1、 The Design Approach of Structure第二章 结构设计方法2023-1-252 工程结构的设计需要保证工程结构的设计需要保证安全可靠、经济合理安全可靠、经济合理 由于实际工程结构中存在多种不确定性由于实际工程结构中存在多种不确定性 结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定性问题，取得性问题，取得安全可靠与经济合理之间的均衡安全可靠与经济合理之间的均衡容许应力容许应力设计方法设计方法 allowable stressKf安全系数材料强度 安全系数安全系数 K 是一个大于是一个大于1.0的数值。的数值。K 越大，越大，结构安结
2、构安全度就越高，同时结构材料用量也越多。全度就越高，同时结构材料用量也越多。为取得安全可靠与经济合理的为取得安全可靠与经济合理的均衡均衡，在综合考虑各在综合考虑各种不确定性因素影响后，可选取一个合适安全系数。种不确定性因素影响后，可选取一个合适安全系数。第二章 结构设计方法2023-1-253 材料力学中研究的是：单一材料、线弹性、简单结材料力学中研究的是：单一材料、线弹性、简单结构，实际工程结构远比它复杂。如钢筋混凝土梁的受构，实际工程结构远比它复杂。如钢筋混凝土梁的受弯，从安全角度考虑，需要确定其弯，从安全角度考虑，需要确定其极限受弯承载力极限受弯承载力；而为控制正常使用阶段的而为控制正常
3、使用阶段的裂缝和挠度变形裂缝和挠度变形，需要确定，需要确定带裂缝工作阶段的受力情况。带裂缝工作阶段的受力情况。采用容许应力设计方法，无法统一这两方面要求采用容许应力设计方法，无法统一这两方面要求。因此，首先根据工程结构需要满足实际使用的各种因此，首先根据工程结构需要满足实际使用的各种要求（要求（结构的功能结构的功能），对安全可靠有更具体的科学定），对安全可靠有更具体的科学定义；另一方面，需要尽可能详细了解结构在不同情况义；另一方面，需要尽可能详细了解结构在不同情况下（施工、使用、破坏）可能受到的各种外界影响的下（施工、使用、破坏）可能受到的各种外界影响的大小和变化情况大小和变化情况以及结构尺寸
4、、材料强度等的变异以及结构尺寸、材料强度等的变异情况，以便科学合理的选定结构可靠度。情况，以便科学合理的选定结构可靠度。外界影响：外界影响：各种荷载、温度变化、沉降、收缩徐变、各种荷载、温度变化、沉降、收缩徐变、地震、侵蚀、冻融等地震、侵蚀、冻融等第二章 结构设计方法2023-1-2542.1.1 2.1.1 结构的功能结构的功能 Functions of Structure安全性安全性 Safety 如（如（M M u）结构在预定的使用期间内结构在预定的使用期间内（一般为（一般为50年）年），应能承，应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、受在正常施工、正常使用情况下可能出现的
5、各种荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用。形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用。在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，结在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。成生命财产的严重损失。2.12.1 结构的设计要求结构的设计要求第二章 结构设计方法2023-1-255结构的可靠性结构的可靠性 reliability 可靠性可靠性安全性、适用性和耐久性的总称安全性、适
6、用性和耐久性的总称就是指结构在规定的使用期限内（设计工作寿命就是指结构在规定的使用期限内（设计工作寿命=50年），在规定的条件下年），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使（正常设计、正常施工、正常使用和维护），用和维护），完成预定结构功能的能力。完成预定结构功能的能力。结构可靠性越高，建设造价投资越大。结构可靠性越高，建设造价投资越大。如何在结构可靠与经济之间取得均衡如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计就是设计方法要解决的问题。方法要解决的问题。第二章 结构设计方法2023-1-256适用性适用性 Serviceability 如（如（f f）结构在正常使用期间，具有良好的工作性能
7、。如不发结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大裂缝宽度。率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大裂缝宽度。耐久性耐久性 Durability 如（如（w max w max）结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下（久性。即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀混凝土碳化、钢筋锈蚀），），结构的承载力和刚度结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结不应随时间有过
8、大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。命。第二章 结构设计方法2023-1-257显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响，显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响，如国家经济实力、设计工作寿命、维护和修复等。如国家经济实力、设计工作寿命、维护和修复等。规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度，规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度，也是国家法律。也是国家法律。设计人员可以根据具体工程的重要程度、使用环设计人员可以根据具体工程的重要程度、使用环境和情况，以及业主的要求，提高设计水准，增境和情况，以及业主的要求
9、，提高设计水准，增加结构的可靠度。加结构的可靠度。经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考虑维修，损失及修复的费用虑维修，损失及修复的费用第二章 结构设计方法2023-1-2582.1.2 2.1.2 结构功能的极限状态结构功能的极限状态 Limit State结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠可靠”的或的或“有效有效”的。反之，则结构为的。反之，则结构为“不可靠不可靠”或或“失效失效”。区分结构区分结构“可靠可靠”与与“失效失效”的临界工作状态称为的临界工作状态称为“极限极限状态状态”第二章
10、结构设计方法2023-1-2591、承载力能力极限状态、承载力能力极限状态 Ultimate Limit State 超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求功能要求 结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）覆、滑移）结构塑性变形过大而不适于继续使用结构塑性变形过大而不适于继续使用 结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）多塑性铰）结构或构件丧失稳定（如细长受压构件
11、的压曲失结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）稳）第二章 结构设计方法2023-1-25102 2、正常使用极限状态、正常使用极限状态 Serviceability Limit State 超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求。性和耐久性的功能要求。过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用（吊车）等）；不能正常使用（吊车）等）；过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；过大的振动（不舒适）；过大的振动（不舒适）；其他正常使
12、用要求。其他正常使用要求。第二章 结构设计方法2023-1-25112.1.3 2.1.3 结构的设计使用年限结构的设计使用年限结构的设计使用年限结构的设计使用年限：设计规定的结构或构件不需进行大修：设计规定的结构或构件不需进行大修即可按其以其目的使用的时期。即可按其以其目的使用的时期。设计使用年限分类设计使用年限分类类别类别设计使用年限设计使用年限（年）（年）示示 例例1 15 5临时性结构临时性结构2 22525易于替换的结构构件易于替换的结构构件3 35050普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物4 4100100及以上及以上纪念性建筑和特别重要的建筑结构纪念性建筑和特别重要的建筑结构注意：区
13、别建筑物的设计使用年限与建筑物的使用寿命。注意：区别建筑物的设计使用年限与建筑物的使用寿命。第二章 结构设计方法2023-1-2512结构上的作用结构上的作用 1 作用及其分类作用及其分类 作用在结构上并使结构产生内力（如弯矩、剪作用在结构上并使结构产生内力（如弯矩、剪力、轴向力、扭矩等）、变形、裂缝等。力、轴向力、扭矩等）、变形、裂缝等。直接作用：直接作用：荷载荷载间接作用：间接作用：混凝土的收缩混凝土的收缩温度变化温度变化基础的差异沉降基础的差异沉降地震等地震等2.2 2.2 结构的作用、作用效应和结构抗力结构的作用、作用效应和结构抗力第二章 结构设计方法2023-1-2513荷载的分类荷
14、载的分类按作用时间的长短和性质，荷载分为三类：按作用时间的长短和性质，荷载分为三类：1.永久荷载永久荷载在结构设计使用年限内，其值不随时在结构设计使用年限内，其值不随时间而变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计，间而变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。2.可变荷载可变荷载在结构设计基准期内其值随时间而变在结构设计基准期内其值随时间而变化，其变化与平均值不可忽略的荷载。化，其变化与平均值不可忽略的荷载。3.偶然荷载偶然荷载在结构设计基准期内不一定出现，但在结构设计基准期内不一定出现，但一旦出现其值很大且作用时间很短的荷载
15、。一旦出现其值很大且作用时间很短的荷载。2 2荷载的分类及其代表值荷载的分类及其代表值第二章 结构设计方法2023-1-2514荷载代表值：荷载代表值：设计中用以验算极限状态所采用的荷设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值，例如标准值、组合值、频遇值和准永久值。载量值，例如标准值、组合值、频遇值和准永久值。荷载的标准值荷载的标准值1.定义定义将荷载视为随机变量，采用数理统计的方法加以处将荷载视为随机变量，采用数理统计的方法加以处理而得到的具有一定概率的最大荷载值理而得到的具有一定概率的最大荷载值2.确定确定.结构的自重可根据结构的设计尺寸和材料的重力结构的自重可根据结构的设计尺寸和材料的重力密
16、度确定；密度确定；.可变荷载常与时间有关，在缺少大量统计材料的可变荷载常与时间有关，在缺少大量统计材料的条件下，可近似按随机变量来考虑；条件下，可近似按随机变量来考虑；第二章 结构设计方法2023-1-2515可变荷载组合值：可变荷载组合值：所谓荷载组合值是将多种可变所谓荷载组合值是将多种可变荷载中的第一个可变荷载（产生荷载效应为最大的荷载中的第一个可变荷载（产生荷载效应为最大的荷载，取其标准值）荷载，取其标准值）以外的其它可变荷载标准值乘以外的其它可变荷载标准值乘以荷载组合值系数，它是承载力极限状态设计和正以荷载组合值系数，它是承载力极限状态设计和正常使用极限状态标准组合设计时的荷载代表值。
17、常使用极限状态标准组合设计时的荷载代表值。可变荷载准永久值：可变荷载准永久值：可变荷载准永久值是按正常可变荷载准永久值是按正常使用极限状态设计时采用的荷载代表值，它是在结使用极限状态设计时采用的荷载代表值，它是在结构预定使用期内经常作用达到和超过的可变荷载值，构预定使用期内经常作用达到和超过的可变荷载值，它对结构的影响，在性质上类似于永久荷载。它对结构的影响，在性质上类似于永久荷载。第二章 结构设计方法2023-1-2516可变荷载频遇值：可变荷载频遇值：对可变荷载，在基准期内，其对可变荷载，在基准期内，其超越的总时间为规定的比较小比率或超越频数为规超越的总时间为规定的比较小比率或超越频数为规
18、定频率的荷载值为可变荷载频遇值。定频率的荷载值为可变荷载频遇值。1、作用效应、作用效应结构上的作用效应结构上的作用效应 结构构件在上述各种作用因素的作用下所引起的内结构构件在上述各种作用因素的作用下所引起的内力（如轴力、弯矩、剪力、扭矩力（如轴力、弯矩、剪力、扭矩)、变形、变形(挠度、转角挠度、转角)和和裂缝等统称为裂缝等统称为“作用效应作用效应”。以。以“S”表示，当表示，当“作用作用”为为“荷载荷载”时，则称为荷载效应。时，则称为荷载效应。第二章 结构设计方法2023-1-25172.荷载分项系数及荷载设计值荷载分项系数及荷载设计值（1）荷载分项系数：）荷载分项系数：（2）荷载的设计值）荷
19、载的设计值 荷载的设计值：荷载的标准值与荷载分项系数的乘积称为荷载的设计值：荷载的标准值与荷载分项系数的乘积称为荷载的设计值，亦称设计荷载。荷载的设计值，亦称设计荷载。其数值大体相当于结构在非其数值大体相当于结构在非正常使用情况下荷载的最大值，它比荷载的标准值具有更大的正常使用情况下荷载的最大值，它比荷载的标准值具有更大的可靠度。可靠度。1)永久荷戴的分项系数永久荷戴的分项系数 当其效应对结构不利时当其效应对结构不利时 对由对由可变荷载可变荷载效应控制的组合，取效应控制的组合，取1.2；对由对由永久荷载永久荷载效应控制的组合，取效应控制的组合，取1.35。当其效应对结构有利时当其效应对结构有利
20、时 一般情况下取一般情况下取1.0；对结构的；对结构的倾覆、滑移或漂浮倾覆、滑移或漂浮验算验算，取，取0.9。2)可变荷载的分项系数可变荷载的分项系数 一般情况下取一般情况下取1.4；对标准值对标准值大于大于4kN/m2的的工业房屋工业房屋楼面结构楼面结构的活荷载取的活荷载取1.3。第二章 结构设计方法2023-1-25182.2.3 2.2.3 结构构件的抗力和材料强度结构构件的抗力和材料强度1 1 结构抗力结构抗力 是指结构构件承受外加荷载的能力。是指结构构件承受外加荷载的能力。结构构件的抗力是材料性能（强度、弹性模量等）、构结构构件的抗力是材料性能（强度、弹性模量等）、构件截面积和特征及
21、计算模式的函数。其中材料性能是决定结件截面积和特征及计算模式的函数。其中材料性能是决定结构抗力的主要因素。构抗力的主要因素。2 结构所处的三种工作状态结构所处的三种工作状态 结构的极限状态可用下面的极限状态函数表示：结构的极限状态可用下面的极限状态函数表示：Z=R-Sg(R，S)其中：其中：Z=R-S0 时，结构处于可靠状态；时，结构处于可靠状态；Z=R-S=0时，结构处于极限状态；时，结构处于极限状态；Z=R-SR)=P(Z 0)ZZfPb第二章 结构设计方法2023-1-2525 b b=3.7时，时，Pf=1.110-4，按设计基准期，按设计基准期50年考虑，年考虑，年失效概率为年失效概
22、率为1.110-4/50=2.210-6 50年后并不是结构就失效，而是失效概率增加。年后并不是结构就失效，而是失效概率增加。同时，结构失效也并不表示结构倒塌，结构倒塌同时，结构失效也并不表示结构倒塌，结构倒塌也不一定造成人员伤亡。也不一定造成人员伤亡。我国对于一般工程结构，当为延性破坏时，其可我国对于一般工程结构，当为延性破坏时，其可靠指标取靠指标取b b=3.2，对脆性破坏取，对脆性破坏取b b=3.7。对于重要的工程结构，应提高可靠指标。对于重要的工程结构，应提高可靠指标。第二章 结构设计方法2023-1-2526安全等级破坏后的影响程度建筑物的类型一级很严重重要的建筑物二级严重一般的建
23、筑物三级不严重次要的建筑物2.3.2 2.3.2 建筑结构的安全等级及目标可靠指标建筑结构的安全等级及目标可靠指标 1建筑结构的安全等级建筑结构的安全等级注：注：1 对特殊的建筑物，其安全等级应根据具体情况另行规定；对特殊的建筑物，其安全等级应根据具体情况另行规定；2 地基基础设计安全等级及按抗震要求设计时建筑结构的安地基基础设计安全等级及按抗震要求设计时建筑结构的安全等级，尚应符合国家现行有关规范的规定。全等级，尚应符合国家现行有关规范的规定。第二章 结构设计方法2023-1-25272目标可靠指标目标可靠指标 是结构设计必须达到的允许可靠指标，用是结构设计必须达到的允许可靠指标，用表示。表
24、示。Pf Pf 式中式中 Pf允许失效概率。允许失效概率。延性破坏的结构延性破坏的结构Pf6.910-4，脆性破坏的结构脆性破坏的结构Pf1.110-4。当用可靠指标当用可靠指标表示时，则为：表示时，则为：不同安全等级的目标可靠指标不同安全等级的目标可靠指标 安全等级安全等级破坏类型破坏类型一级一级二级二级三级三级延性延性脆性脆性3.74.23.23.72.73.2第二章 结构设计方法2023-1-2528规范规范采用了以各基本变量标准值和分项系数来表达的实用采用了以各基本变量标准值和分项系数来表达的实用设计式。通过验算两种极限状态来保证结构的安全性和使用性。设计式。通过验算两种极限状态来保证
25、结构的安全性和使用性。RS 0ffPP kSSS作用效应设计值，作用效应设计值，S作用效应分项系数作用效应分项系数RkRR结构抗力设计值，结构抗力设计值，R结构抗力分项系数结构抗力分项系数niikQiQiQikQQkGGkSQCQCGCSS2111)(0，hbAffRRRssskcckRk第二章 结构设计方法2023-1-2529)(021110，hbAffRQCQCGCsskcckniikQiQiQikQQkGG规范设计表达式规范设计表达式 0 结构重要性系数结构重要性系数正常使用极限状态，正常使用极限状态，可靠度要求可适当降低，所有分项系可靠度要求可适当降低，所有分项系数取数取1.0GQc
26、s第二章 结构设计方法2023-1-25302.4.1 2.4.1 荷载效应组合荷载效应组合1.承载能力极限状态的荷载效应组合承载能力极限状态的荷载效应组合（1）基本组合）基本组合 由由可变荷载效应可变荷载效应控制的组合控制的组合 由由永久荷载效应永久荷载效应控制的组合控制的组合（2）框架、排架结构简化式框架、排架结构简化式 对一般的排梁和框架结构，可采用简化规则，并应从下对一般的排梁和框架结构，可采用简化规则，并应从下列组合值中取其最不利值确定：列组合值中取其最不利值确定：由由可变荷载效应可变荷载效应控制组合时控制组合时 或或2.42.4 按承载能力极限状态计算按承载能力极限状态计算GG k
27、11kk2nQQQ iciQ iiSSSSGG kk1nQ iciQ iiSSS 由由永久荷载效应永久荷载效应控制组合时控制组合时GGk11kQQSSSGG kk10.9nQ iQ iiSSSGG kk1nQ iciQ iiSSS第二章 结构设计方法2023-1-2531第二章 结构设计方法2023-1-2532第二章 结构设计方法2023-1-25332.4.2 2.4.2 计算表达式计算表达式 在极限状态设计方法中，结构构件的承载力计算，应采用在极限状态设计方法中，结构构件的承载力计算，应采用下列极限状态设计表达式：下列极限状态设计表达式：RS 0 重要性系数重要性系数。安全等级为一级或设
28、计使用年限为安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的不应小于年及以上的不应小于1.1安全等级为二级或设计使用年限为安全等级为二级或设计使用年限为50年结构构件，不应小于年结构构件，不应小于1.0安全等级为三级或设计使用为安全等级为三级或设计使用为5年及以下的，不应小于年及以下的，不应小于0.9；0(,)kckskkRcsRffRRa钢筋混凝土构件钢筋混凝土构件是由混凝土和钢筋两种材料组成的，所以承是由混凝土和钢筋两种材料组成的，所以承载力设计值要分解成下列的承载力函数：载力设计值要分解成下列的承载力函数：几何参数几何参数(尺寸尺寸)标准值，当几何参数的变异性能有明显标准值，当几何参数的变
29、异性能有明显的不利影响时，可另作增减适当调整。的不利影响时，可另作增减适当调整。ka第二章 结构设计方法2023-1-25342.5.1 2.5.1 荷载效应组合荷载效应组合1、荷载的标准组合、荷载的标准组合2、荷载的频遇组合、荷载的频遇组合3、荷载的准永久组合、荷载的准永久组合2.52.5 按正常使用极限状态计算按正常使用极限状态计算12nGkQ kciQikiSSSS1nGkqiQikiSSS2.5.2 2.5.2 计算表达式计算表达式 S C 式中式中 S正常使用极限状态下荷载效应组合值；正常使用极限状态下荷载效应组合值；C结构或结构构件达到正常使用要求的结构或结构构件达到正常使用要求的
30、变形、裂缝变形、裂缝 宽度、应力宽度、应力等的规定限值。等的规定限值。QiknifikQfGkSSSS211第二章 结构设计方法2023-1-2535第二章 结构设计方法2023-1-25362.6 2.6 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性混凝土结构应能在自然和人为环境的化学和物理作用下，满混凝土结构应能在自然和人为环境的化学和物理作用下，满足在规定的足在规定的设计工作寿命设计工作寿命内不出现无法接受的承载力减小、内不出现无法接受的承载力减小、使用功能降低和不能接受的外观破损等的耐久性要求。使用功能降低和不能接受的外观破损等的耐久性要求。耐久性耐久性是指结构在预定设计工作寿命期内，在正常维
31、护条件是指结构在预定设计工作寿命期内，在正常维护条件下，不需要进行大修和加固满足，而满足正常使用和安全功下，不需要进行大修和加固满足，而满足正常使用和安全功能要求的能力。能要求的能力。对于一般建筑结构，设计工作寿命为对于一般建筑结构，设计工作寿命为50年年，重要的建筑物可，重要的建筑物可取取100年年。近年来，随着建筑市场化的发展，业主也可以对建筑的寿命近年来，随着建筑市场化的发展，业主也可以对建筑的寿命提出更高要求。对于其它土木工程结构，根据其功能要求，提出更高要求。对于其它土木工程结构，根据其功能要求，设计工作寿命也有差别，如桥梁工程一般要求在设计工作寿命也有差别，如桥梁工程一般要求在10
32、0年以上。年以上。2.6.1 结构耐久性的概念及设计内容第二章 结构设计方法2023-1-2537世界上经济发达国家的工程建设大体上经历了三世界上经济发达国家的工程建设大体上经历了三个阶段：个阶段：大规模建设大规模建设；新建与改建、维修并重新建与改建、维修并重；重点转向既有建筑物的维修改造重点转向既有建筑物的维修改造。目前经济发达国家处于第三阶段目前经济发达国家处于第三阶段，结构因耐久性，结构因耐久性不足而失效，或为保证继续正常使用而付出巨大不足而失效，或为保证继续正常使用而付出巨大维修代价，这使得耐久性问题变得十分重要。维修代价，这使得耐久性问题变得十分重要。第二章 结构设计方法2023-1
33、-2538我国我国50年代开始大规模建设的工程项目，由于当时年代开始大规模建设的工程项目，由于当时经济基础薄弱，材料标准和设计标准都较低，除一经济基础薄弱，材料标准和设计标准都较低，除一些重要的工程项目目前需要继续维持其使用外，其些重要的工程项目目前需要继续维持其使用外，其它大部分工程已达到其使用寿命。它大部分工程已达到其使用寿命。我国真正进入大规模建设是在改革开放以后，因此我国真正进入大规模建设是在改革开放以后，因此国外发达国家在耐久性上所遇到的问题应引起我国国外发达国家在耐久性上所遇到的问题应引起我国工程技术人员的足够重视，工程技术人员的足够重视，避免重蹈发达国家的覆避免重蹈发达国家的覆辙
34、辙，对国家经济建设造成巨大浪费。，对国家经济建设造成巨大浪费。第二章 结构设计方法2023-1-2539混凝土结构耐久性设计规范混凝土结构耐久性设计规范规定，混凝土结构规定，混凝土结构的的耐久性设计应括下列内容耐久性设计应括下列内容：1）结构的设计使用年限、环境类别及其作用等级；）结构的设计使用年限、环境类别及其作用等级；2）有利于减轻环境作用的结构形式、布置和构造；）有利于减轻环境作用的结构形式、布置和构造；3）混凝土结构材料的耐久性质量要求；）混凝土结构材料的耐久性质量要求；4）钢筋的混凝土保护层厚度；）钢筋的混凝土保护层厚度；5）混凝土裂缝控制要求；）混凝土裂缝控制要求；6）防水、排水等
35、构造措施；）防水、排水等构造措施；7）严重环境作用下合理采取防腐蚀附加措施或多重）严重环境作用下合理采取防腐蚀附加措施或多重 防护策略；防护策略；8）耐久性所需的施工养护制度与保护层厚度的施工）耐久性所需的施工养护制度与保护层厚度的施工 质量验收要求；质量验收要求；9）结构使用阶段的维护、修理与检测要求。）结构使用阶段的维护、修理与检测要求。第二章 结构设计方法2023-1-25401、混凝土的冻融破坏、混凝土的冻融破坏 混凝土水化结硬后，内部有很多毛细孔。在浇筑混凝混凝土水化结硬后，内部有很多毛细孔。在浇筑混凝土时，为得到必要的和易性，往往会比水泥水化所需土时，为得到必要的和易性，往往会比水
36、泥水化所需要的水多些。要的水多些。多余的水份多余的水份滞留在混凝土毛细孔中。低温时水份因结滞留在混凝土毛细孔中。低温时水份因结冰产生体积膨胀，引起混凝土内部结构破坏。冰产生体积膨胀，引起混凝土内部结构破坏。反复冻融多次，就会使混凝土的损伤累积达到一定程反复冻融多次，就会使混凝土的损伤累积达到一定程度而引起结构破坏。度而引起结构破坏。防止混凝土冻融破坏的主要措施是防止混凝土冻融破坏的主要措施是降低水灰比降低水灰比，减少减少混凝土中多余的水份。混凝土中多余的水份。冬季施工时，应冬季施工时，应加强养护加强养护，防止早期受冻，并掺入防，防止早期受冻，并掺入防冻剂等。冻剂等。第二章 结构设计方法2023
37、-1-25412、混凝土的碱集料反应、混凝土的碱集料反应混凝土集料中的某些混凝土集料中的某些活性矿物活性矿物与混凝土微孔中的与混凝土微孔中的碱性溶液碱性溶液产生化学反应称为碱集料反应。产生化学反应称为碱集料反应。碱集料反应产生的碱碱集料反应产生的碱-硅酸盐凝胶，吸水后会产生膨胀，硅酸盐凝胶，吸水后会产生膨胀，体体积可增大积可增大34倍，倍，从而混凝土的剥落、开裂、强度降低，甚从而混凝土的剥落、开裂、强度降低，甚至导致破坏。至导致破坏。引起碱集料反应有三个条件引起碱集料反应有三个条件：混凝土的凝胶中有碱性物质混凝土的凝胶中有碱性物质。这种碱性物质主要来自于水。这种碱性物质主要来自于水泥，若水泥中
38、的含碱量（泥，若水泥中的含碱量（Na2O，K2O）大于）大于0.6%以上时，以上时，则会很快析出到水溶液中，遇到活性骨料则会产生反应；则会很快析出到水溶液中，遇到活性骨料则会产生反应；骨料中有活性骨料骨料中有活性骨料，如蛋白石、黑硅石、燧石、玻璃质火，如蛋白石、黑硅石、燧石、玻璃质火山石、安山石等含山石、安山石等含SiO2的骨料；的骨料；水分水分。碱骨料反应的充分条件是有水分，在干燥环境下很。碱骨料反应的充分条件是有水分，在干燥环境下很难发生碱骨料反应。难发生碱骨料反应。第二章 结构设计方法2023-1-25423、侵蚀性介质的腐蚀、侵蚀性介质的腐蚀硫酸盐腐蚀硫酸盐腐蚀：硫酸盐溶液与水泥石中的
39、：硫酸盐溶液与水泥石中的氢氧化钙氢氧化钙及水化铝酸及水化铝酸钙发生化学反应，生成石膏和硫铝酸钙，产生体积膨胀，使钙发生化学反应，生成石膏和硫铝酸钙，产生体积膨胀，使混凝土破坏。硫酸盐除在一些化工企业存在外，海水及一些混凝土破坏。硫酸盐除在一些化工企业存在外，海水及一些土壤中也存在。土壤中也存在。当硫酸盐的浓度（以当硫酸盐的浓度（以SO2的含量表示）达到的含量表示）达到2时，就会产生严重的腐蚀。时，就会产生严重的腐蚀。酸腐蚀酸腐蚀：混凝土是碱性材料，：混凝土是碱性材料，遇到酸性物质遇到酸性物质会产生化学反应，会产生化学反应，使混凝土产生裂缝、脱落，并导致破坏。酸不仅存在于化工使混凝土产生裂缝、脱
40、落，并导致破坏。酸不仅存在于化工企业，在地下水，特别是沼泽地区或泥炭地区广泛存在碳酸企业，在地下水，特别是沼泽地区或泥炭地区广泛存在碳酸及溶有及溶有CO2的水。此外有些油脂、腐植质也呈酸性，对混凝土的水。此外有些油脂、腐植质也呈酸性，对混凝土有腐蚀作用。有腐蚀作用。海水腐蚀海水腐蚀：在海港、近海结构中的混凝土构筑物，经常收到：在海港、近海结构中的混凝土构筑物，经常收到海水的侵蚀。海水中的海水的侵蚀。海水中的Na Cl、MgCl2、MgSO4、K2SO4等成等成分，尤其是分，尤其是C l-和和硫酸镁硫酸镁对混凝土有较强的腐蚀作用。在海岸对混凝土有较强的腐蚀作用。在海岸飞溅区，受到干湿的物理作用，
41、也有利于飞溅区，受到干湿的物理作用，也有利于C l-和和SO4的渗入，的渗入，极易造成钢筋锈蚀。极易造成钢筋锈蚀。第二章 结构设计方法2023-1-25434、混凝土的碳化、混凝土的碳化混凝土中碱性物质混凝土中碱性物质（Ca(OH)2）使混凝土内的钢筋表明形成使混凝土内的钢筋表明形成氧化膜，它能有效地保护钢筋，防止钢筋锈蚀。氧化膜，它能有效地保护钢筋，防止钢筋锈蚀。但由于大气中的二氧化碳（但由于大气中的二氧化碳（CO2）与混凝土中的碱性物质）与混凝土中的碱性物质发生反应，发生反应，使混凝土的使混凝土的Ph值降低。值降低。其他物质，如其他物质，如SO2、H2S，也能与混凝土中的碱性物质发生类似的
42、反应，使混凝土的也能与混凝土中的碱性物质发生类似的反应，使混凝土的Ph值降低，这就是混凝土的碳化。值降低，这就是混凝土的碳化。当混凝土保护层被碳化到钢筋表面时，当混凝土保护层被碳化到钢筋表面时，将破坏钢筋表面的将破坏钢筋表面的氧化膜，引起钢筋的锈蚀。此外，碳化还会加剧混凝土的氧化膜，引起钢筋的锈蚀。此外，碳化还会加剧混凝土的收缩，可导致混凝土的开裂。收缩，可导致混凝土的开裂。因此，因此，混凝土的碳化是混凝土结构耐久性的重要问题混凝土的碳化是混凝土结构耐久性的重要问题。混凝土的碳化从构件表面开始向内发展，到保护层完全碳混凝土的碳化从构件表面开始向内发展，到保护层完全碳化，所需要的时间与化，所需要
43、的时间与碳化速度、碳化速度、混凝土保护层厚度混凝土保护层厚度、混凝混凝土密实性土密实性以及以及覆盖层情况覆盖层情况等因素有关。等因素有关。第二章 结构设计方法2023-1-25441 环境因素环境因素碳化速度主要取决于空气中的碳化速度主要取决于空气中的CO2浓度浓度和向混凝土中的和向混凝土中的扩扩散速度散速度。空气中的。空气中的CO2浓度大，混凝土内外浓度大，混凝土内外CO2浓度梯度也浓度梯度也愈大，因而愈大，因而CO2向混凝土内的渗透速度快，碳化反应也快。向混凝土内的渗透速度快，碳化反应也快。空气湿度空气湿度和和温度温度对碳化反应速度有较大影响。因为碳化反对碳化反应速度有较大影响。因为碳化反
44、应要产生水份向外扩散，应要产生水份向外扩散，湿度越大，水份扩散越慢。湿度越大，水份扩散越慢。当空当空气相对湿度大于气相对湿度大于80%，碳化反应的附加水份几乎无法向外，碳化反应的附加水份几乎无法向外扩散，使碳化反应大大降低。扩散，使碳化反应大大降低。而在极干燥环境下，而在极干燥环境下，空气中的空气中的CO2无法溶于混凝土中的孔无法溶于混凝土中的孔隙水中，碳化反应也无法进行。隙水中，碳化反应也无法进行。试验表明，当混凝土周围介质的试验表明，当混凝土周围介质的相对湿度为相对湿度为50%75%时时，混凝土碳化速度最快混凝土碳化速度最快。环境温度越高，碳化的化学反应速。环境温度越高，碳化的化学反应速度
45、越快，且度越快，且CO2向混凝土内的扩散速度也越快。向混凝土内的扩散速度也越快。第二章 结构设计方法2023-1-25452 材料因素材料因素水泥是混凝土中最活跃的成分，其品种和用量决定了单位水泥是混凝土中最活跃的成分，其品种和用量决定了单位体积中可碳化物质的含量，因而对混凝土碳化有重要影响。体积中可碳化物质的含量，因而对混凝土碳化有重要影响。单位体积中单位体积中水泥的用量越多水泥的用量越多，会提高混凝土的强度，又会，会提高混凝土的强度，又会提高混凝土的抗碳化性能。提高混凝土的抗碳化性能。水灰比水灰比也是影响碳化的主要因素。在水泥用量不变的条件也是影响碳化的主要因素。在水泥用量不变的条件下，水
46、灰比越大，混凝土内部的孔隙率也越大，密实性就下，水灰比越大，混凝土内部的孔隙率也越大，密实性就越差，越差，CO2的渗入速度越快，因而碳化的速度也越快。的渗入速度越快，因而碳化的速度也越快。水灰比大会使混凝土孔隙中游离水增多，有利于碳化反应。水灰比大会使混凝土孔隙中游离水增多，有利于碳化反应。混凝土中混凝土中外加掺合料和骨料品种外加掺合料和骨料品种对碳化也有一定的影响。对碳化也有一定的影响。第二章 结构设计方法2023-1-25463 施工养护条件施工养护条件混凝土搅拌、振捣和养护条件影响混凝土的混凝土搅拌、振捣和养护条件影响混凝土的密实性密实性，因而，因而对碳化有较大影响。此外，养护方法与龄期
47、对对碳化有较大影响。此外，养护方法与龄期对水泥的水化水泥的水化程度程度有影响，进而影响混凝土的碳化。所以保证混凝土施有影响，进而影响混凝土的碳化。所以保证混凝土施工质量对提高混凝土的抗碳化性能十分重要。工质量对提高混凝土的抗碳化性能十分重要。4 覆盖层覆盖层不同饰面材料的碳化深度比不同饰面材料的碳化深度比第二章 结构设计方法2023-1-25475、钢筋锈蚀、钢筋锈蚀 钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题。钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题。当混凝土未碳化时当混凝土未碳化时，由于水泥的高碱性，钢筋表面形成，由于水泥的高碱性，钢筋表面形成一层致密的氧化膜，阻止了钢筋锈蚀电化
48、学过程。一层致密的氧化膜，阻止了钢筋锈蚀电化学过程。当混凝土被碳化当混凝土被碳化，钢筋表面的氧化膜被破坏，在有水份，钢筋表面的氧化膜被破坏，在有水份和氧气的条件下，就会发生锈蚀的电化学反应。和氧气的条件下，就会发生锈蚀的电化学反应。钢筋锈蚀产生的铁锈（氢氧化亚铁钢筋锈蚀产生的铁锈（氢氧化亚铁Fe(OH)3），体积），体积比铁增加比铁增加26倍，保护层被挤裂，使空气中的水份更易进倍，保护层被挤裂，使空气中的水份更易进入，促使锈蚀加快发展。入，促使锈蚀加快发展。氧气和水份是钢筋锈蚀必要条件，氧气和水份是钢筋锈蚀必要条件，混凝土的碳化仅是为混凝土的碳化仅是为钢筋锈蚀提供了可能钢筋锈蚀提供了可能。当构
49、件使用环境很干燥（湿度当构件使用环境很干燥（湿度40%），或完全处于），或完全处于水中，钢筋的锈蚀极慢，几乎不发生锈蚀。水中，钢筋的锈蚀极慢，几乎不发生锈蚀。而裂缝的发生为氧气和水份的浸入创造了条件，同时而裂缝的发生为氧气和水份的浸入创造了条件，同时也使混凝土的碳化形成立体发展。也使混凝土的碳化形成立体发展。第二章 结构设计方法2023-1-2548但近年来的研究发现，但近年来的研究发现，锈蚀程度与荷载产生的横向锈蚀程度与荷载产生的横向裂缝宽度无明显关系，裂缝宽度无明显关系，在一般大气环境下，裂缝宽在一般大气环境下，裂缝宽度即便达到度即便达到0.3mm，也只是在裂缝处产生锈点。，也只是在裂缝处
50、产生锈点。这是由于钢筋锈蚀是一个电化学过程，因此这是由于钢筋锈蚀是一个电化学过程，因此锈蚀主锈蚀主要取决于氧气通过混凝土保护层向钢筋表面的阴极要取决于氧气通过混凝土保护层向钢筋表面的阴极的扩散速度，的扩散速度，而这种扩散速度主要取决于混凝土的而这种扩散速度主要取决于混凝土的密实度密实度。裂缝的出现仅是使裂缝处钢筋局部脱钝，使锈蚀过裂缝的出现仅是使裂缝处钢筋局部脱钝，使锈蚀过程得以开始，但它对锈蚀速度不起控制作用。程得以开始，但它对锈蚀速度不起控制作用。因此，防止钢筋锈蚀最重要的措施是在增加混凝土因此，防止钢筋锈蚀最重要的措施是在增加混凝土的的密实性密实性和混凝土的和混凝土的保护层厚度。保护层厚
