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第6章温湿胀缩变形裂损机理
教学提示:温湿胀缩变形裂损引起的结构裂缝是钢筋混凝土结构和砖混结构中出现几率最高的裂缝,因此必须倍加关注,善于识别。
教学要求:要求学生用从理性到感性的逆反程序去认识温湿胀缩规律和结构裂缝现象,也许能对温湿胀缩裂缝的危害性有个更清醒地认识和更深刻的印象。建议从加强对影响温湿胀缩应力与应变的三个条件,即结构受约束条件、温差幅度、线胀系数三个条件的认识,和对板面温差弯矩的理论计算公式的推导入手来掌握温湿胀缩变形裂缝机理。
温湿胀缩变形裂缝其实也属于变形失调裂缝,只因温湿胀缩裂缝出现的几率很高,有必要对其裂损机理进行单独讨论。
温湿胀缩与自然环境
干湿胀缩与当量温差
胀缩变形与结构裂缝
裂缝机理分类
裂缝处理
本章内容
关于伸缩缝间距问题的讨论
思考题与习题
温湿胀缩与自然环境
一. 温度与湿度
温度与湿度因素存在于自然界任何一个角落里,是不以人们意志为转移的客观自然规律。对于工程结构来说,温度与湿度变化因素也可以说是不可避免的。

热胀冷缩和湿胀干缩现象对于工程结构来说,其危害性却很大。正像人们患的伤风感冒,虽然不曾引起人们足够的关注,但有可能引发其他重大疾病。同样,导致工程结构裂损倒塌的大事故,也往往都从几条微不足道的温度裂缝开始。关于这一点,从事工程事故分析工作的工程师们应该有一个清醒的认识。
干湿胀缩与当量温差
一. 干湿胀缩现象的影响因素
影响工程结构或混凝土干缩、湿胀变化的因素很多,首先是时间、温度、风速等直接影响结构或混凝土湿度效果的因素;其次还有水泥品种、水泥细度、水泥用量、水灰比、用水量、砂石质量、砂石级配、浇捣质量、养护条件等众多复杂因素。每一个因素的影响程度都不可能用准确的数字来进行计算或表达,只能引入一个个计算参数来进行一些近似的估计,但这样作没有实用意义,因为干缩现象的评估或干缩应力与干缩裂缝的分析是个难度很大的工作。
二. 干缩当量温差
在实际工作中,人们为了方便,只能凭经验对混凝土的干缩现象、干缩应力和干缩裂缝进行宏观上的模糊控制。据统计,在一般的环境条件、材料选择和施工操作情况下,混凝土从浇筑终凝到全干燥这个时段发生的总干缩量,相当于混凝土在温度下降了15℃左右这个幅度范围内的冷缩量。为了计算上的方便,也就把这个15℃左右的温度作为估算混凝土干缩量的当量温差,合并到温度应力和温度胀缩计算程序中去。
胀缩变形与结构裂缝
一. 三个条件
下面所说的胀缩现象是热胀冷缩现象,已将干缩当量温差包括进去。混凝土及其结构构件在温度变化下要产生相应的热胀冷缩现象,并形成应力,出现裂缝是离不开以下三个条件的,不仅理论上如此,实践中也有了充分的案例证明。
1. 温度变化条件
所谓胀、缩、变形,都是相对而言,如果温度永久保持在不变状态,就谈不上热胀冷缩,谈不上温度应力和温度裂缝的问题。所以要研究分析温度应力和温度裂缝,必须有一个相对而言的基准温度T。这个基准温度T多指混凝土终凝达到一定强度时的施工温度。在这个温度基础上,随着气温的变化,混凝土的温度升高了,相对于施工时的温度与状态来说必会产生热胀现象。温度降低了,就会产生冷缩现象。
既然热胀冷缩现象是相对而言,也可把结构构件的局部温度,比如把外墙板室内侧的温度视为基准温度,则外墙板室外侧的温度在严冬时大幅度下降,外墙板外侧就会出现冷缩现象和冷缩裂缝。内外侧墙面上的温度差就成了温度应力与温度裂缝的计算温差。
总之,没有温差,就不会有胀缩现象,也没有温度应力和温度裂缝问题。
胀缩变形与结构裂缝
2. 结构约束条件
事实上,包括混凝土等结构构件在内的任何物体,在其不受任何约束的条件下,完全可以自由胀缩,并不会产生任何内应力,也不会出现裂缝。只有在其胀缩现象受到制约的条件下,才能产生应力和裂缝。必须注意,这里所说的裂缝并不单指人们通常所说的冷缩裂缝或收缩裂缝,还要包括热胀裂缝。
结构构件的受约束程度是随结构构件,尤其是节点构造的不同而变化的。约束程度越高,所产生的胀缩应力就越大,裂缝现象就可能越严重。约束程度以约束系数表达,通常将百分之百的全约束程度用约束系数来表示,而把百分之百放松的情况用来表示,。
3. 线胀系数条件
线胀系数表征着各种材料在温度变化下热胀冷缩一个度量的指标,。碳纤维的线胀系数则为负值,不是热胀冷缩,而是热缩冷胀,这一点,也值得关注。研究结构温度应力、温度裂缝问题,还必须研究线胀系数这个相对固定的条件。
胀缩变形与结构裂缝
二. 胀缩应变计算
根据定义及条件,得到胀缩应变的计算公式为

(6-1)
式中: ——胀缩应变量;
——约束程度系数;
——线胀系数;