縫，既存在因夏天曝曬吸熱的問(wèn)題，又存在因冬天嚴(yán)寒失熱問(wèn)題，兩種原因并存，裂縫才會(huì)貫穿。裂縫處理

溫度應(yīng)力的產(chǎn)生既然是基于約束程度、溫差幅度與線脹系數(shù)三個(gè)條件，裂縫發(fā)生發(fā)展到一定程度，內(nèi)能(應(yīng)變能)釋放，應(yīng)力松弛，約束程度就會(huì)逐漸放松。三個(gè)條件失去一個(gè)(約束條件)以后，裂縫就不會(huì)繼續(xù)發(fā)展，只要不出現(xiàn)其他伴生裂縫，尤其是雜交裂縫，對(duì)結(jié)構(gòu)安全是不會(huì)有直接威脅的。但既然出現(xiàn)了裂縫，對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度和整體性就有了削弱，不進(jìn)行處理，就是帶病工作，很可能導(dǎo)致大事故。因此，待裂縫一穩(wěn)定，就應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行裂縫封閉處理。關(guān)于伸縮縫間距問(wèn)題的討論

關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)的允許長(zhǎng)度，各國(guó)不同時(shí)期制訂的規(guī)范都作過(guò)明確規(guī)定。我國(guó)現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范GB50010—2002也就此作了相應(yīng)規(guī)定：室內(nèi)條件下的鋼筋混凝土框架限長(zhǎng)為55m，室外條件下則限長(zhǎng)為35m。各國(guó)各種規(guī)范的規(guī)定數(shù)值差別很大，這是一個(gè)很有爭(zhēng)議的問(wèn)題，為了加強(qiáng)對(duì)溫度脹縮裂縫機(jī)理問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，不妨在這里作一些討論。當(dāng)前國(guó)際上關(guān)于這個(gè)問(wèn)題存在著兩個(gè)學(xué)派，一派主張“放”，一派主張“抗”。各國(guó)規(guī)范對(duì)伸縮縫間距做出規(guī)定，就是接受了主張“放”的主流派的觀點(diǎn)。其觀點(diǎn)是：鑒于在熱脹冷縮作用下，過(guò)長(zhǎng)的建筑物總的熱脹冷縮量太大，會(huì)導(dǎo)致建筑物中間出現(xiàn)大量裂縫。為了減少裂縫，就只有將長(zhǎng)度縮小，留置更多的伸縮縫，主動(dòng)將建筑物進(jìn)行分段放松，免得被動(dòng)地出現(xiàn)大量的不規(guī)則裂縫。這就是“放”的方法?！翱埂钡挠^點(diǎn)與之相反，主張強(qiáng)化結(jié)構(gòu)自身，爭(zhēng)取主動(dòng)，控制裂縫，保持建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)有的長(zhǎng)度及其整體性，不設(shè)伸縮縫。兩種觀點(diǎn)都有一定道理，現(xiàn)試討論如下。關(guān)于伸縮縫間距問(wèn)題的討論

一.“放”的麻煩性對(duì)于一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，能保持其整體性當(dāng)然是理想的，要人為地將它劃分成若干段，不僅會(huì)喪失整體性，而且會(huì)帶來(lái)很多麻煩。比如一個(gè)600多米長(zhǎng)的廠房，如果按30m左右留一道伸縮縫，就要將一個(gè)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(cè)面防風(fēng)問(wèn)題，如果使用不利，就會(huì)給管理帶來(lái)麻煩，給工程增加造價(jià)，對(duì)工程的安全性與耐久性都有負(fù)面影響。因此認(rèn)為，放的辦法，只有不得已而為之。關(guān)于伸縮縫間距問(wèn)題的討論

二.“放”的有效性用伸縮縫放松以后，是否就可取得建筑結(jié)構(gòu)不致裂縫或減少裂縫的效果，應(yīng)作一些具體分析。1.定量分析現(xiàn)以一道鋼筋混凝土圍墻為例，來(lái)做定量分析。設(shè)墻基對(duì)圍墻的約束系數(shù)為0.5，圍墻的計(jì)算溫差取30℃的最低值，按理論計(jì)算，其脹縮應(yīng)變已大于鋼筋混凝土的極限抗拉伸應(yīng)變，顯然會(huì)出現(xiàn)裂縫。計(jì)算公式表明，脹縮應(yīng)變量指單位長(zhǎng)度范圍內(nèi)的應(yīng)變值，與結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)度并無(wú)關(guān)系。只有裂縫的總條數(shù)與裂縫的總寬度才與結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度有關(guān)。這一性質(zhì)也說(shuō)明，不管怎樣劃分結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，裂縫總是會(huì)分散出現(xiàn)，不會(huì)以人們意志為轉(zhuǎn)移，集中出現(xiàn)到伸縮縫去。因此說(shuō)明“放”的辦法并不會(huì)完全消除裂縫，只能是分散裂縫。關(guān)于伸縮縫間距問(wèn)題的討論

2.定性分析在冷縮條件下，由于上部結(jié)構(gòu)圍墻的冷縮，要受到無(wú)冷縮的地基的制約，因而會(huì)在圍墻與地基的接觸界面上產(chǎn)生一組均勻分布的背向阻抗剪應(yīng)力。這組剪應(yīng)力對(duì)于墻板來(lái)說(shuō)是偏心張拉力，以墻板的長(zhǎng)向中分線為不動(dòng)點(diǎn)，剪切阻抗應(yīng)力從墻端向不動(dòng)點(diǎn)逐漸聚集，聚集到不動(dòng)點(diǎn)時(shí)其值為最大。當(dāng)其值已大于墻板的允許抗拉能力時(shí)，裂縫就會(huì)在中分線上產(chǎn)生，將墻板一分為二，然后二分為四，循序遞進(jìn)，直至將長(zhǎng)墻板分到極短時(shí)，地基對(duì)墻板的約束程度已低到可以忽略不計(jì)，裂縫才會(huì)終止。對(duì)于短墻板來(lái)說(shuō)，不同之處只是因?yàn)槠溟L(zhǎng)度短一些，半段墻上聚集起來(lái)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(jì)算溫度可能要高一些，也就是裂縫會(huì)出現(xiàn)得稍晚一些而已。但一分為二、二分為四……的開(kāi)裂規(guī)律并不會(huì)改變，如圖6.