面向地下室結(jié)構(gòu)加固的混凝土裂縫修補(bǔ)方法研究

羅鳳林

摘要：地下室建造對(duì)結(jié)構(gòu)防水、防漏性能要求更高，而混凝土裂縫又是重大安全隱患問題，為了提高建筑安全性，對(duì)某地下室工程受損狀況進(jìn)行研究，并根據(jù)地下室工程建設(shè)狀況、受損區(qū)域特點(diǎn)，結(jié)合置換混凝土加固法、碳纖維包裹布技術(shù)和注漿法等多種修補(bǔ)加固方法，對(duì)地下室混凝土裂縫進(jìn)行針對(duì)性方案設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明，加固后剪力值產(chǎn)生變化，梁座邊緣處剪力值達(dá)到970kN，符合加固后的承載力要求。

關(guān)鍵詞：地下室；結(jié)構(gòu)加固；混凝土；裂縫修補(bǔ)；模型分析

0? ?引言

房屋建造的主要結(jié)構(gòu)材料為鋼筋混凝土，混凝土通常采取現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的方式進(jìn)行施工，先將混凝土、鋼筋、泥沙等原材料運(yùn)輸?shù)阶鳂I(yè)現(xiàn)場(chǎng)后，然后進(jìn)行攪拌混合，制造所需部件。混凝土是由膠結(jié)料﹑粗細(xì)集料和水，按一定的比例配制，經(jīng)攪拌﹑搗實(shí)成型﹑養(yǎng)護(hù)硬化而成的一種人造石材，一般所說的混凝土是指水泥混凝土[1]。

混凝土具備抗壓強(qiáng)度高、和易性優(yōu)、防水抗?jié)B等優(yōu)點(diǎn)，但是其抗拉強(qiáng)度較低，極易受應(yīng)力影響開裂，產(chǎn)生裂縫。混凝土裂縫危害眾多，其會(huì)減小混凝土部件的受力性能，降低承載力，危害建筑安全，且一旦產(chǎn)生裂縫，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)暴露于空氣中，容易產(chǎn)生鋼筋銹蝕、侵蝕等問題，大幅度降低建筑安全使用年限。

高層建筑的大型地下室建造，對(duì)結(jié)構(gòu)防水、防漏性能要求更高。高層建筑的大型地下室建造過程中，若對(duì)混凝土裂縫處理不當(dāng)，極易使裂縫發(fā)生擴(kuò)散，造成重大安全隱患[2]?；诖?，為了提高地下室建筑的安全性，本文對(duì)地下室結(jié)構(gòu)加固的混凝土裂縫修補(bǔ)方法進(jìn)行研究。

1? ?裂縫成因及數(shù)值模型構(gòu)建

1.1? ?混凝土裂縫成因分析

混凝土裂縫形成是內(nèi)界結(jié)構(gòu)和外界環(huán)境共同作用的結(jié)果?；炷敛牧咸匦詾榇嘈?，在外界環(huán)境施加的荷載作用和非荷載作用影響下，均會(huì)產(chǎn)生裂縫。荷載作用包括靜荷載、動(dòng)荷載和其他荷載，直接裂縫是由荷載作用直接引起的裂縫。非荷載作用下拉應(yīng)變達(dá)到極限拉應(yīng)變值時(shí)，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)引起形變，從而產(chǎn)生混凝土裂縫，混凝土收縮、混凝土內(nèi)外溫差、不均勻沉降、設(shè)計(jì)問題、施工質(zhì)量、混凝土耐久性等，均會(huì)形成非荷載作用。

混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì)，當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生溫度裂縫。某些大跨徑橋梁的溫度應(yīng)力，可以達(dá)到甚至超出活載應(yīng)力。溫度裂縫區(qū)別其他裂縫最主要特征是隨溫度變化而擴(kuò)張或合攏。

本文某一地下室工程項(xiàng)目為例，進(jìn)行混凝土裂縫分析。該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)及受損區(qū)域見圖1。7月雨季過后，地下室防水板、柱、梁、頂板出現(xiàn)大量裂縫，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)裂縫進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，梁頂裂縫為橫向裂縫和斜向裂縫交錯(cuò)，裂縫產(chǎn)生原因主要是水浮力令結(jié)構(gòu)位移。柱子裂縫多位于柱頂，柱周、柱腳少量分布，主要原因是水浮力過大使地下室變形，產(chǎn)生了附加軸力、剪刀和彎矩。部分抗水板的裂縫則是因排水系統(tǒng)未完成，造成降水堆積，水浮力增大，引發(fā)底板上拱。

1.2? ?地下室破損部位數(shù)值模擬分析

對(duì)實(shí)際施工狀況進(jìn)行調(diào)查可知，抗浮措施施工不到位，受損區(qū)域構(gòu)成層和頂部回填土未完成，且地下室降水系統(tǒng)未完成施工。基于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)正常狀態(tài)下的裂縫寬度進(jìn)行裂縫寬度的驗(yàn)算。通過理論計(jì)算可知，典型梁、柱構(gòu)件在正常使用狀態(tài)下的裂縫寬度符合相關(guān)規(guī)范限值要求。基于上述分析對(duì)地下室破損部位進(jìn)行數(shù)值模擬分析，選取地下室部分區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。地下室破損區(qū)域建模如圖2所示。

選取地下室受損區(qū)域的4根立柱，與混凝土立柱對(duì)應(yīng)的頂板和底板構(gòu)成簡(jiǎn)化模型，以該區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。使用土木工程專用分析軟件Midas FEA NX，對(duì)水浮力作用進(jìn)行分析，根據(jù)調(diào)查獲得的混凝土彌散裂縫材料本構(gòu)建模，計(jì)算得到混凝土裂縫應(yīng)力結(jié)果，對(duì)裂縫發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行觀察預(yù)測(cè)[3-4]。彌散裂縫模型以裂縫為單元邊界，若裂縫位置或節(jié)點(diǎn)變動(dòng)，需要重新劃分網(wǎng)格，保證裂縫位于相鄰邊界之間。

該模型假設(shè)單元內(nèi)產(chǎn)生的裂縫是無數(shù)條平行直線，與裂縫方向平行的裂縫面上材料依然能夠繼續(xù)承受拉應(yīng)力，同時(shí)也能夠維持該方向的彈性模量不發(fā)生任何變化。在與裂縫方向垂直的裂縫面上時(shí)，此時(shí)材料則不再能繼續(xù)承受拉應(yīng)力，且這種情況下彈性模量值是零。

1.3? ?混凝土與鋼筋壓力-應(yīng)變關(guān)系本構(gòu)模型設(shè)計(jì)

基于Midas FEA NX，構(gòu)建混凝土和鋼筋的壓力-應(yīng)變關(guān)系本構(gòu)模型[5]。在該軟件中本構(gòu)模型關(guān)系構(gòu)建，采用非線性彈性理論和彈塑性理論。在定義鋼筋屬性時(shí)，采取植入式桁架單元。采取這種方式的優(yōu)勢(shì)是能夠直接將鋼筋剛度置于母單元中，不需要手動(dòng)考慮節(jié)點(diǎn)耦合，不需要與實(shí)體單元共用節(jié)點(diǎn)，這就意味著鋼筋不再視為一種具有節(jié)點(diǎn)的單元。

基于裂縫數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用非線性分析方法進(jìn)行迭代，迭代過程時(shí)間與位移及位移增量關(guān)系見式（1）：

t+△tu=t u+△u? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：t表示時(shí)間，△t表示時(shí)間增量，△u表示△t對(duì)應(yīng)的總位移增量，時(shí)間增量的非線性迭代分析見式（2）：

△u=∑ni=1δui? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：δui為第i次迭代時(shí)的位移增量。

對(duì)于δui+1有計(jì)算式見（3）：

△ui+1=Ki+1 gi? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

{? gi=t+△t?ext-?int，i

式中：t+△t?ext為△t+t時(shí)的外部作用力；?int，i指內(nèi)部作用力，基于材料Path-dependent（路徑依存）特性計(jì)算；Ki+1表示切線剛度。

該算法有兩個(gè)終止條件，其一是單元應(yīng)變從時(shí)間t時(shí)開始計(jì)算累計(jì)位移到時(shí)間△t+t時(shí)達(dá)到收斂，并將此最終收斂狀態(tài)保存；其二是迭代過程到達(dá)預(yù)設(shè)置的收斂條件時(shí)自動(dòng)停止迭代。

收斂條件需根據(jù)目標(biāo)對(duì)象及假設(shè)條件確定，在迭代過程中，每次迭代后均進(jìn)行判定是否滿足條件，收斂條件分為內(nèi)部作用力收斂、位移收斂和能量收斂。

2? ?混凝土裂縫修補(bǔ)與加固方案設(shè)計(jì)

2.1? ?通用總體加固方案分析

2.1.1? ?各項(xiàng)影響因素分析

地下室混凝裂縫修補(bǔ)加固前，需要先對(duì)裂縫起因、特性和類別進(jìn)行檢測(cè)判斷。通過充分檢查、調(diào)研、檢測(cè)，并對(duì)裂縫環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，綜合分析各項(xiàng)影響因素并進(jìn)行可靠性鑒定后，才能最終確定混凝土裂縫修補(bǔ)加固方案。

2.1.2? ?常見裂縫修補(bǔ)方法分析

根據(jù)裂縫寬度、深度及混凝土結(jié)構(gòu)材料不同，可分為表明修補(bǔ)法、灌漿法、填充法。表面修補(bǔ)法主要針對(duì)裂縫寬度≤0.2mm，對(duì)結(jié)構(gòu)承載力無影響或是影響較小的表面裂縫，適宜于對(duì)裂縫進(jìn)行的防滲漏預(yù)處理。灌漿法主要針對(duì)裂縫寬度在0.1～1.5mm的獨(dú)立性裂縫或貫穿性裂縫進(jìn)行處理，或者用于對(duì)一些蜂窩缺陷的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)和封閉。填充法適宜于對(duì)裂縫寬度大于0.5mm的裂縫進(jìn)行處理，主要是對(duì)裂縫進(jìn)行開鑿，并根據(jù)裂縫性質(zhì)和目標(biāo)狀態(tài)選擇材料進(jìn)行填充。

2.1.3? ?常見加固方案分析

地下室加固方案設(shè)計(jì)分為對(duì)混凝土裂縫的加固方案設(shè)計(jì)和構(gòu)件加固方案設(shè)計(jì)。需注意的是，裂縫修補(bǔ)和加固經(jīng)常是多種方法并行施工，混凝土裂縫都是承載力不足導(dǎo)致的，所以加固也需要采取合理的加固方法對(duì)承載力進(jìn)行恢復(fù)提高。加固方法主要包括增大截面加固法、置換混凝土加固法、外包鋼加固法、粘貼纖維復(fù)合材加固法。常見裂縫修補(bǔ)與加固方案如圖3所示。

增大截面加固法是最常用的混凝土加固方法，其是在構(gòu)件外部使用混凝土和鋼筋增加截面積，以提高構(gòu)件承載力和剛度；該方法不足之處在于工期較長(zhǎng)。置換混凝土加固法是將存在蜂窩、孔洞、夾渣等缺陷部位或承載力不足部位的混凝土剔除，并采用更為優(yōu)質(zhì)的混凝土進(jìn)行填充，以提高承載力；其不足之處在于，需對(duì)新舊混凝土連接處的粘結(jié)進(jìn)行徹底的清理，以防影響新混凝土性能。

外包鋼加固法則采用鋼材對(duì)混凝土構(gòu)件外部進(jìn)行包裹，并在之間填充特定材料，以增加共同受力。但該方法用鋼量較大，造價(jià)較高，且隨時(shí)間變化可能存在應(yīng)力應(yīng)變滯后的問題。粘貼纖維復(fù)合材加固法也是一種外表面加固法，它使用樹脂類的膠黏劑將碳纖維布等材料進(jìn)行粘貼，起到拉應(yīng)力作用，以有效提高混凝土構(gòu)件受剪力。該方法易于施工，不足之處在于耐火性差。

2.2? 地下室裂縫修補(bǔ)加固方案設(shè)計(jì)

通過對(duì)地下室混凝土裂縫溯源分析和裂縫發(fā)展分析，設(shè)計(jì)地下室裂縫修補(bǔ)加固方案如圖4所示。根據(jù)梁、柱構(gòu)件的不同損傷情況，對(duì)裂縫進(jìn)行修補(bǔ)加固。對(duì)于裂縫情況嚴(yán)重的柱子，采用置換混凝土加固法與碳纖維包裹布技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行施工。對(duì)于裂縫破壞情況一般的柱子采用注漿法，對(duì)于裂縫破壞情況輕微的柱子則采用表面封閉法。

碳纖維加固施工流程如下：對(duì)構(gòu)件表面粉刷層或墊層開鑿，修復(fù)破損處，清除油污浮漿并打磨；進(jìn)行底涂；進(jìn)行碳纖維布粘貼，粘貼需保持碳纖維布平整；對(duì)碳纖維布固化，避免干擾；等到固化結(jié)束進(jìn)行表面防護(hù)處理，并建造新增混凝土保護(hù)層。

3? ?混凝土裂縫修補(bǔ)加固方案性能評(píng)估

3.1? ?施工項(xiàng)目損害情況模擬評(píng)估

研究構(gòu)建的用于地下室混凝土裂縫修補(bǔ)加固方案，首先需要對(duì)地下室各裂縫情況進(jìn)行溯源分析匯總，對(duì)裂縫長(zhǎng)度、裂縫寬度進(jìn)行評(píng)估，總結(jié)裂縫形成因素，并對(duì)裂縫發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)，之后再根據(jù)地理位置特點(diǎn)和影響因素，選取合適的裂縫修補(bǔ)加固方案。

3.1.1? ?施工項(xiàng)目評(píng)估

本文選取海南某工程地下室作為研究對(duì)象，對(duì)其夏季暴雨后，地下室受損情況進(jìn)行評(píng)估，并給出裂縫修補(bǔ)加固方案。對(duì)多種工況下地下室各區(qū)域梁構(gòu)件及柱構(gòu)件抗浮穩(wěn)定性進(jìn)行演算評(píng)估，項(xiàng)目評(píng)估結(jié)果見表1。

從表1可知，地下室整體設(shè)計(jì)滿水位高度為36.6m，抗浮水位設(shè)計(jì)高度為32.7m。根據(jù)對(duì)地下室的實(shí)際調(diào)查情況認(rèn)為，地下室在夏季暴雨后出現(xiàn)裂縫的主要原因，是受損區(qū)域構(gòu)造層300mm厚和頂板1.50m厚覆土未施工，且地下室排水系統(tǒng)施工未完成，所以在多日陰雨天氣影響下，受損區(qū)域出現(xiàn)底板上浮。

在各項(xiàng)施工均完成且滿水位情況下，設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)，但受損區(qū)域構(gòu)造層300mm厚和頂板1.50m厚覆土未施工，且滿水位36.60m的工況下，受損區(qū)域抗浮穩(wěn)定性為0.53，不能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.2? ?裂縫寬度評(píng)估

依照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》GB50010—2010，對(duì)正常使用情況下極限裂縫寬度進(jìn)行演算并評(píng)估，得到裂縫寬度評(píng)估結(jié)果見表2。從表2可以看出，正常使用狀態(tài)下，受長(zhǎng)期作用影響，梁頂?shù)酌孀畲罅芽p寬度為0.26mm，最大裂縫寬度限值為0.2mm，柱極限裂縫寬度為0.177mm，寬度限值0.2mm。

3.2? ?地下室結(jié)構(gòu)及裂縫發(fā)展情況模擬

使用Midas FEA NX構(gòu)建混凝土和鋼筋的壓力-應(yīng)變關(guān)系本構(gòu)模型，對(duì)地下室結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形進(jìn)行模擬，得到裂縫發(fā)展情況如圖5所示。迭代停止時(shí)梁柱節(jié)點(diǎn)的開裂狀況如圖6所示。

總體比較可知，隨著水浮力增加，水位到達(dá)筏板2.1m以上，水浮力達(dá)到21kN/m2時(shí)，迭代次數(shù)為7，筏板、頂板和梁柱節(jié)點(diǎn)已出現(xiàn)明顯開裂現(xiàn)象。受到水浮力影響，立柱之間筏板的開裂集中在中部，四周呈離散分布，與施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查開裂情況吻合。

分析認(rèn)為，由于水浮力的作用，立柱向上隆起對(duì)頂板施加沖切力產(chǎn)生裂縫，所以頂部裂縫主要出現(xiàn)在柱與頂板的連接區(qū)域，與施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查開裂情況吻合。隨著底部受水浮力作用上拱推力，梁柱產(chǎn)生形變以抵抗推力，所以梁柱節(jié)點(diǎn)裂縫主要集中在頂板與梁的交接區(qū)域。柱體裂縫主要集中在柱端，柱腳處無裂縫，與施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查開裂情況吻合。

在迭代過程中還發(fā)現(xiàn)，在迭代次數(shù)為6時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)開裂。在迭代次數(shù)為7時(shí)，構(gòu)件均出現(xiàn)明顯裂縫。迭代次數(shù)為8時(shí)，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)散。但是梁柱的破壞在迭代全程都集中于柱子上端，柱腳未見開裂。

3.3? ?地下室加固后的結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力模擬

基于以上對(duì)地下室工程評(píng)估以及混凝土裂縫分析及模型演算，綜合地下室梁、柱構(gòu)件裂縫情況和混凝土裂縫情況進(jìn)行破損評(píng)估，選取合適的裂縫修補(bǔ)加固方案進(jìn)行施工，裂縫破壞情況嚴(yán)重的有34處，裂縫破壞情況一般的有33處，裂縫破壞情況輕微的有9處。對(duì)進(jìn)行混凝土裂縫修補(bǔ)加固后的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行承載力演算。

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》GB50010—2010，對(duì)修補(bǔ)加固后的梁增大截面的結(jié)構(gòu)和內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，得出的剪力設(shè)計(jì)包絡(luò)圖如圖7所示。從圖7可以看出，加固后剪力值產(chǎn)生變化，故選取梁座邊緣處剪力值970kN作為剪力設(shè)計(jì)值，符合斜截面加固后的承載力要求。

4? ?結(jié)束語

為了提高建筑安全性，對(duì)某地下室工程受損狀況進(jìn)行研究，并根據(jù)地下室工程建設(shè)狀況、受損區(qū)域特點(diǎn)，結(jié)合置換混凝土加固法、碳纖維包裹布技術(shù)和注漿法等多種修補(bǔ)加固方法，對(duì)地下室混凝土裂縫進(jìn)行針對(duì)性方案設(shè)計(jì)，研究得到以下成果：

梁頂?shù)酌孀畲罅芽p寬度為0.26mm，最大裂縫寬度限值為0.2mm，柱極限裂縫寬度為0.177mm，寬度限值0.2mm。裂縫情況嚴(yán)重的有34處，裂縫破壞情況一般的有33處，裂縫破壞情況輕微有9處。加固后剪力值產(chǎn)生變化，選取梁座邊緣處剪力值970kN作為剪力設(shè)計(jì)值，符合斜截面加固后的承載力要求。

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