結(jié)構(gòu)加固第2章-尚守平

1、第二章 結(jié)構(gòu)損傷鑒定加固湖南大學(xué)湖南大學(xué) 尚守平尚守平2015.9.2015.9.混凝土的裂縫尚守平2015一、裂縫的危害二、裂縫的分類三、裂縫的成因四、裂縫的防治五、裂縫的修復(fù)一、裂縫的危害 對于受彎構(gòu)件的樓板，盡管受彎區(qū)允許有在一定范圍寬度內(nèi)的裂縫存在，但是裂縫對結(jié)構(gòu)承載力的影響是不可忽視的。樓板產(chǎn)生裂縫，對使用者所帶來的最直接的問題是滲漏水的危害，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命，從而影響結(jié)構(gòu)安全性。 有些裂縫會引起局部鋼筋銹蝕，降低建筑物構(gòu)件的使用壽命，或發(fā)生滲漏水而影響正常使用；有的雖然不會影響結(jié)構(gòu)或出現(xiàn)滲漏水，但卻破壞了建筑物的美觀，使使用者產(chǎn)生不良的心理影響。 裂縫將對結(jié)構(gòu)的承載力

2、、抗?jié)B性、抗鋼筋銹蝕性、抗化學(xué)侵蝕性等耐久性能產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，影響結(jié)構(gòu)承載力和使用安全性。有些裂縫會影響結(jié)構(gòu)的整體性，降低結(jié)構(gòu)的剛度，影響結(jié)構(gòu)的承載力。二、裂縫的分類 根據(jù)混凝土裂縫產(chǎn)生的原因，可分為結(jié)構(gòu)性裂縫與非結(jié)構(gòu)性裂縫兩大類。 1、結(jié)構(gòu)性裂縫由各種外荷載、地基沉降、地震作用引起的裂縫，也稱荷載裂縫。它包括由外荷載的直接應(yīng)力引起的裂縫和在外荷載作用下結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫。 2、非結(jié)構(gòu)性裂縫由各種非荷載變形（不包括地基沉降）引起的裂縫。它包括塑性裂縫、干縮裂縫、溫度裂縫等。 從國內(nèi)外的研究資料以及大量的工程實(shí)踐來看，非結(jié)構(gòu)性裂縫在工程中占了絕大多數(shù)，約為80，其中以收縮裂縫為主導(dǎo)。按裂縫產(chǎn)生

3、的時(shí)間劃分： 1、施工期間出現(xiàn)的裂縫。包括塑性收縮裂縫、沉降收縮裂縫、干燥收縮裂縫、自身收縮裂縫、溫度裂縫、施工設(shè)置操作不當(dāng)出現(xiàn)的裂縫、早期凍脹作用引起的裂縫以及一些不規(guī)則裂縫。 2、使用期間出現(xiàn)的裂縫。包括鋼筋銹蝕膨脹產(chǎn)生的裂縫、鹽堿類介質(zhì)及酸性侵蝕氣液引起的裂縫、凍融循環(huán)造成的裂縫、堿骨料反應(yīng)引起的裂縫以及循環(huán)動荷載作用下?lián)p傷累積引起的裂縫等。 裂縫的分類按裂縫的形狀劃分： 縱向裂縫，平行于構(gòu)件長邊，順筋分布，主要由鋼筋銹蝕作用引起。 橫向裂縫，垂直于構(gòu)件長邊，主要由荷載作用、溫差作用引起。 剪切裂縫，由于豎向荷載或震動引起。 斜向裂縫、八字形或倒八字形裂縫。常見于墻體、混凝土梁。主要因地

4、基的不均勻沉降以及溫差作用引起。 x形裂縫，常見于窗間墻、窗肚墻面上。由于水平地震作用或者水平荷載引起。 各種不規(guī)則裂縫，如反復(fù)凍融或火災(zāi)等引起的裂縫。此外，還有因混凝土拌和或運(yùn)輸時(shí)間過長引起的網(wǎng)狀縫。 由于水泥安定性不合格引起的不規(guī)則網(wǎng)狀裂縫。裂縫的分類三、裂縫的成因 混凝土在硬化過程中會產(chǎn)生體積變形。由于各種材料的線膨脹系數(shù)不同，由互相約束而產(chǎn)生初始壓應(yīng)力、拉應(yīng)力或剪應(yīng)力，造成在骨料與水泥村的粘結(jié)面上或水泥石本身之間出現(xiàn)肉眼難以看到的細(xì)微裂縫，一般稱之為微裂縫。在荷載或溫度作用下，裂縫擴(kuò)展，并逐漸互相貫運(yùn)，從而出現(xiàn)較大的肉眼可以看到的裂縫。一般寬度達(dá)到0.030.05mm時(shí)稱為宏觀裂縫，即

5、通常所說的裂縫?；炷恋牧芽p實(shí)際上是微裂縫的擴(kuò)展?；炷恋牧芽p實(shí)際上是微裂縫的擴(kuò)展。 游離氧化鈣引起的水泥安定性不合格導(dǎo)致游離氧化鈣引起的水泥安定性不合格導(dǎo)致的砼龜裂；的砼龜裂；混凝土配合比設(shè)計(jì)原因： 設(shè)計(jì)中水泥等級或品種選用不當(dāng)。 配合比中水灰比過大導(dǎo)致砼干縮過大。 水泥用量越大，導(dǎo)致砼凝縮過大； 大體積砼水化熱過高。 裂縫的成因材料原因： 粗細(xì)集料含泥量過大，造成混凝土收縮增大； 細(xì)骨料粒徑太??； 混凝土外加劑、摻合料選擇不當(dāng)。 水泥品種原因。普通硅酸鹽水泥水化熱高；大體積砼宜選用水化熱低的礦渣硅酸鹽水泥。裂縫的成因設(shè)計(jì)、施工原因： 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中的斷面突變而局部加強(qiáng)筋配置不足而產(chǎn)生的應(yīng)力集中

6、裂縫；或施工縫設(shè)置不當(dāng)； 對構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力反拱過大； 設(shè)計(jì)中構(gòu)造鋼筋配置過少或過粗； 設(shè)計(jì)中未充分考慮混凝土構(gòu)件的收縮變形； 設(shè)計(jì)中采用的混凝土等級過高，水泥用量過大，收縮較大； 砼硬化過程中養(yǎng)護(hù)不到位； 設(shè)計(jì)、施工中對降低大體積砼水化熱的措施不夠所致。裂縫的成因其它原因： 由于結(jié)構(gòu)地基的不均勻沉降等情況，造成混凝土開裂，產(chǎn)生沉降裂縫。在施工過程中，鋼筋表面污染，混凝土保護(hù)層太小或太大，澆灌中碰撞鋼筋使其移位等都可能引起裂縫。 使用荷載超負(fù)。 野蠻裝修，隨意拆除承重墻或鑿洞等，引起裂縫。 周圍環(huán)境影響，酸、堿、鹽等對構(gòu)筑物的侵蝕，引起裂縫。 意外事件，火災(zāi)、輕度地震等引起構(gòu)筑物的裂縫。裂縫的成

7、因四、裂縫的防治對干縮裂縫的預(yù)防措施： 選用收縮量較小的水泥，一般采用中低熱水泥和粉煤灰水泥，降低水泥的用量。 混凝土的干縮受水灰比的影響較大，因此在混凝土配合比設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量控制好水灰比（不宜過大）的選用，同時(shí)添加合適的減水劑。 嚴(yán)格控制大體積混凝土的水化熱。 加強(qiáng)混凝土的早期養(yǎng)護(hù)，并適當(dāng)延長混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間。 在混凝土結(jié)構(gòu)中設(shè)置合適的伸縮縫。對收縮裂縫的預(yù)防措施： 選用收縮值較小、早期強(qiáng)度較高的水泥； 嚴(yán)格控制水灰比，添加高效的減水劑來增加混凝土的坍落度和易性，減少水泥及水的用量； 澆筑混凝土前將基層和模板澆水均勻濕透； 及時(shí)覆蓋塑料薄膜或者潮濕的草墊、麻片等，以保持混凝土終凝之前表面濕潤，

8、或者對混凝土表面噴灑養(yǎng)護(hù)劑等進(jìn)行養(yǎng)護(hù)； 在高溫和大風(fēng)天氣設(shè)置遮陽和擋風(fēng)設(shè)施及時(shí)養(yǎng)護(hù)。裂縫的防治對溫度裂縫的預(yù)防措施： 盡量選用低熱、中熱水泥。如礦渣水泥、粉煤灰水泥等。 減低水泥的用量； 降低水灰比； 改善骨料級配，摻加粉煤灰或高效減水劑來減少水泥的用量，降低水化熱； 改善混凝土的攪拌工藝，降低混凝土澆筑溫度； 在混凝土中摻和一定量的減水、增塑、緩凝等作用的外加劑，改善混凝土拌和物的流動性、保水性，降低水化熱； 高溫季節(jié)澆筑時(shí)可以采用搭設(shè)遮陽板等輔助措施控制混凝土的溫升，減低澆筑混凝土的溫度； 在大體積混凝土內(nèi)部設(shè)置冷卻管道，通冷水或者冷氣冷卻，減少混凝土內(nèi)外溫差。裂縫的防治對由化學(xué)反映引起的

9、裂縫的預(yù)防措施： 選用堿性小的砂石骨料；禁用沒處理的海沙、石。 可選擇在鋼筋表面涂刷不影響粘結(jié)的 防腐涂料 ； 選用合適的摻和材料，抑制堿骨料反應(yīng)； 保證鋼筋保護(hù)層的厚度； 選用好的混凝土砂石級配； 混凝土澆筑時(shí)震搗密實(shí)。裂縫的防治對沉降裂縫的預(yù)防措施： 對松軟土填土地基在施工前應(yīng)進(jìn)行必要的夯實(shí)和加固，以保證地基沉降減少到最少程度。 對于地基位于不同的土層時(shí)，保證樓板有足夠的強(qiáng)度和剛度，且支撐牢固，并使地基受力均勻。地震區(qū)不允許使用不同類型的基礎(chǔ)； 模板拆除的時(shí)間不能過早，注意拆除的先后順序。裂縫的防治對受力裂縫的預(yù)防措施：宜選用較細(xì)直徑的變形鋼筋，以增大鋼筋與混凝土接觸的表面積，提高鋼筋與混

10、凝土的粘接強(qiáng)度。增加鋼筋有效配筋率，從而減小鋼筋應(yīng)力和裂縫間距。 對構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力。裂縫的防治五、裂縫的修復(fù) 混凝土置換法 混凝土置換法是將嚴(yán)重?fù)p壞或失效的混凝土除掉，置換新的混凝土或其他材料。具體施工驟如下。 1)剔除混凝土。 2)處理混凝土面層及鋼筋。 3)置換材料的配置。 4)養(yǎng)護(hù)及粉刷。 裂縫的修復(fù) 表面封閉法 表面封閉法是一種在細(xì)微裂縫（寬度一般小于0.2mm）的表面涂膜以提高其防水性及耐久性的方法，是一較簡單的裂縫修補(bǔ)方法。通過密封裂縫表面達(dá)到防止水分、二氧化碳以及其他有害介質(zhì)侵入的目的。這種方法的缺點(diǎn)是修補(bǔ)工作無法深入到裂縫內(nèi)部。不適合有明顯水壓的裂縫。表面封閉所采用的密封材料因

11、修補(bǔ)目的及使用環(huán)境不同而異。裂縫的修復(fù) 灌漿法 化學(xué)灌漿采用化學(xué)灌漿料來處理混凝土形成的裂縫，一般采用化學(xué)灌漿料、快速凝結(jié)劑和膨脹水泥砂漿配合使用。當(dāng)需要在裂縫全深度范圍注入修補(bǔ)材料，以提高其防水縫和耐久性時(shí)，化學(xué)灌漿是經(jīng)常使用的方法。 措施：采取措施降低混凝土表面游離水的蒸發(fā)速度、減小混凝土的面層干縮和增大混凝土面層早期擾裂強(qiáng)度；混凝土施工振搗要密實(shí)，后期養(yǎng)護(hù)要到位；控制水的用量或摻加外加劑從而減少混凝土收縮；控制混凝土內(nèi)部和表面的溫度差減小溫度應(yīng)力，減少溫度裂縫的產(chǎn)生。如果用有機(jī)化學(xué)灌漿料來封閉裂縫，如果用有機(jī)化學(xué)灌漿料來封閉裂縫，2大缺點(diǎn)：大缺點(diǎn)： 要求裂縫中干燥無水；耐久性差。要求裂縫

12、中干燥無水；耐久性差。裂縫的修復(fù) 表面修補(bǔ)法 這種方法主要適用于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定或構(gòu)件的承載能力沒有受到影響的表層裂縫的處理。通常在裂縫的表面涂抹水泥漿、環(huán)氧膠泥或在混凝土表面涂刷油漆、瀝青等防腐材料。裂縫的修復(fù)壓力注漿法修補(bǔ)裂縫機(jī)械動力法：利用壓送設(shè)備將補(bǔ)縫漿液注入混凝土裂隙，達(dá)到閉塞的目的，該方法屬傳統(tǒng)方法，效果很好。 低壓注漿法：利用彈性補(bǔ)縫器將注縫膠注入裂縫，不用電力，十分方便，效果也很理想。裂縫的修復(fù) 開槽填補(bǔ)法 也稱嵌縫法，沿混凝土裂縫開鑿成槽，用聚合物水泥砂漿將其填補(bǔ)封閉的方法。常在槽中嵌填塑性或剛性止水材料，達(dá)到封閉裂縫的目的。我們常用的材料有聚氯乙烯膠泥、塑料油膏、丁基橡膠、聚合物水

13、泥砂漿等等。適用于結(jié)構(gòu)允許開槽而寬度較大但數(shù)量不多的裂縫，如墩臺或路面混凝土的裂縫。 裂縫的修復(fù) 涂膜封閉法修補(bǔ)裂縫 在混凝土表面涂刷防水涂膜以封閉微細(xì)裂縫的修補(bǔ)方法稱涂膜封閉法，適用于寬度小于0.2 mm的微細(xì)裂縫的修補(bǔ)。裂縫的修復(fù) 結(jié)構(gòu)加固法 這種方法是指當(dāng)裂縫影響到混凝土結(jié)構(gòu)的性能時(shí)，采用的對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理的方法。常用的主要有以下幾種方法：加大混凝土結(jié)構(gòu)的截面面積，在構(gòu)件的角部外包型鋼、采用預(yù)應(yīng)力法加固、粘貼鋼板加固、增設(shè)支點(diǎn)加固以及噴射混凝土補(bǔ)強(qiáng)加固，HPFL加固法等。裂縫的修復(fù) 仿生自愈合法 仿生自愈合法是一種新的裂縫處理方法，它模仿生物組織對受創(chuàng)傷部位自動分泌某種物質(zhì)，而使

14、創(chuàng)傷部位得到愈合的機(jī)能，在混凝土的傳統(tǒng)組分中加入某些特殊組分(如含粘結(jié)劑的液芯纖維或膠囊），在混凝土內(nèi)部形成智能型仿生自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫時(shí)分泌出部分液芯纖維可使裂縫重新愈合。 裂縫的修復(fù)圖 2.1-1正截面彎曲裂縫2.1 荷載損傷及變形損傷圖 2.1-2 剪切裂縫圖 2.1-3 扭轉(zhuǎn)裂縫圖 2.1-4受壓裂縫圖 2.1-5砼収縮裂縫圖 2.1-6 地基不均勻沉降導(dǎo)致的墻體斜裂縫圖 2.1-7 溫度升降引起旳斜裂縫圖 2.1-8 超長現(xiàn)澆砼樓屋面板開裂圖 2.1-9 樓面板四角450裂縫（a）云圖（b）垂直環(huán)流示意圖圖2.2-1 熱帶氣旋2.2 風(fēng)災(zāi)風(fēng)災(zāi)圖2.2-2 “龍吸水”

15、現(xiàn)象圖2.2-3 陸龍卷塔科馬海峽大橋位于美國華盛頓州的塔科馬海峽。第一座塔科馬海峽大橋，綽號舞動的格蒂，于1940年7月1日通車，四個(gè)月后戲劇性地被微風(fēng)摧毀(氣彈顫振)，這一幕正好被一支攝影隊(duì)拍攝了下來，該橋因此聲名大噪。重建的大橋于1950年通車，被稱為：強(qiáng)壯的格蒂；2007年，新的平行橋通車。 大橋的倒塌發(fā)生在一個(gè)此前從未見過的扭曲形式發(fā)生后，當(dāng)時(shí)的風(fēng)速大約為每小時(shí)40英里。這就是力學(xué)上的扭轉(zhuǎn)變形，中心不動，兩邊因有扭矩而扭曲，并不斷振動。這種振動是由于空氣彈性顫振引起的。顫振的出現(xiàn)使風(fēng)對橋的影響越來越大，最終橋梁結(jié)構(gòu)像麻花一樣徹底扭曲了。在塔科馬海峽大橋坍塌事件中，風(fēng)能最終戰(zhàn)勝了鋼的撓

16、曲變形，使鋼梁發(fā)生斷裂。拉起大橋的鋼纜斷裂后使橋面受到的支持力減小并加重了橋面的重量。隨著越來越多的鋼纜斷裂，最終橋面承受不住重量而徹底倒塌了。 塔科馬海峽大橋的坍塌使得空氣動力學(xué)和共振實(shí)驗(yàn)成為了建筑工程學(xué)的必修課。這里的共振和受迫共振（由周期運(yùn)動引發(fā)的，如步伐整齊的一隊(duì)士兵渡橋）不同。在該案例中沒有周期性擾動。當(dāng)時(shí)風(fēng)速穩(wěn)定在每小時(shí)42英里（67公里/小時(shí)），頻率0.2赫茲。這樣的風(fēng)速本應(yīng)對大橋夠不成威脅。因此此次事件只能被理解為空氣動力學(xué)和結(jié)構(gòu)分析不嚴(yán)密所致，以后所有的橋梁，無論是整體還是局部，都必須通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析和風(fēng)洞測試。 視頻大橋最終坍塌的畫面被當(dāng)?shù)卣障囵^的老板巴尼埃利奧特（Bar

17、ney Elliott）拍攝了下來。1998年，塔科馬海峽大橋的坍塌視頻被美國國會圖書館選定保存在美國國家電影登記處，這段震撼人心的視頻被譽(yù)為“在文化、歷史和審美學(xué)方面有著重要意義”。這段珍貴的電影膠片仍然對學(xué)習(xí)工程學(xué)、建筑學(xué)和物理學(xué)的學(xué)生起著警示的作用。殘骸保護(hù)沉沒的大橋殘骸編號92001068，被登記在國家歷史地點(diǎn)記錄冊中。水下的殘骸已經(jīng)作為一座人工礁石被保護(hù)起來。塔科馬海峽吊橋（英語：Tacoma Narrows Bridge）是位于美國華盛頓州塔科馬的兩條懸索橋。第一座塔科馬海峽大橋，綽號舞動的格蒂，于1940年7月1日通車，四個(gè)月后戲劇性地被微風(fēng)摧毀，這一幕正好被一支攝影隊(duì)拍攝了下來

18、，該橋因此聲名大噪。重建的大橋于1950年通車，被稱為：強(qiáng)壯的格蒂；2007年，新的平行橋通車。公路：華盛頓州16號干線地點(diǎn)：塔科馬海峽（Tacoma Narrows）連接：塔科馬（Tacoma）至吉格港（Gig Harbor）昵稱：強(qiáng)健的格蒂（Sturdy Gertie）橋梁形式：雙懸索橋主跨：2800英尺（853米）全長：5979英尺（1822米）通航凈空：187.5英尺（ 57.15米）通車日期：1950年10月14日（西行）；2007年7月15日（東行）收費(fèi)：3美元（東行）彎（梁橋）拉（斜拉橋，懸索橋）剪（各種梁端部）扭（超靜定橋面系：如風(fēng)荷載下）壓（拱橋）不均勻沉降（地基、基礎(chǔ)）圖圖2.3-1 室內(nèi)火災(zāi)時(shí)間室內(nèi)火災(zāi)時(shí)間溫度曲線溫度曲線2.3 室內(nèi)火災(zāi)室內(nèi)火災(zāi) 溫度(0C)鋼種100200300400500600700普通低碳鋼1.001.001.000.670.520.300.05普通低合金鋼1.001.000.850.750.600.400.20鋼筋的強(qiáng)度折減系數(shù)sK圖2.3-2 實(shí)際室內(nèi)火災(zāi)的溫時(shí)曲線與國際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線當(dāng)量升溫時(shí)間當(dāng)量升溫時(shí)間TaTa) 18lg(3450tTT標(biāo)準(zhǔn)升溫 時(shí)溫曲線Ta=exp(T/204)名稱代表制品形態(tài)溫度（）模制玻璃玻璃磚、杯、缸