第二章建筑结构检测鉴定与加固课件

2.1 建筑结构损伤原因概述建筑结构损伤原因概述u建筑物是现代文明社会赖以生存和发展的条件，建筑物的安全则是人民生命财产安全的重要保证。但实际工程中的一些服役建筑，甚至某些新建筑都难免存在质量缺陷和内外损伤，这会影响建筑结构的耐久性，危及结构的安全。u引起建筑结构损伤的原因很多，可以归纳人为因素人为因素和自然因素自然因素两方面。人为因素人为因素所致结构损伤常见的有：工程设计的欠缺与错误，施工质量差、偷工减料、使用低劣材料，建筑用地规划错误，勘察工作失误、未能发现重要隐患，相邻场地施工引起建筑破坏，维修、保护不当，地下水抽取过渡引起建筑物倾斜或下沉，以及火灾导致建筑物破坏等。u自然因素自然因素导致结构损伤主要表现为：地震、水灾、龙卷风、泥石流及山体滑坡等地质灾害、腐蚀性气体等导致结构的损坏。2.1 建筑结构损伤原因概述建筑物是现代文明社会赖以生存和发12.2 混凝土结构损伤机理与危害混凝土结构损伤机理与危害混混凝凝土土结结构构是钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构和素混凝土结构的总称，由于混凝土结构具有承承载载能能力力高高、耐耐久久性性能能较较好好等显著优点，在工程中得到广泛应用。由于设计、施工、环境、使用维护等诸多原因，引起混凝土结构各种损伤破坏，降低其使用寿命。为了确保混凝土结构的安全工作并延长使用寿命，有必要了解其损伤机理及各相关影响因素。2.2.1 混凝土的碳化混凝土的碳化 混凝土周围环境和介质中的CO2、SO2、Cl2、HCl等深入混凝土表面，与水泥石中弱碱性物质发生反应从而使pH值降低，引起水泥石化学组成及组织结构发生变化，从而对混凝土的化学性能和物理性能产生明显的影响，这一过程称为混凝土的碳化混凝土的碳化。碳化碳化会导致混凝土碱度降低，减弱其对钢筋的保护作用，可能导致钢筋锈蚀，同时还会加剧混凝土的收缩，可能导致收缩裂缝的产生和加大。因此，混凝土碳化对钢筋混凝土结构的耐久性有很大的影响。2.2 混凝土结构损伤机理与危害混凝土结构是钢筋混凝土结构、21.混凝土碳化的机理混凝土碳化的机理机理：混凝土是一个多孔体，在其内部存在大小不同的毛细管、孔隙、气泡，甚至缺陷。空气中的CO2首先渗透到混凝土内部充满空气的孔隙和毛细管中，与水泥水化过程中产生的氢氧化钙(Ca(OH)2)和硅酸三钙(3CaO2SiO23H2O)、硅酸二钙(2CaOSiO24H2O)等水化产物相互作用，形成碳酸钙(CaCO3)。一般空气中的CO2的浓度很低(其体积分数约为0.03，工业车间稍高)，因而混凝土的碳化过程非常缓慢。混凝土的碳化速度主要取决于如下三个过程的速度：1)化学反应过程速度2)CO2等的渗入速度3)Ca(OH)2等的扩散速度通常，上述三个过程中，CO2在混凝土中的扩散速度最慢，它决定了混凝土碳化过程的速度，此外，混凝土的碳化速度还与混凝土的含水量、温度等因素有关。1.混凝土碳化的机理机理：混凝土是一个多孔体，在其内部存3 2.影响混凝土碳化的因素影响混凝土碳化的因素影响混凝土碳化的因素可分为周周围围环环境境因因素素、材材料料组组成成因因素素和施施工工因因素素三大类。(1)周围环境因素周围环境因素主要是指周围介质的相对湿度、温度及二氧化碳的浓度等。环境介质的相对湿度直接影响混凝土的润湿状态和抗碳化能力。(2)材料组成因素包括：1)水泥用量2)水灰比3)粉煤灰取代量4)水泥品种此外混凝土的骨料品种、养护方法、施工质量对混凝土的碳化也有影响，提高混凝土的质量对提高其抗碳化性能十分重要。2.影响混凝土碳化的因素影响混凝土碳化的因4 3.混凝土碳化深度预测混凝土碳化深度预测混凝土碳化是一个由表向内扩展的过程，在非侵蚀介质正常的大气条件下，混凝土碳化深度随时间变化规律可用下式计算：(2-2)式中 D 混凝土碳化深度(mm)；t 混凝土碳化龄期(d)；Kc 碳化速度系数，对轻集料混凝土Kc=4.18，对普通混凝土Kc=2.32。碳化深度(D)和碳化速度系数(Kc)是用来表征混凝土碳化特征的主要指标，称之为碳化特征值。D和Kc越大，说明混凝土抗碳化性能越差，越易碳化。3.混凝土碳化深度预测混凝土碳化是一个由表向内扩展52.2.2 混凝土中的钢筋腐蚀混凝土中的钢筋腐蚀钢筋的锈蚀对钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的耐久性及破坏影响极大，研究并解决钢筋防锈问题是实际工程急切需要的。1.钢筋腐蚀的机理钢筋腐蚀的机理 以普通硅酸盐水泥配制的密实混凝土未经碳化的pH值一般可达13，这是因为混凝土在水化作用时，水泥中的氧化钙生成氢氧化钙，使混凝土孔隙中含有大量的OH-离子而呈现出高碱性环境。若无CL-存在，则钢筋表面会形成一层由Fe2O3 n H2O或Fe3O4 n H2O组成的钝化膜，其厚度为2001000nm。钝化膜能使阳极反应受到抑制，从而阻止了钢筋的锈蚀。在钢筋中的碳及其他合金元素的偏析，混凝土碱度差异、CL-浓度差异、裂缝处钢筋表面氧化剧增而形成的氧浓度差异、加工引起的钢筋内部应力等情况下，都会使钢筋各部位的电极电位不同而形成局部电池(阳极-阴极)，如图2-1所示。一旦钢筋的钝化膜被破坏，在有水和氧气存在的条件下，就会产生如下腐蚀电池反应 2.2.2 混凝土中的钢筋腐蚀钢筋的锈蚀对钢筋混凝土结构及预6阳极(腐蚀端)：(2-3)阴极(非腐蚀端)：(2-4)溶液中的Fe2+和OH-结合生成氢氧化亚铁，生成物进一步与水中的氧发生反应，生成氢氧化铁(红铁锈)，即：(2-5)(2-6)随着时间的推移，氢氧化铁进一步氧化生成疏松的、易剥落的沉积物铁锈(Fe2O3 Fe3O4 H2O)，铁锈的体积可大到原来体积的24倍。铁锈体积膨胀，对周围混凝土产生压力，使混凝土沿钢筋方向(顺筋)开裂，进而使得保护层成片脱落，而裂缝及保护层的脱落又进一步导致钢筋更剧烈的腐蚀。因此防止混凝土开裂是防止钢筋锈蚀的关键措施。阳极(腐蚀端)：7图图2-1 裂缝处钢筋锈蚀的电化学过程图裂缝处钢筋锈蚀的电化学过程图图2-1 裂缝处钢筋锈蚀的电化学过程图8 2.影响钢筋腐蚀的因素影响钢筋腐蚀的因素钢筋锈蚀的影响因素可分分内内在在因因素素和外外在在因因素素两大类。内在影响因素是指混凝土的密实度、混凝土保护层厚度及其完好性、混凝土的内部结构状态、混凝土的液相组成(pH值、CL-含量)等；外在影响因素是指周围介质的腐蚀性、周期的冷热交替作用、冻融循环作用等。1)pH值 钢筋锈蚀速度与混凝土液相中的pH值有密切关系。一般来说，当pH10时，钢筋的锈蚀速度很小；当pH4时，钢筋的锈蚀速度急骤增加。pH值越大，碱性成分在钢筋表面形成钝化膜的保护作用越强，但当碱性成分被溶出并发生碳化作用，混凝土碱度减低，则钝化膜将被破坏而引起钢筋锈蚀。2.影响钢筋腐蚀的因素钢筋锈蚀的影响因素可分内在因9 3)氧氧钢筋锈蚀的先决条件是所接触的水中含有溶解态氧，这是因为：氧在锈蚀过程中起到促进阴极反应的作用，支配着锈蚀的速度。例如，当海水浸入钢筋表面时，即使氯化物中的氯离子破坏了钝化膜，但只要氧达不到钢筋表面，钢筋锈蚀也不会发生。氧是以溶解态存在于海水中的，其扩散速度很慢。因此，浸没在海水水下区的钢筋混凝土结构，钢筋不易锈蚀，而处于海面上的浪溅区的钢筋混凝土结构，因有充足的氧，钢筋就特别容易锈蚀。2)CL-含量含量混凝土中CL-含量对钢筋锈蚀的影响极大，当混凝土中含有氯离子时，即使混凝土的碱度还较高，钢筋周围的混凝土还尚未碳化，钢筋也会出现锈蚀的现象。这是因为：CL-离子的半径小，活性大，具有很强的穿透钝化膜的能力，CL-离子吸附在膜结构有缺陷的地方，如位错区或晶界区，使难溶的氢氧化铁转变成易溶的氯化铁，致使钢筋表面的钝化膜局部破坏。钝化膜破坏后，露出的金属变成为活化的阳极。由于活化区小，钝化区大，构成一个大阴极、小阳极的活化钝化电池，使钢筋产生所谓的“坑蚀”现象。CL-通过两种途径进入混凝土。一是施工过程中添加的外加剂(含有氯盐成份)；二是使用环境中CL-的渗透，如沿海地区。工程中，按照氯盐占水泥重量的百分比将钢筋的锈蚀分为轻度锈蚀(1.0%)三种。3)氧2)CL-含量104)混凝土的密实性及保护层厚度混凝土的密实性及保护层厚度混凝土对钢筋的保护作用主要体现在两个方面。一是混凝土的高碱一是混凝土的高碱性使钢筋表面形成钝化膜；二是保护层对外界腐蚀介质、氧气及水性使钢筋表面形成钝化膜；二是保护层对外界腐蚀介质、氧气及水分等渗入的阻止作用分等渗入的阻止作用。后者作用主要取决于混凝土的密实性及保护层厚度。混凝土的密实性越好，内部孔隙和毛细管道越小，有效地阻止外界腐蚀介质、氧气及水分等的渗入，从而加强了钢筋的防腐蚀能力。混凝土的密实度主要与混凝土的水灰比有关，降低水灰比可提高钢筋的抗腐蚀能力，因此，国内外一般把混凝土的水灰比控制在0.40.45以下。增加混凝土保护层厚度可以显著地推迟腐蚀介质渗透到钢筋表面的时间，也可提高对钢筋锈蚀膨胀的抵抗力。混凝土结构设计规范中给出了保护层的最小厚度取值，其与钢筋混凝土结构种类、重要程度、所处环境、混凝土强度等级等有关。4)混凝土的密实性及保护层厚度混凝土对钢筋的保护作用主要体11 概念：概念：在正常使用条件下，混凝土具有较好的耐久性。但在某些腐蚀性的介质作用下，水泥石的各种水化产物会与介质发生各种 物理化学作用，导致混凝土的结构逐渐遭到破坏，强度下降以致全部溃裂，这种现象称为混凝土的腐蚀。混凝土的腐蚀。2.2.3 混凝土的腐蚀混凝土的腐蚀1.混凝土腐蚀的机理混凝土腐蚀的机理混凝土腐蚀是一个很复杂的物理化学过程，其腐蚀的原因可能是单一的也可能是多种原因造成。按其侵蚀性介质的性质或腐蚀的原因可分为硫酸盐硫酸盐腐蚀、海水腐蚀、酸腐蚀腐蚀、海水腐蚀、酸腐蚀和碱腐蚀碱腐蚀四种类型。(1)硫酸盐腐蚀硫酸盐腐蚀硫酸盐腐蚀，常指硫酸钠、硫酸镁等盐腐蚀，其实质上是膨胀性化学腐蚀。在一般的河水和湖水中，硫酸盐含量不多。但在海水、盐沼水、地下水及某些工业污水中常含有钠、钾、铵等的硫酸盐，它们与水泥石中的氢氧化钙及水化铝酸钙反应生成石膏和硫铝酸钙（常称为“水泥杆菌”），其体积膨胀2.344.8倍，并同时产生内应力，最终导致混凝土开裂破坏。混凝土遭受硫酸盐腐蚀的特征是表面发白，损害通常在棱角处开始，接着裂缝展开并剥落，混凝土成为一种易碎的松散状态。概念：在正常使用条件下，混凝土具有较好的耐久性。但在12 (2)海水腐蚀海水腐蚀由于海水的化学成分复杂多变，造成混凝土的腐蚀形式也是多样化的。根据海洋工程结构与海水接触部位不同，可将其分为以下几种：1)建（构）筑物与海水不直接接触部位，钢筋易受海洋上空含大量渍盐的潮湿空气作用而锈蚀。2)在海水浪溅区，混凝土遭受海水干湿循环的作用，可能造成盐类膨胀型的腐蚀，加速钢筋的锈蚀。3)在潮汐涨落区，直接遭受海水冲刷、干湿循环、冻碰循环、浴蚀等综合作用，混凝土往往受到最严重的腐蚀。4)长期浸泡在海水中的部分，易产生化学分解，造成混凝土腐蚀，但遭受冻碰破坏及钢筋锈蚀较小。(3)酸腐蚀酸腐蚀混凝土是碱性材料，在使用过程中常会受到酸性水的侵蚀。由于酸的种类不同，在反应过程中可能产生不同的盐类，其腐蚀破坏速度取决于钙盐的溶解度。一般来说，生成物的溶解度很大时，其破坏速度也很大。例如盐酸的CL-离子会侵蚀混凝土生成易于溶解的钙盐(CaCl2)，同时溶液中的CL-离子对钢筋锈蚀也起着重要的加速作用，因此，盐酸的侵蚀破坏作用也是极大的。(4)碱腐蚀碱腐蚀固体碱如碱块、碱粉等对混凝土无明显的作用，而溶融状碱或碱的溶液对混凝土有侵蚀作用。但当碱的浓度不大(15%)、温度不高(50oC)时一般是无害的。碱对混凝土的侵蚀作用主要有化学侵蚀和结晶侵蚀两种。(2)海水腐蚀13 2.混凝土腐蚀的防治措施混凝土腐蚀的防治措施根据以上腐蚀原因分析，可采取下列有效措施防止混凝土腐蚀。(1)根据侵蚀环境特点，合理选用水泥品种根据侵蚀环境特点，合理选用水泥品种 表表2.1 各种水泥抗化学腐蚀性能比较各种水泥抗化学腐蚀性能比较 2.混凝土腐蚀的防治措施根据以上腐蚀原因分析，可采取14 (2)提高混凝土密实性和抗渗性提高混凝土密实性和抗渗性由于各类侵蚀性介质都是通过混凝土的孔隙、毛细管进入混凝土内部的，因此提高混凝土密实性和抗渗性是阻止侵蚀介质渗入混凝土内部的有效措施。因此，我国有关标准通过规定在不同侵蚀性等级中混凝土的最大水灰比和最小水泥用量，以保证混凝土的密实性和抗渗性。(3)增加混凝土保护层厚度增加混凝土保护层厚度混凝土的腐蚀容易引起钢筋的锈蚀，而钢筋锈蚀则引起混凝土开裂，这必将使混凝土的腐蚀加剧。为了防止这个恶性循环的产生，我国相关规范规定：混凝土除了应有足够的密实性外，还应保证钢筋具有最小的保护层厚度。(4)掺用火山灰质等活性掺合料掺用火山灰质等活性掺合料若在混凝土中掺入适量火山灰质等活性掺合料(如火山灰、粉煤灰等)，这些活性掺合料与氢氧化钙结合形成难溶的化合物，可提高混凝土的抗腐蚀能力。但火山灰的掺入可能会妨碍铝酸钙的水化作用，因此国外有关规范规定，在一些抗硫酸盐腐蚀的重要结构中，不允许采用粉煤灰与抗硫酸盐水泥混合使用。(5)混凝土表面处理混凝土表面处理在混凝土硬化初期，采用人工碳化、表面压实抹光、热沥青涂层或加做饰面层等方法处理混凝土的表面，对防止或减小混凝土溶蚀型的腐蚀效果都是有效的。在可能的条件下，对重要部位采用浸渍混凝土，其效果将更好。(2)提高混凝土密实性和抗15 2.2.4 混凝土的碱混凝土的碱-骨料反应骨料反应 碱碱-骨骨料料反应主要是指水泥中的碱(Na2O、K2O)与骨料中活性二氧化硅发生化学反应，在骨料表面生成复杂的碱-硅酸凝胶，吸水后体积膨胀(体积可增加3倍以上)，从而导致混凝土产生膨胀开裂而破坏的现象。1.碱碱-骨料反应的机理骨料反应的机理 混凝土发生碱-骨料反应必须具备以下3个条件：(1)水泥石中碱含量高。水泥中碱含量按(Na2O+K2O)%计算值大于0.6%。(2)砂、石骨料中含有活性二氧化硅成分，含活性二氧化硅成分的矿物有蛋白石、玉髓、鳞石英等。(3)混凝土工程的使用环境必须有足够的湿度，空气中相对湿度必须大于80%，或直接与水接触，在无水或湿度较低的环境下，混凝土不可能发生碱-骨料反应。2.2.4 混凝土的碱-骨料反应 16 2.影响碱影响碱-骨料反应的主要因素骨料反应的主要因素 (1)水泥的含碱量水泥的含碱量碱-骨料反应引起的膨胀值与水泥石的Na2O含量紧密相关，一般来说，碱含量越高，膨胀量越大。(2)混凝土的水灰比混凝土的水灰比水灰比对碱-骨料反应的影响是错综复杂的。水灰比增大，混凝土的孔隙率增大，各种离子的扩散及水的移动速度加大，会促使碱-骨料反应的发生。但从另一方面看，混凝土水灰比大其空隙量大，又能减小空隙水中碱液浓度，因而减缓碱-骨料反应。在通常的水灰比范围内，随水灰比减小，碱-骨料反应的膨胀量有增大的趋势，当水灰比为0.4时，膨胀量最大。(3)反应性骨料的特性反应性骨料的特性混凝土及砂浆的碱-骨料反应膨胀量与反应性骨料本身的特性有关，其中包括骨料的矿物成分及粒度、骨料用量等。一般来说，增加骨料含量会使碱-骨料反应膨胀量加大，粒度过大或过小都能使反应膨胀量大为减小。(4)混凝土孔隙率混凝土孔隙率混凝土及砂浆的孔隙也能减缓碱-骨料反应时胶体吸水产生的膨胀压力。因而随空隙量增加，反应膨胀量减小，特别是细孔减缓效果更好。(5)环境温湿度的影响环境温湿度的影响当空气中相对湿度低于80%，且外界不供给混凝土水分时，混凝土不能发生碱-骨料反应，这说明环境湿度对混凝土碱-骨料反应是否发生有明显的影响。2.影响碱-骨料反应的主要因素 173.防止碱防止碱-骨料反应的措施骨料反应的措施 在实际工程中，为抑制碱-骨料反应的发生，可采取以下方法：(1)采用低碱水泥(含碱量0.6%)，降低混凝土总的含碱量；(2)尽量不用可能引起碱-骨料反应的骨料；(3)在混凝土配合比设计中，尽量降低单位水泥用量，从而进一步控制混凝土的含碱量。当掺入外加剂时，必须控制外加剂的含碱量，防止其对碱-骨料反应的促进作用；(4)掺入火山灰质活性混合材料降低混凝土的碱性，减小膨胀值；(5)改善混凝土结构的施工及使用条件。3.防止碱-骨料反应的措施 在实际工程中，为抑制182.2.5 混凝土的冻融破坏混凝土的冻融破坏 混凝土受冻融混凝土受冻融作用破坏的主要原因是混凝土微孔隙中的水在温度正负交替作用下形成冰胀压力和渗透压力联合作用的疲劳应力。这种疲劳应力会使混凝土产生了由表及里的剥蚀破坏，从而降低混凝土强度，影响建筑物安全使用。1.混凝土冻融破坏的机理混凝土冻融破坏的机理混凝土是由水泥砂浆及粗骨料组成的毛细孔多孔体。在拌制混凝土时为了获取施工时必要的和易性，加入的拌合水常比水泥水化所需的水多，当混凝土硬化后，多余的水便以游离水的形式留在混凝土中形成连通的毛细孔，并占有一定的体积。当游离的自由水遇冷结冰会发生体积膨胀，形成膨胀挤压应力，引起混凝土内部结构的破坏。一般正常情况下，毛细孔中的水解冻并不致于使混凝土内部结构遭到严重破坏。但当混凝土处于饱水状态(含水量达到91.7%极限值)时，且水因过冷使混凝土毛细孔壁同时承受膨胀压力及渗透压力作用，如压力产生的应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂。在反复冻融循环作用后，混凝土中的损伤会不断扩大，裂缝也会相互贯通，其强度也逐渐降低，最后甚至完全丧失，使混凝土结构由表及里遭受破坏。2.2.5 混凝土的冻融破坏 混凝土受冻融作用破坏192.影响混凝土抗冻性的主要因素影响混凝土抗冻性的主要因素(1)水灰比水灰比水灰比直接影响混凝土的孔隙率及孔结构。随着水灰比的增大，不仅开孔总体积增加，而且平均孔径也增大，因而混凝土的抗冻性必然降低。(2)含气量含气量含气量也是影响混凝土抗冻性的主要因素，特别是掺入引气剂形成的微细气孔对提高混凝土抗冻性尤为重要。因为这些互不连通的微细气孔在混凝土受冻初期能使毛细孔中的净水压力减小，起到减压作用。此外，在混凝土受冻结冰过程中这些孔隙可阻止或抑制水泥浆中微小冰体的生成。(3)混凝土的饱水状态混凝土的饱水状态混凝土的冻害与其孔隙的饱水程度紧密相关。一般认为含水量小于孔隙总体积的91.7%就不会产生冻结膨胀压力，91.7%该数值被称为极限饱水度，混凝土处于完全饱水状态，其冻结膨胀压力最大。混凝土的抗冻性不仅受其内部孔结构、水饱和程度等因素的影响，还与混凝土受冻龄期、水泥品种及骨料质量、外加剂及掺合料等因素有关。2.影响混凝土抗冻性的主要因素(1)水灰比203.提高混凝土抗冻性的措施提高混凝土抗冻性的措施提高混凝土抗冻性的措施主要有三方面：(1)掺用引气剂或减水剂及引气型减水剂；掺用引气剂或减水剂及引气型减水剂；(2)严格控制水灰比，提高混凝土密实性；严格控制水灰比，提高混凝土密实性；(3)加强早期养护或掺入防冻剂防止混凝土早期受冻加强早期养护或掺入防冻剂防止混凝土早期受冻。3.提高混凝土抗冻性的措施提高混凝土抗冻性的措施主要有三方212.2.6混凝土的裂缝混凝土的裂缝1混凝土裂缝产生的主要原因混凝土裂缝产生的主要原因由于混凝土的组成材料和微观构造的不同以及所受外界影响的不同，混凝土裂缝产生的原因较为复杂，它对结构功能的影响也是不同的。产生裂缝的原因主要有以下几方面：(1)大体积混凝土水化热引起的裂缝(2)混凝土的塑性收缩裂缝(3)混凝土塑性塌落引起的裂缝(4)混凝土干缩引起的裂缝(5)外界温度变化引起的裂缝(6)不均匀沉陷引起的裂缝(7)钢筋腐蚀引起的裂缝(8)荷载作用引起的裂缝2.2.6混凝土的裂缝1混凝土裂缝产生的主要原因由于混凝土222.裂缝对结构造成的危害裂缝对结构造成的危害裂缝的出现给结构带来了一系列的劣化影响。(1)惯穿性裂缝改变了结构的受力模式，降低了混凝土的整体稳定性，有可能使结构的承载能力受到威胁。(2)对于挡水结构及地下结构，贯穿性裂缝会引起渗漏，严重时影响结构的正常使用。非贯穿性裂缝会由于渗透水压力的作用而使得裂缝呈不稳定发展趋势，促使贯穿性裂缝出现。此外渗透水的冻融作用还会导致结构发生冻融破坏。(3)在预应力桥梁结构中，裂缝的出现使结构的刚度降低，变形增加，超过规定的允许范围，结构无法正常使用；裂缝对动力机械及精密仪器的基础也有不利影响。(4)裂缝的开展使结构在偶然荷载(如地震)作用下易于破坏，降低了结构的安全度。(5)过宽的裂缝会导致结构耐久性下降。2.裂缝对结构造成的危害裂缝的出现给结构带来了一系列的劣化232.3 砌体结构损伤机理及其危害砌体结构损伤机理及其危害2.3.1 砌体结构的裂缝砌体结构的裂缝砌体结构的开裂现象较为普通，它们除了影响建筑物的美观和正常使用外，还可以降低结构的刚度、稳定性和整体性，甚至威胁结构的承载能力，严重时会引起倒塌事故。为了防止或减少裂缝的产生，有必要对其主要原因进行分析。1.沉降裂缝沉降裂缝沉降裂缝主要指墙体因地基的不均匀沉降而产生的裂缝。该类裂缝常见的有以下几种：(1)斜裂缝斜裂缝(2)窗间墙上水平裂缝窗间墙上水平裂缝(3)竖向裂缝竖向裂缝(4)单层厂房与生活间连接墙处的水平裂缝单层厂房与生活间连接墙处的水平裂缝以上各种裂缝往往是在结构建成后不久出现，裂缝的严重程度随着时间的推移逐渐发展。2.3 砌体结构损伤机理及其危害2.3.1 砌体结构的裂缝砌242.温度裂缝温度裂缝温度裂缝是指在温度作用下因墙体与屋盖、楼盖变形不协调而在墙体上出现的裂缝，或者在温度作用下墙体本身因过大的收缩变形而产生的裂缝。该类裂缝较为普遍，最典型的裂缝有以下几种的类型：(1)房屋顶层墙上的“八”字形裂缝；(2)女儿墙角裂缝，女儿墙根部的水平裂缝；(3)沿窗边(或楼梯间)贯穿整个房屋的竖直裂缝；(4)较空敞高亮大房间窗口上下水平裂缝等。产生温度裂缝的主要原因是砖混建筑、单层厂房及多层框架等结构中砖砌体材料和钢筋混凝土材料的膨胀系数和收缩率不同。当环境温度变化时，各自产生不同的变形，因此当建筑物一部分结构发生变形，而又受到另一部分结构的约束时，其结果必然在结构内部产生应力。如超过砌体的抗拉能力时，就会在墙上出现裂缝。2.温度裂缝温度裂缝是指在温度作用下因墙体与屋盖、楼253.受力裂缝受力裂缝在不同的受力情况下，砖砌体的裂缝形态的主要特征如下：(1)轴心受压或小偏心受压时，墙、柱裂缝走向一般是竖直的；(2)大偏心受压时，可能出现水平方向裂缝；(3)裂缝常出现在墙、柱下部1/3处（但上下端局部承压强度不够除外），裂缝宽度0.10.3mm不等，呈现中间宽，两端细的特点。砖砌体受力后产生裂缝的原因比较复杂，设计断面过小，稳定性不够，结构构造不良，砖及砂浆强度低等均可能引起开裂。3.受力裂缝264.建筑构造建筑构造不合理的建筑构造措施也会造成砖墙裂缝的产生。最常见的是在扩建工程中，新旧建筑砖墙如没有适当的构造措施而砌建成整体，其结合处往往会产生裂缝。其它如圈梁不封闭，变形缝设置不当等均可能造成砖墙局部裂缝。5.施工质量施工质量砖墙在砌筑中由于组砌方法不合理，重缝、通缝多等施工质量差等问题，在混水墙往往容易出现无规则的裂缝。另外，留脚手眼的位置不当、断砖集中使用、砖砌平拱中砂浆不饱满等也易引发裂缝的产生。6.相邻建筑的影响相邻建筑的影响对与已有建筑邻近的新建建筑施工过程中，由于开挖、排水、打桩等都可能影响原有建筑地基基础及上部结构，从而造成墙砌体的开裂。此外还因新建工程对旧建筑地基应力的影响，使旧建筑的不均匀沉降而造成砌墙等处产生裂缝。4.建筑构造272.3.2 砌体结构的变形砌体结构的变形1.沿墙面的变形沿墙面的变形沿墙面水平方向的变形称为倾斜，沿墙面垂直方向的变形称为弯曲。(1)由于施工不良造成的倾斜砖墙在砌筑中由于组砌方法不合理，灰缝厚薄不均匀，砌筑砂浆的质量不符合规范规定等施工问题，往往会使墙体出现倾斜变形。(2)由于地基不均匀沉降造成的倾斜由于地基不均匀沉降造成的倾斜一般有以下两种情况：地质均匀而荷载(主要是恒载与活载)不均匀所造成的倾斜，以及荷载均匀但地质不均匀所造成的倾斜。(3)由于横墙侧向刚度不足造成的倾斜横墙由于高度大于宽度或开洞太多而导致侧向刚度不足时，在水平荷载作用下的侧移超过规范规定的允许值，且砖砌体呈现弹塑性变形特性，在外荷载取消后，约30%的侧移不消失。2.3.2 砌体结构的变形1.沿墙面的变形28(4)沿墙平面的弯曲由于施工不良造成沿墙平面的弯曲原因同上，由于基础不均匀沉降造成的弯曲原因如下：1)如果荷载不均匀或地质不均匀，均有可能导致房屋的弯曲，包括向上或向下的弯曲。2)即使荷载与地质均为均匀，但是如果是高压缩性的地基，也会产生使房屋向下弯曲的沉降。这是由于地基应力的扩散，导致房屋纵向中点下地基的实际应力为最大而愈向两端愈小。基底中点下地基受到比附近更大的压应力，因而中点的沉降也必然比附近大，造成基础呈圆弧的向下弯曲，也带来上层建筑相同的弯曲变形。(4)沿墙平面的弯曲由于施工不良造成沿墙平面的弯曲原因292.出墙面的变形出墙面的变形垂直于墙面的变形被称为“出墙面变形”，产生该变形的原因大致有以下几种(1)由于墙身刚度不足所引起的变形高厚比过大，超过规范规定的允许值1)非承重墙：向水平面投视时可见其向外弯曲，向竖直面投视时可见其向外倾斜2)承重墙：尤其是端部承重墙，水平投视可见其向外弯曲，竖直面投视也可见其向外弯曲；3)当纵墙缺少与楼盖的水平拉结时，在风力作用下会产生向外的倾斜。(2)框架填充墙与排架围护墙的出墙面变形1)框架填充墙此墙的稳定性依靠两侧的拉结筋与上下顶联接，要求预埋在柱内的插筋位置必须在灰缝处。此处在砌到梁底时不允许与下面一样平砌，而应斜侧砌与斜立砌，并使砖角上下顶紧。2)排架围护墙依靠从排架柱顶预埋锚固筋的伸出，与围护墙加强联系。同时，承墙梁必须装配成连续梁，其上下间距也不宜大于4.0m。(3)由于出墙面强度不足所引起的变形一般情况下，由于出墙面强度不足所引起的变形多发生在外墙与偏心受压墙，无论侧视或俯视，均可见出墙面的弯曲，且大多向外弯曲。此外，施工不良、地基不均匀沉降等也易引起出墙面变形的产生。2.出墙面的变形垂直于墙面的变形被称为“出墙面变形”，产生302.3.3 造成砌体承载力不足的原因造成砌体承载力不足的原因1.设计方面设计方面因设计造成砌体承载力不足的原因主要表现有：采用的截面偏小，使用的砖和砂浆强度等级偏低，钢筋混凝土大梁支座处未设置梁垫，把大梁布置在门窗洞上面但没有设置托梁，以及砌体的高厚比等构造不符合规范规定等。2.施工方面施工方面(1)砖的质量不合格。(2)砂浆强度偏低。(3)灰缝砂浆饱满度不够。(4)组砌不合理。(5)随意打洞或留洞位置不适当。2.3.3 造成砌体承载力不足的原因1.设计方面2.施312.4钢结构的损伤机理及其危害钢结构的损伤机理及其危害2.4.1 钢结构的稳定问题钢结构的稳定问题钢材具有高强、质轻、力学性能好等优点，是一种很好的建筑材料。由于钢材质轻高强，与普通的钢筋混凝土结构、砌体结构相比，在承受外力相同的条件下，钢结构构件具有截面轮廓尺寸小、构件细长和板件柔薄的特点。因此对于承受压应力的构件或板件，如果考虑不周或处理不当，很容易使钢结构发生整体失稳或局部失稳破坏。1.影响钢结构构件整体失稳的主要原因影响钢结构构件整体失稳的主要原因(1)构件设计的整体稳定不满足(2)构件的各种初始缺陷(3)构件受力条件的改变(4)施工临时支撑体系不够2.4钢结构的损伤机理及其危害2.4.1 钢结构的稳定问题1322.导致钢结构构件局部失稳的主要原因导致钢结构构件局部失稳的主要原因(1)构件局部稳定不满足构件局部稳定不满足在钢结构构件，特别是组合截面构件的设计中，当规定的构件局部稳定的要求不满足时，如工形、槽形等截面翼缘的宽厚比和腹板的高厚比大于限值时，易发生局部失稳。(2)局部受力部位加劲构造措施不合理局部受力部位加劲构造措施不合理 在构件的局部受力较大部位，如支座、较大集中荷载作用点，没有设置支承加劲肋，而使外力直接传给较薄的腹板容易产生局部失稳。构件运输单元的两端以及较长构件的中间如果没有设置横隔，容易出现局部失稳破坏。(3)吊装时吊点位置选择不当吊装时吊点位置选择不当在吊装过程中，由于吊点位置选择不当会造成构件局部较大的压应力，从而导致局部失稳。所以钢结构的设计图纸应详细说明正确的起吊方法和吊点位置。2.导致钢结构构件局部失稳的主要原因(1)构件局部稳定不332.4.2 钢结构的疲劳破坏问题钢结构的疲劳破坏问题1.疲劳破坏的机理及其影响因素疲劳破坏的机理及其影响因素 在持续反复荷载作用下，钢材内部及其外表的薄弱点如(有杂质和损伤处)附近形成应力集中，使钢材在很小的区域内产生较大的应变，于是在该处首先出现微小裂纹，随着荷载继续作用微裂纹不断扩展，当扩展到一定程度时，该截面上的应力超过钢材晶粒格间的结合力而发生脆断，这是钢材的疲劳破坏机理。破坏前不出现明显的变形或局部的缩颈，没有明显预兆，属于脆性破坏。钢材的疲劳破坏与疲劳强度与荷载循环次数、以及构件表面情况、焊缝表面情况、应力集中、残余应力、焊缝缺陷因素有关，与钢材本身的强度关系不大。2.疲劳破坏的防治疲劳破坏的防治对钢结构的疲劳破坏有效预防措施是：把好选材关，选用优质钢材，注意制作过程，精心使用，定期检查。2.4.2 钢结构的疲劳破坏问题疲劳破坏的机理及其影响因素2342.4.3 钢结构的脆性断裂问题钢结构的脆性断裂问题1.脆性破坏的机理及其影响因素脆性破坏的机理及其影响因素脆性断裂是由于结构内部存在着不同类型和不同形式的裂纹，在荷载和恶劣环境作用下，裂纹扩展到临界尺寸时发生的断裂。脆性断裂本质上是裂纹处存在尖锐的应力集中而引起的破坏。有时尽管荷载很小，甚至没有外荷载作用，脆性断裂破坏也会发生。影响钢材脆性断裂的因素可分为外部因素和内部因素，外部因素一般是指低温、腐蚀及反复荷载等；而内部因素则是钢材本身的缺陷、设计不合理以及施工质量差等。2.脆性破坏的防治脆性破坏的防治钢结构脆性破坏由于具有急剧性，造成的危害相当大，应极力避免这样的事故发生。而避免钢结构脆性断裂的关键在于选择合适的材料，精心施工，定期检查和及时采取有效措施。2.4.3 钢结构的脆性断裂问题1.脆性破坏的机理及其影响352.4.4 钢结构的防火与防腐问题钢结构的防火与防腐问题1.钢结构防火钢结构防火应根据相关规范规定的防火等级，采取相应的防火措施使建筑结构能满足相应防火标准的要求。在防火标准要求的时间内，应使钢结构的温度应使钢结构的温度不超过临界温度不超过临界温度550C，以保证结构的正常承载能力。必要时需要根据防火时间来选择合适的防火构造措施。常用的防火措施有：将钢结构构件埋于绝热材料中(多用于柱)，用预制绝热板材粘结或钉固于钢构件外面，以及用灰浆绝热材料直接喷涂于钢构件表面形成防火墙(用于隐蔽的梁)等。2.钢结构防腐蚀钢结构防腐蚀钢材和外部介质相互作用而产生的损坏过程称为腐蚀，又叫钢材锈蚀。钢材锈蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种。化学腐蚀是指大气或工业废气中含有的氧气、碳酸气、硫酸气或非电介质液体与钢材表面作用(氧化作用)产生氧化物引起的锈蚀。电化学腐蚀是指钢材内部含有的其他金属杂质具有不同电极电位，在与电介质或水、潮湿气体接触时，产生源电池作用，使钢材腐蚀。绝大多数钢材锈蚀是电化学腐蚀或化学腐蚀与电化学腐蚀同时作用形成，其腐蚀速度与环境湿度、温度及有害介质浓度有关。2.4.4 钢结构的防火与防腐问题1.钢结构防火362.5 地基基础损伤机理及其危害地基基础损伤机理及其危害 任何建筑物都建在地层上，因此，建筑物的全部荷载都由它下面的地层来承担，受建筑物影响的那一部分地层称为地基地基；建筑物向地基传递荷载的下部结构称为基础基础。一般来说，基础基础可分为浅基础(埋置深度小于或相当于基础底面宽度，一般认为小于5m)和深基础两类。开挖基坑后可以直接修筑基础的地基，称为天然基础。那些不能满足要求而需要事先进行人工处理的基础，称为人工基础。基础按3737其变形特性可分为柔性基础和刚性基础；按基础形式可分为独立基础、联合基础、条形基础、筏形基础、箱形基础、桩基础、地下连续墙基础等。地基基础是保证建筑物安全和满足使用要求的关键地基基础是保证建筑物安全和满足使用要求的关键。因此，其设计必须满足地基承载力以及整体稳定性要求，不产生滑动破坏；建筑物基础沉降不超过地基变形允许值，保证建筑物不因地基变形发生损坏或影响正常使用。2.5 地基基础损伤机理及其危害 任何建筑物都建371.地基失稳地基失稳结构物作用在地基上的荷载超过地基承载力，地基将产生剪切破坏。破坏时基础四周地面出现明显隆起现象，称为整体剪切破坏。若四周地面略有隆起，称为局部剪切破坏。假如完全没有隆起迹象，则称为冲切剪切破坏。地基产生剪切破坏将引起结构物破坏甚至倒塌。2.土坡失稳土坡失稳建造在土坡上或土坡顶以及土坡趾附近的建筑物会因土坡滑动产生破坏。造成土坡滑动的外界不利因素很多，如坡上加载、坡趾取土、雨水渗流等因素都会降低土层界面强度促使局部土体滑动，土坡失稳坍塌很容易造成严重的工程事故，不仅危及边坡上的建筑物，还会危及坡顶和坡脚附近的建筑物安全。3.软弱地基软弱地基软土一般抗剪强度较低、压缩性较高、透水性能差。在软土地基上修建建筑物，如果不进行地基处理，当建筑物荷载较大时，软土地基就有可能出现局部剪切破坏甚至整体滑动。此外，软土地基上建筑物的沉降和不均匀沉降较大，沉降稳定历时较长，会造成建筑物开裂或严重影响使用。4.湿陷性黄土地基湿陷性黄土地基湿陷性黄土在天然含水量下，一般强度较高，压缩性较差，受水侵湿后，土的结构迅速破坏，强度随之降低，并发生显著的附加下沉。这种变形大速率高的湿陷，会导致建筑物产生严重变形甚至破坏。1.地基失稳385.膨胀土地基膨胀土地基膨胀土具有吸水膨胀和失水收缩的特性，它一般强度较高，压缩性较差，易被误认为是承载力较好的地基土。利用这种土作结构地基时，如果对它的特性缺乏认识，在设计和施工中没有采取有效措施，其膨胀和收缩变形会引起上部结构墙体开裂，严重时会危及结构安全。6.季节性冻土地基季节性冻土地基季节性冻土是指冬季冻结夏季融化的土层，每年冻融交替一次。冻土地基因环境条件变化在冻结和融化过程中往往产生不均匀冻胀和融陷，过大的冻融变形将导致建筑物开裂或破坏，影响建筑物正常使用和安全。5.膨胀土地基本章结束，同学们有什么体会？39本本 章章 小小 结结 结构的损伤破坏损伤破坏是引起结构侧承载性能引起结构侧承载性能和耐久性能降低耐久性能降低的主要原因，无论是人为主观因素或者是自然客观因素都会引起建筑结构的损伤破坏，甚至导致结构倒塌。设计方案的欠缺、设计人员的错误，以及施工人员的偷工减料、使用低劣建筑材料、施工质量不合格等人为因素缺陷容易引起结构的损伤破坏，而地震、火灾、飓风、地质灾害等自然灾变荷载会加速结构的损伤破坏。采取合理的设计方法和科学的建造手段采取合理的设计方法和科学的建造手段，是可以有效地减少或减缓建筑结构的损伤破坏。对混凝土结构可以通过防止混凝土的碳化、腐蚀、碱骨料反应、冻融、开裂以及钢筋锈蚀（或腐蚀）等有效手段，减少其损伤；对砌体结构，避免其开裂，以及采取可靠措施限制的过大的变形以及保证其足够的承载能力，是十分有效的防止砌体结构损伤的方法；钢结构的整体和局部失稳是其力学性能的薄弱环节，采取限制构件的长细比、板件的宽厚比、加设加劲肋等提高钢结构稳定性和疲劳性能，以及采用防火、防锈涂料，能有效减缓钢结构的损伤，延缓其使用年限。地基基础对保证结构的整体安全性十分重要地基基础对保证结构的整体安全性十分重要，通过采用合理措施改善软弱地基、湿陷性黄土、膨胀土、季节性冻土，防止建筑结构的地基失稳、土坡失稳能有效较少因地基基础原因引起的建筑结构损伤和破坏。本 章 小 结 结构的损伤破坏是引起结构侧承载性能40思思 考考 题题2-l.混凝土结构损伤破坏的种类有哪些？2-2.混凝土结构中钢筋腐蚀的机理是什么？钢筋腐蚀对结构有哪些危害?影响钢筋腐蚀的主要因素有哪些？如何防止钢筋腐蚀？2-3.混凝土碳化的机理是什么？混凝土碳化对结构有何不利影响？影响混凝土碳化的因素有哪些？2-4.混凝土冻融破坏的机理是什么？影响混凝土抗冻性的因素有哪些？如何提高混凝土的抗冻性?2-5.混凝土结构中产生裂缝的原因有哪些？裂缝对结构有何危害？如何进行裂缝控制？2-6.混凝土结构强度不足的常见原因有哪些？2-7.砌体结构裂缝的种类有哪些？分别说出各自其产生的原因？2-8.砌体结构的变形有哪几种？各种变形会对结构所造成什么样的危害？2-9.简述钢结构的稳定问题？如何防止钢结构的整体失稳和局部失稳破坏？2-l0.简述钢结构的疲劳破坏？导致钢结构疲劳破坏的原因有哪些？如何防止钢结构的疲劳破坏？思 考 题2-l.混凝土结构损伤破坏的种类有哪些？41