荷載超限裂縫機(jī)理課件

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荷載超限裂縫機(jī)理一．荷載標(biāo)準(zhǔn)和安全水準(zhǔn)荷載狀態(tài)荷載標(biāo)準(zhǔn)是安全水準(zhǔn)的基礎(chǔ)。以荷載標(biāo)準(zhǔn)值再乘以荷載分項(xiàng)系數(shù)(即超載系數(shù))將荷載值放大，再?gòu)牧硪环矫鎸⒉牧蠌?qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值乘以材料分項(xiàng)系數(shù)將材料強(qiáng)度計(jì)算值縮小，得到的綜合安全系數(shù)就取得了最終的安全儲(chǔ)備。比較起來(lái)，我國(guó)荷載標(biāo)準(zhǔn)值在國(guó)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(guó)的標(biāo)準(zhǔn)荷載取值為150kgf/m2(新規(guī)范為200kgf/m2)，而美、加兩國(guó)則取240kgf/m2，英國(guó)取250kgf/m2，法、德、俄取200kgf/m2，日本取290kgf/m2，澳大利亞取300kgf/m2，且我國(guó)的荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.4，而美、加取1.7，英國(guó)取1.6。因此我國(guó)的荷載安全水準(zhǔn)實(shí)際上只有美國(guó)的51.5％和英國(guó)的52.5％，顯然是偏低了許多。但是我國(guó)荷載標(biāo)準(zhǔn)也是經(jīng)過(guò)大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和長(zhǎng)期的工程實(shí)踐考查驗(yàn)證過(guò)的。從現(xiàn)實(shí)情況考察，在符合國(guó)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(shè)計(jì)荷載，也應(yīng)該認(rèn)為綽綽有余了。當(dāng)前居高不下的結(jié)構(gòu)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(zhǔn)偏低有關(guān)，是一個(gè)值得研究與探討的問(wèn)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(shè)計(jì)都是保證滿足結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)要求的，也就是滿足力學(xué)平衡條件。保證結(jié)構(gòu)的任何構(gòu)件，任何部位在荷載條件下所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力不超過(guò)其材料允許強(qiáng)度，保證構(gòu)件和體系的穩(wěn)定，保證構(gòu)件和體系在長(zhǎng)期工作條件下不進(jìn)入不允許的變形狀態(tài)。既然如此，也就不應(yīng)該出現(xiàn)危險(xiǎn)性的結(jié)構(gòu)裂縫，更不應(yīng)該形成事故。那么，居高不下的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足正常使用極限狀態(tài)的要求，還特別對(duì)裂縫控制和變形控制作了詳細(xì)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(chǔ)的沉降差控制在3/1000傾斜的范圍內(nèi)；高層建筑的頂點(diǎn)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(zhǔn)來(lái)看，TJ10-74、GBJ10-89、GB50010—2002三代規(guī)范基本上保持原地踏步，沒(méi)有多少與承載力安全水準(zhǔn)提高相適應(yīng)的變化，因此認(rèn)為存在安全水準(zhǔn)偏低的問(wèn)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(guò)了兩種極限狀態(tài)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)限額時(shí)，才會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫，引發(fā)工程事故?？墒怯嘘P(guān)工作人員在長(zhǎng)期的大量的工程事故分析工作中發(fā)現(xiàn)，極少遇到過(guò)荷載超限的情況出現(xiàn)。大量的結(jié)構(gòu)裂損事故甚至工程坍塌事故往往出現(xiàn)在負(fù)荷未滿，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)計(jì)算值的情況下。原因是應(yīng)該研討的。相反，在一些現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的荷載試驗(yàn)中，或者在進(jìn)行結(jié)構(gòu)拆除的實(shí)踐中還發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(jìn)入坍塌狀況，這又從另一方面提出了疑問(wèn)，都是應(yīng)該深入研討的。荷載狀態(tài)五.非常狀態(tài)這里所指的結(jié)構(gòu)非常狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)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(hù)，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)裂縫。可是由于某種偶然的特殊原因乘虛而入，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件或整個(gè)體系的剛度銳減，計(jì)算圖形或計(jì)算模型都可能大不一樣，情況也就迥然不同了。很多本不應(yīng)該出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂損事故或工程坍塌事故，可以說(shuō)絕大多數(shù)都是結(jié)構(gòu)在帶病工作的情況下出現(xiàn)的。因此認(rèn)為，加強(qiáng)工程事故防范工作，應(yīng)從勘察、設(shè)計(jì)、施工到使用的每一個(gè)階段，隨時(shí)給予關(guān)注。對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫等異?，F(xiàn)象，宜及時(shí)處理，以免帶病工作，釀成事故。應(yīng)力狀態(tài)

一.內(nèi)力圖形結(jié)構(gòu)裂縫是由于結(jié)構(gòu)在荷載作用條件下所產(chǎn)生的內(nèi)力值超過(guò)了結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度允許值而形成。研究結(jié)構(gòu)裂縫機(jī)理，應(yīng)從研究結(jié)構(gòu)的內(nèi)力圖形開始。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力圖形包括彎矩圖和剪力圖。試以最常見(jiàn)的簡(jiǎn)支梁與固端梁為例，來(lái)說(shuō)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(jìn)一步對(duì)由彎曲應(yīng)力與剪應(yīng)力合成的主拉應(yīng)力進(jìn)行研究。因?yàn)橹骼瓚?yīng)力是直接產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫的作用力。應(yīng)力狀態(tài)

應(yīng)力狀態(tài)

二.主拉應(yīng)力狀態(tài)從跨度內(nèi)的彎矩圖形與剪力圖形來(lái)考察主拉應(yīng)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(jié)構(gòu)裂縫可能出現(xiàn)的狀態(tài)，就以簡(jiǎn)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(yīng)力也為最大，拉應(yīng)力方向?yàn)樗?，而跨中的剪?yīng)力則為零，所以主拉應(yīng)力方向也只能是彎曲拉應(yīng)力的方向，其值為,此拉應(yīng)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(yīng)力(水平向)已不存在，僅存在垂直方向的最大剪應(yīng)力，而在一般情況下，剪力設(shè)計(jì)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(qiáng)度有足夠的安全儲(chǔ)備，純剪破壞現(xiàn)象是絕對(duì)不會(huì)發(fā)生的。只有在從跨中到支座之間這個(gè)范圍內(nèi)，隨著水平方向彎曲應(yīng)力的逐漸減小，垂直方向剪應(yīng)力的逐漸加強(qiáng)，主拉應(yīng)力的方向由水平逐漸向右下方傾斜，發(fā)展到支座附近時(shí)主拉應(yīng)力方向趨近于45°的方向。這就是主拉應(yīng)力的應(yīng)力狀態(tài)，如附圖4.2(d)。應(yīng)力狀態(tài)

應(yīng)力狀態(tài)

三.壓應(yīng)力狀態(tài)1.支座處壓應(yīng)力狀態(tài)(1)在集中荷載作用下其實(shí)際作用面積At小，而支座的承壓計(jì)算面積Ab大的情況下，即Ab>At時(shí)，如圖4.3(a)、(b)所示，壓應(yīng)力得到擴(kuò)散，則支座下構(gòu)件產(chǎn)生裂縫的可能性不會(huì)大。(2)在集中荷載作用于支座邊緣，壓應(yīng)力不能擴(kuò)散，即壓力的實(shí)際作用面積與承壓計(jì)算面積相等，也就是At=Ab的情況下，如圖4.3(c)。壓應(yīng)力失去了擴(kuò)散衰減的機(jī)會(huì)，壓應(yīng)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(shè)計(jì)與施工中應(yīng)該盡量避免。江西某商住樓坍塌事故就是教訓(xùn)。(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(kuò)散過(guò)程中，會(huì)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(xiǎn)性很大的裂縫。北京礦業(yè)學(xué)院教學(xué)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(guān)。應(yīng)力狀態(tài)

應(yīng)力狀態(tài)

2.梁內(nèi)的壓應(yīng)力狀態(tài)梁內(nèi)壓應(yīng)力按線性規(guī)律分布于梁的中性軸以上。應(yīng)力強(qiáng)度隨彎矩的變化而變化。根據(jù)梁斷面的平衡破壞設(shè)計(jì)理論進(jìn)行足夠配筋和混凝土抗壓強(qiáng)度偏高的優(yōu)勢(shì)，梁內(nèi)出現(xiàn)壓應(yīng)力超限導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫引起事故的幾率很低。只是在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中，梁端的底部本來(lái)是因負(fù)彎矩的存在而屬于壓應(yīng)力區(qū)，如果預(yù)應(yīng)力張拉索在梁端底部區(qū)域沒(méi)有及時(shí)彎起轉(zhuǎn)向梁頂區(qū)域，則梁底可能會(huì)壓應(yīng)力超限，引起剪壓破壞的危險(xiǎn)，如圖4.4所示。應(yīng)力狀態(tài)

應(yīng)力狀態(tài)

四.屋(桁)架節(jié)點(diǎn)內(nèi)的應(yīng)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(gòu)件，除了節(jié)點(diǎn)區(qū)在由壓力向拉力轉(zhuǎn)化過(guò)程中應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜外，桿件應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)該是很規(guī)范的。可是由于桁架構(gòu)造尺寸上的施工誤差，或因桿件自重應(yīng)力和溫濕度脹縮變形應(yīng)力的存在，實(shí)際工程中的桁(屋)架的應(yīng)力狀態(tài)仍是復(fù)雜的。次應(yīng)力多集中出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)區(qū)附近，尤其是端節(jié)點(diǎn)，往往存在剪應(yīng)力。這兩種應(yīng)力引起的裂縫導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)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(yīng)力狀態(tài)

五.應(yīng)力合成與應(yīng)力疊加在很多情況下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的裂縫分布情況與理論分析得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析情況不是很吻合。本來(lái)裂縫開展的方向與應(yīng)力方向應(yīng)該正交，實(shí)際情況是方向有很大偏離。本來(lái)裂縫分布應(yīng)該很有規(guī)律，實(shí)際裂縫分布卻常常沒(méi)有規(guī)律。出現(xiàn)這樣的異常情況是因?yàn)楫a(chǎn)生了應(yīng)力合成與應(yīng)力疊加的問(wèn)題。1.應(yīng)力合成在同一荷載條件下產(chǎn)生的兩種應(yīng)力比如垂直方向的剪應(yīng)力與水平方向的張拉應(yīng)力經(jīng)過(guò)合成以后，應(yīng)該成為大小和方向一定的主拉應(yīng)力，可是由于構(gòu)件各個(gè)部位材料阻抗能力(抗裂能力)的不均勻，會(huì)導(dǎo)致裂縫方向略有改變。2.應(yīng)力疊加當(dāng)在一種荷載作用下結(jié)構(gòu)已產(chǎn)生了某一種應(yīng)力，如果又有另一荷載出現(xiàn)，產(chǎn)生了新的應(yīng)力，兩種應(yīng)力疊加，則不僅會(huì)影響應(yīng)力和裂縫的走向，也會(huì)影響裂縫的產(chǎn)狀。這都是在裂縫機(jī)理分析過(guò)程中會(huì)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(guān)鍵點(diǎn)。裂縫狀態(tài)

本來(lái)裂縫狀態(tài)與應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)該是直接相關(guān)，完全相應(yīng)的。裂縫走向應(yīng)該與理論分析的應(yīng)力走向正交，裂縫產(chǎn)狀應(yīng)該與應(yīng)力圖形呼應(yīng)。真若如此，則只須進(jìn)行一次理論上的應(yīng)力計(jì)算，繪出內(nèi)力圖形，裂縫和事故的真相也就會(huì)大白?？墒窃趯?shí)際的工程事故分析工作中，情況并非完全如此，眼前的結(jié)構(gòu)裂縫往往是產(chǎn)狀、走向多種多樣。原因在于實(shí)際工程的環(huán)境條件，內(nèi)在因素往往是千差萬(wàn)別，錯(cuò)綜復(fù)雜的。因此致裂因素也就錯(cuò)綜復(fù)雜。要理出頭緒，首先應(yīng)該從理論上的應(yīng)力分析下手，再進(jìn)行裂縫現(xiàn)狀的詳細(xì)檢測(cè)記錄，綜合觀察，對(duì)比分析，找出裂縫原因。最后才根據(jù)實(shí)際的裂縫狀態(tài)，認(rèn)定裂縫的真實(shí)性質(zhì)、發(fā)展趨勢(shì)及其危害性。出現(xiàn)在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)上的值得關(guān)注的危險(xiǎn)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(wú)梁板面上，比如無(wú)梁樓板或筏板基礎(chǔ)上。一般在設(shè)計(jì)過(guò)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(xiǎn)性極大，接近脆性破壞，沒(méi)有延性，不給預(yù)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(shí)存在同時(shí)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(diǎn)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(xiǎn)性不大，甚至被視為無(wú)害裂縫?？墒撬矊儆诖嘈云茐男土芽p，會(huì)沿裂縫面產(chǎn)生滑動(dòng)，導(dǎo)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(shí)存在的情況下，其共同作用的結(jié)果，就產(chǎn)生剪拉裂縫。剪拉裂縫屬于錯(cuò)動(dòng)狀，張拉型裂縫。裂縫寬度大，不僅外觀上看來(lái)危險(xiǎn)性大，實(shí)際上也是一種危險(xiǎn)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(diǎn)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(qiáng)大的集中荷載作用下結(jié)構(gòu)在產(chǎn)生強(qiáng)大的壓縮變形的同時(shí)，由于壓縮機(jī)理尋求壓應(yīng)力擴(kuò)散的機(jī)會(huì)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(xiǎn)性極大。壓力機(jī)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(xué)院教學(xué)樓倒塌事故發(fā)生時(shí)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(guò)量，導(dǎo)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(xiǎn)性極大。現(xiàn)時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中很時(shí)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(méi)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(zhì)的裂縫，先后出現(xiàn)，迅速雜交，必具有很強(qiáng)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(xué)院教學(xué)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(jiàn)的張拉裂縫，比如板面上的通長(zhǎng)貫穿裂縫、墻面上的通長(zhǎng)傾斜裂縫、梁側(cè)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?yàn)樗鼈兺绊懯褂霉δ?，影響外觀，最被人們所關(guān)注，也是很有害的裂縫。但絕不是危險(xiǎn)性最大的裂縫。在工程事故分析工作中應(yīng)該心中有數(shù)，分別對(duì)待，以免陷于被動(dòng)。安全評(píng)估

一.評(píng)估問(wèn)題的提出按習(xí)慣，人們?cè)谟龅浇Y(jié)構(gòu)變形、裂縫等異?，F(xiàn)象時(shí)，最關(guān)心的有兩件事：一是設(shè)計(jì)是否滿足承載力要求；二是使用荷載是否超過(guò)設(shè)計(jì)限額。在未見(jiàn)到其他的明顯原因，比如地基下沉等情況時(shí)，往往只把注意力集中放在荷載問(wèn)題上。一旦查明在荷載方面不存在問(wèn)題時(shí)，就掉以輕心。而事故也就在這樣的情況下悄悄來(lái)臨。實(shí)踐證明，設(shè)計(jì)與超載方面存在問(wèn)題的情況確實(shí)是極少的，而結(jié)構(gòu)裂縫引起工程事故的幾率卻很高。因此，對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫現(xiàn)象進(jìn)行安全評(píng)估，必須持絕對(duì)慎重的態(tài)度。要查明原因，切不可輕易放過(guò)。安全評(píng)估

二.安全評(píng)估的內(nèi)容在初步懷疑裂縫原因系由荷載引起