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第7章变形失调裂损机理
教学提示:虽然引起结构裂缝的具体原因很多,但是总的原因就是结构变形失调。当前结构裂缝现象很普遍、也很严重,并没有随安全水准的提高而有所缓解,原因就是没有很好地解决变形协调问题。必须倍加关注。
教学要求:要求学生通过这一章的学习,对各种各样的结构裂缝现象能够识别,同时对新规范(GB 50010—2002、GB 50011—2002)提出的关于结构设计必须同时满足力学平衡、变形协调、本构关系合理三个条件的精神加深理解。
长期以来,从事结构设计的工程师们毕生的精力,可以说全部耗在了寻求结构体系的力学平衡这件工作上。可是从近年来的工程实践中发现:在结构体系越来越复杂,结构计算技术越来越先进,计算成果越来越精细,结构计算中对力学平衡条件的遵守越来越严格认真的情况下,结构裂缝现象却越来越多,问题越来越严重,原因究竟何在?人们处在迷惘中。新规范(GB 50010—2002)率先提出了结构设计必须同时满足力学平衡条件、变形协调条件、本构关系合理条件三个条件的新要求。这是一种新思路和新观念。但是关于如何满足变形协调条件,这一规范还没有提出更多的具体措施。这就是要在这里对结构变形失调裂损机理进行专门讨论的重要原因。
传统的结构设计方法与异常的结构裂缝现象
本构关系的合理化与结构裂缝现象的严重性
医学上的富贵病与工程上的多裂缝症
变形失调现象与结构裂损机理
结构变形协调原理
本章内容
现行规范对设计安全水准的设置和结构变形的限制
地基沉降、温湿胀缩、荷载应力等综合原因引起的结构变形失调裂缝
变形失调现象与仿生学原理
思考题与习题
传统的结构设计方法与异常的结构裂缝现象
自19世纪英国皇家土木工程学会的第一部土木建筑设计规范问世以来,人们在工程设计中莫不以经典的材料力学和结构力学理论为基础,严格遵守力学平衡的准则进行结构设计。不论是早年的砖木结构、后来的砖混结构、近期的钢筋混凝土结构、钢结构,还是时尚的塑纤结构与薄膜结构,都无例外。长期的工程实践已经证明,只要严格遵守了力学平衡条件,就已足够确保结构安全。随着经济的发达,技术的进步,结构计算技术从手工作业到电子计算机的高速运算,电算程序精且专,控制理论高且深,计算结果准而全。加上建筑材料品质的不断改进,施工技术水平的不断提高,工程质量水平也理应与时俱进,步步高升。可是实际情况竟与之相反,暴露的问题越来越多。尤其是在钢筋混凝土结构中,裂缝现象还异常严重。
传统的结构设计方法与异常的结构裂缝现象
一. 国外情况
据报导,自从波特兰水泥问世、钢筋混凝土结构盛行以来,直至第二次世界大战结束的一个多世纪中,钢筋混凝土结构的服务质量一直是令人满意的。除了地基因素引起的坍塌事故外,可以说在全世界范围内并没有报导过什么特大的结构裂损事故。自第二次世界大战摧毁了大半个世界,钢筋混凝土结构在全世界范围内铺天盖地兴起后,不仅水泥品种增多、质量有了大幅度提高,设计技术和施工水平都在突飞猛进,向前发展。可是结构裂缝现象也在以惊人的速度向前发展。值得关注的是在美国,由于没有受到战争摧毁,至今尚保存大量的战前土木、水利、建筑工程。人们竟发现,当这些“老年工程”尚在安全服役时,却有大量新建工程裂损严重。国家大量建设资金都被迫为维修加固工作所占用。新建项目投资一般只占国家工程费用总支出的1/3左右,而维修加固费用几乎要耗费国家工程费用总支出的2/3,说明了问题的严重性。欧洲的英、法、德等国的情况也大致如此。
传统的结构设计方法与异常的结构裂缝现象
二. 国内情况
国内情况也并不例外,上了年纪的人都有一个深刻的印象:新中国成立初期,如果在新建工程上发现了几条裸眼能够辨认的裂缝,必然引起震惊,要被严肃查处。随着时代的推进,经济的发展,技术的进步,结构裂缝现象倒已成了常有的事。号称一类建筑、重要工程的大会堂、大教学楼也不例外。某一栋教学楼竟出现800条以上裂缝,某一个小学校的校区工程建筑物竟有裂缝9000条以上,不能不说已到了相当严重的程度。问题是随着规范的修订,设计安全水准的提高,结构裂缝现象并未得到遏制,反而有逆向严重发展的趋势,不能不令人深思。
本构关系的合理化与结构裂缝现象的严重性
促使组成结构体系的建筑材料、结构构件的内在本构关系合理化,应该是提高结构质量水平的基本保证。随着高强度、高质量钢材的生产与供应,高强度高性能混凝土的开发与应用,可以说,在结构体系本构关系合理化方面已经有了坚实的基础。高强高质钢筋和高强高性能混凝土的微观构造和细部结构组配合理,材质均匀,比如钢材的晶体结构,混凝土的颗粒级配,钢筋与混凝土之间的粗细、稀密搭配,都是结构体系本构关系合理化的前提条件。再加上构件之间的合理搭配,节点上的合理构造,就构成了完整的合理的本构关系。在这些方面,