惠南莊泵站副廠房地下剪力墻受力分析及裂縫修補(bǔ)

徐愛霞

(北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,北京 100048)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞倒塌的工程質(zhì)量事故,絕大多數(shù)是從裂縫的產(chǎn)生,擴(kuò)展開始的。從近代科學(xué)關(guān)于混凝土工作的研究及大量的混凝土工程實(shí)踐證明,混凝土結(jié)構(gòu)裂縫是不可避免的。

裂縫是人們可以接受的一種材料特性,只要使有害程度控制在某一有效范圍之內(nèi)。只要仔細(xì)觀察不難發(fā)現(xiàn),普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般又都是帶裂縫受力工作的,如果借助儀器甚至還可以發(fā)現(xiàn)裂縫是時(shí)刻發(fā)生變化的。隨著裂縫的發(fā)展變化,結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性和適用性會(huì)不同程度的降低,嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。

因此研究裂縫的形態(tài),分析裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)功能的影響并加以修補(bǔ)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)十分重要的課題。

1 工程概況

南水北調(diào)中線工程是我國投巨資興建的大型輸水工程,是惠及子孫后代的重大基礎(chǔ)性戰(zhàn)略工程。筆者參與設(shè)計(jì)的惠南莊泵站是南水北調(diào)中線向首都供水的控制性工程,也是南水北調(diào)中線工程的標(biāo)志性建筑物,工程投資8.8億?；菽锨f泵站是南水北調(diào)中線工程總干渠上北京段實(shí)現(xiàn)管涵加壓方案、小流量自流、大流量加壓的控制揚(yáng)水的綜合性工程,是南水北調(diào)中線工程總干渠上唯一的一座大型加壓泵站。

惠南莊泵站副廠房與主廠房緊貼布置,副廠房位于主廠房下側(cè)。主副廠房間地下貼近部分設(shè)40mm寬結(jié)構(gòu)縫。副廠房長114.6m,寬16.44m,地下三層 (B1層高4.8m,B2、B3層高5.8m),地上四層 (局部五層),為框架剪力墻結(jié)構(gòu),平面布置示意圖如圖1所示。

副廠房中段采用筏板基礎(chǔ),兩端B1軸和B20軸框架柱采用獨(dú)立基礎(chǔ),副廠房框架填充墻材料為加氣混凝土砌塊墻。副廠房底板厚度為1.5m,北剪力墻總長度為102.6m,厚度為600mm,由于剪力墻外后期要回填,為提高剪力墻的整體剛度,中間設(shè)置混凝土柱。剪力墻混凝土采用強(qiáng)度等級(jí)為C30微膨脹混凝土,中間設(shè)有兩道長度為2m、強(qiáng)度等級(jí)為C35,與剪力墻同時(shí)澆筑的加強(qiáng)微膨脹混凝土帶。

在施工完成一段時(shí)間后,發(fā)現(xiàn)副廠房B1、B2層北剪力墻內(nèi)外側(cè)均出現(xiàn)了多處垂直的豎向裂縫,裂縫分布的特點(diǎn)是在剪力墻靠近中部B7軸-B13軸36m范圍出現(xiàn)裂縫,有些裂縫從B2層延伸到B1層。

為評(píng)估該裂縫對(duì)該工程的安全影響,確保該工程的正常使用,現(xiàn)對(duì)該剪力墻裂縫進(jìn)行檢測(cè)并提出處理意見。

圖1 惠南莊泵站副廠房平面布置示意圖

2 剪力墻裂縫檢測(cè)

為表述清楚,文中首先簡要介紹剪力墻的相關(guān)設(shè)計(jì)資料及施工過程。

趙琦美承其父趙用賢的藏書，而筑脈望館藏書樓。戴明揚(yáng)書中引錢曾《讀書敏求記》言：“清常(趙琦美號(hào)清常)沒，其書盡歸牧翁(錢謙益號(hào))?！?/p>

2.1 設(shè)計(jì)及施工概況

惠南莊泵站副廠房基礎(chǔ)、筏板、墻、柱、梁、板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,底板和外墻混凝土抗?jié)B等級(jí)為W6,底板和墻體為膨脹混凝土,標(biāo)號(hào)為C30W6F150(90天齡期),底板混凝土膨脹率1.5/萬～2.5/萬,墻體混凝土膨脹率 2.5/萬 ～3.5/萬,內(nèi)部梁板柱均為普通C30混凝土,混凝土均為二級(jí)配。

底板和墻體膨脹加強(qiáng)帶混凝土采用C35W6F150(90d齡期),膨脹率 3.5/萬～4.5/萬。墻體混凝土澆筑采用臺(tái)階法澆筑,分層厚度50cm,臺(tái)階長度為6～8m,分層方式與布料方向如圖2所示。

圖2 剪力墻混凝土澆筑分層示意圖

2.2 地下剪力墻裂縫檢測(cè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,依據(jù) 《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》 (CECS 21︰2000),采用 RSUT01C非金屬聲波檢測(cè)儀進(jìn)行單面平測(cè)法測(cè)定剪力墻混凝土裂縫深度。

平測(cè)時(shí)應(yīng)在裂縫的被測(cè)部位,以不同的測(cè)距,按跨縫和不跨縫布置測(cè)點(diǎn) (布置測(cè)點(diǎn)時(shí)應(yīng)避開鋼筋的影響)進(jìn)行測(cè)量。對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析處理得出裂縫深度,以判斷是否為貫穿性裂縫。

在實(shí)際檢測(cè)中對(duì)裂縫長度較長,且裂縫寬度較寬的位置進(jìn)行了重點(diǎn)檢測(cè)。

此次檢測(cè)的29條裂縫寬度均大于0.2mm(根據(jù)現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范,地下室外剪力墻最大裂縫寬度允許值在0.2mm以內(nèi)),裂縫深度都大于鋼筋保護(hù)層厚度 40mm,最大裂縫深度為203mm。雖然檢測(cè)沒有發(fā)現(xiàn)貫穿性裂縫,但是裂縫深度已經(jīng)超過鋼筋保護(hù)層厚度 (40mm),裂縫寬度也超出規(guī)范限值,使混凝土保護(hù)層失去了對(duì)剪力墻內(nèi)鋼筋的防銹蝕保護(hù)作用,對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性及防水性均產(chǎn)生了不利影響。因此對(duì)于副廠房B1、B2層北剪力墻的裂縫必須進(jìn)行工程處理。

3 有限元計(jì)算

惠南莊泵站副廠房地下剪力墻外側(cè)需回填土,回填土對(duì)地下剪力墻,特別對(duì)已經(jīng)發(fā)生的裂縫會(huì)產(chǎn)生作用。本文采用三維有限元方法,研究地下剪力墻裂縫對(duì)整體結(jié)構(gòu)影響,特別是墻體裂縫在回填土后對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

3.1 有限元計(jì)算模型

根據(jù)裂縫檢測(cè)結(jié)果,現(xiàn)選取裂縫發(fā)生比較集中區(qū)域的地下剪力墻北墻段作為計(jì)算對(duì)象,考慮到邊界條件影響,計(jì)算域適當(dāng)放大,其左右各增加半跨剪力墻,并增加半跨樓板。

采用三維有限元分析軟件ABAQUS建立該剪力墻的有限元模型,建模時(shí)以B11→B10方向 (平行于剪力墻)為x軸,以垂直于剪力墻方向?yàn)閥軸,z軸向上。地下剪力墻作為研究重點(diǎn),分別考慮了裂縫、配筋,墻厚60cm。裂縫主要考慮縫寬、縫深較大的8條。配筋分為水平筋、豎向筋,水平筋布置采用φ 18@150,豎向筋布置采用 φ 22@150。底板厚150cm,結(jié)構(gòu)肋墻厚80cm,樓板厚15cm。

計(jì)算采用三維有限元,全面考慮以上不同材料分區(qū),共設(shè)置了7種介質(zhì)。計(jì)算模型共剖分網(wǎng)格單元數(shù)為143627個(gè),其中實(shí)體單元98001個(gè),縫單元318個(gè),鋼筋單元45308個(gè),結(jié)點(diǎn)數(shù)為115089個(gè)。

應(yīng)力計(jì)算時(shí),計(jì)算域邊界條件為:底部垂直方向固定,三個(gè)截面水平方向固定,其余方向自由。

3.2 計(jì)算荷載及計(jì)算工況

由于副廠房地下剪力墻外要回填土,回填土對(duì)地下剪力墻影響是本研究的重點(diǎn)。計(jì)算荷載主要考慮自重、回填土重、側(cè)向土壓力、水壓力。

為了便于比較裂縫產(chǎn)生、樓板約束對(duì)剪力墻的影響,本研究分別計(jì)算了在有、無樓板約束條件下,有、無裂縫的剪力墻的應(yīng)力狀態(tài)。具體計(jì)算工況及荷載組合如表1。

表1 計(jì)算工況及荷載組合

3.3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)以上計(jì)算模型及計(jì)算工況,采用非線性有限元分析通用軟件ABAQUS,對(duì)惠南莊泵站副廠房地下剪力墻進(jìn)行整體三維有限元分析。

(1)根據(jù)剪力墻變形分析,在剪力墻外側(cè)填土情況下,墻體受到側(cè)向土壓力及水壓力作用,墻體外側(cè)受壓、內(nèi)側(cè)受拉,裂縫產(chǎn)生只改變了裂縫周圍局部狀態(tài),對(duì)其它位置的影響甚微。

(2)根據(jù)應(yīng)力分布,剪力墻與底板、結(jié)構(gòu)肋墻、樓板的連接部位等是拉應(yīng)力集中區(qū)域,墻體應(yīng)力主要表現(xiàn)為外側(cè)受壓、內(nèi)側(cè)受拉,墻體是否有裂縫對(duì)整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響不大,裂縫周圍雖受到裂縫影響,但范圍不大,縫端并未產(chǎn)生應(yīng)力集中。樓板支撐作用大大減小了剪力墻變形,降低了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平;結(jié)構(gòu)自重也降低了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平。

(3)根據(jù)裂縫周圍典型斷面變形,以及裂縫周圍典型斷面第一主應(yīng)力分布分析,剪力墻外側(cè)裂縫處于受壓狀態(tài),內(nèi)側(cè)裂縫處于受拉狀態(tài),內(nèi)側(cè)裂縫釋放了墻表面的拉應(yīng)力,但影響范圍很小,縫端并未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中,裂縫進(jìn)一步發(fā)展的可能性較小。

3.4 分析結(jié)論及建議

根據(jù)副廠房B1、B2層北剪力墻墻體的裂縫情況,檢測(cè)方提出裂縫處理建議。

(1)由于剪力墻外側(cè)填土,墻體受到側(cè)向土壓力及水壓力作用,墻體外側(cè)受壓、內(nèi)側(cè)受拉,裂縫存在只改變了裂縫周圍局部應(yīng)力狀態(tài),對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響甚微。

(2)剪力墻與底板、結(jié)構(gòu)肋墻、樓板的連接部位等是拉應(yīng)力集中區(qū)域。樓板支撐作用大大減小了剪力墻變形,降低了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平;結(jié)構(gòu)自重也降低了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平。

(3)剪力墻外側(cè)裂縫處于受壓狀態(tài),其寬度減小最大0.0055mm,內(nèi)側(cè)裂縫處于受拉狀態(tài),其寬度增加最大 0.0083mm,寬度的變化最大不超過0.01mm,變化很小。

(4)由于回填土后裂縫寬度變化很小,縫端并未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中,裂縫進(jìn)一步發(fā)展的可能性較小,裂縫處理可采用涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水材料表面封閉法或化學(xué)灌漿法修補(bǔ)混凝土出現(xiàn)的裂縫,以恢復(fù)結(jié)構(gòu)的整體性和使用功能,但應(yīng)注意對(duì)裂縫的后期觀測(cè)。

4 地下剪力墻裂縫的修補(bǔ)方法

按照以上的檢測(cè)分析結(jié)果要求,結(jié)合《混凝土加固設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定,本工程采用裂縫表面封閉法,封閉材料采用國外某化學(xué)公司生產(chǎn)的水泥基滲透結(jié)晶系列防水材料。

4.1 施工安排

由于副廠房北墻北側(cè)基坑急于回填,本工程計(jì)劃先行安排處理北側(cè)墻體裂縫,條件滿足后再安排廠房內(nèi)部裂縫的處理。

其中北墻北側(cè)裂縫的處理隨回填高度的上升逐步進(jìn)行,每次上升2～3m。

4.2 氣候要求

根據(jù)廠家產(chǎn)品性能的要求,防水涂料不能在雨中或環(huán)境溫度低于4℃時(shí)施工,因此,施工部門計(jì)劃在作業(yè)面外側(cè)利用腳手架和三色布搭設(shè)簡易防護(hù)棚,并在防護(hù)棚內(nèi)設(shè)置電暖氣或火爐,以達(dá)到作業(yè)環(huán)境溫度,滿足涂刷作業(yè)要求。

4.3 施工方法

根據(jù)產(chǎn)品資料和廠家技術(shù)人員的施工經(jīng)驗(yàn),防水涂料的涂刷只需在裂縫兩側(cè)各10cm范圍即可,但考慮本工程的特殊性和重要性,施工部門計(jì)劃將涂刷范圍擴(kuò)大至裂縫兩側(cè)各15cm,裂縫兩端延伸至裂縫端點(diǎn)外30cm,對(duì)局部裂縫比較集中的部位進(jìn)行全范圍滿刷。

5 結(jié)論及建議

通過對(duì)惠南莊泵站副廠房地下剪力墻裂縫受力狀況分析,揭示剪力墻墻體外側(cè)受壓、內(nèi)側(cè)受拉,裂縫存在只改變裂縫周圍局部應(yīng)力狀態(tài),對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響甚微,樓板支撐與結(jié)構(gòu)自重都降低了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平,填土后縫端并未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中,裂縫進(jìn)一步發(fā)展的可能性較小。建議裂縫處理可采用涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水材料表面封閉法修補(bǔ)混凝土出現(xiàn)的裂縫。

使用該建議方法對(duì)剪力墻修補(bǔ)后,經(jīng)一年多的使用跟蹤觀察,結(jié)構(gòu)上未出現(xiàn)其它問題,說明本文有限元分析的結(jié)論是可靠的,從而驗(yàn)證了根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果所采用的裂縫修補(bǔ)方法是合理有效的。

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