均質(zhì)化墻體裂縫加固技術(shù)的應(yīng)用研究

李 旭 周 銳

（成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610000）

0 引言

早期的房屋大多數(shù)都是使用砌體結(jié)構(gòu)建造，砌體結(jié)構(gòu)房屋的墻體相對比較脆弱，使用年限過長的房屋自身的穩(wěn)定性較差，墻體容易出現(xiàn)裂縫。對于砌體建筑，傳統(tǒng)的裂縫加固技術(shù)加固效果不是很明顯，加固后還會在原有基礎(chǔ)上出現(xiàn)裂縫，因此，需要研究新的技術(shù)來解決此類問題，而均質(zhì)化墻體裂縫加固技術(shù)正是滿足這種需求的加固效果較好的施工技術(shù)。為了研究均質(zhì)化墻體裂縫加固技術(shù)的應(yīng)用效果，筆者將傳統(tǒng)加固技術(shù)與均質(zhì)化墻體裂縫加固技術(shù)用在墻體裂縫加固處理工程中進(jìn)行比較。本文就此課題進(jìn)行總結(jié)。

1 均質(zhì)化房建墻體裂縫加固技術(shù)及有限元模型分析

灌漿加固法是指在墻體中心或斜向鉆孔或打入管樁，通過孔眼及管孔，用一定壓力把各種漿液（加固劑）灌入土層中，通過漿液凝固，把原來松散的土固結(jié)為有一定強(qiáng)度和防滲性能的整體，或把墻體裂縫堵塞起來，從而達(dá)到加固地基、提高地基承載力的一種加固法。均質(zhì)化房建墻體裂縫加固技術(shù)即是在注漿加固法的基礎(chǔ)上，通過均質(zhì)化對房建墻體中某一點(diǎn)進(jìn)行無限放大，取出某一個(gè)單胞作為代表性體積單元，建立力學(xué)模型來求解墻體受力情況，以進(jìn)行有效的裂縫加固的施工方法。

1.1 砌體二維周期性平面分割

在建筑施工過程中，加固砌筑施工方式具有二維周期性，這就說明不同砌筑方式中的等效體積單元是不一樣的。要想進(jìn)行砌體的平面分割，首先需要確定等效體積單元的選取條件：（1）組成砌體的具體材料；（2）材料組成砌體結(jié)構(gòu)分布規(guī)律；（3）最小組成的單元需要滿足前兩個(gè)條件，并且在連續(xù)和離散兩個(gè)模型之間進(jìn)行網(wǎng)格劃分。不同材料之間肯定會存在一定的區(qū)別，決定了砌筑整體的不同。

除材料外，不同的砌筑方式對墻體裂縫加固效果具有一定影響。常見的砌筑方式有3 種，分別是：全順式、全丁式和一丁一順式[1]。目前，大多數(shù)墻體砌筑是以全順式為主，其二維平面圖如圖1所示。

圖1 墻體形狀二維平面示意圖

如圖1 可知，組成二維平面的基本組成尺寸則為：(XC) ×(YH)。其中：C 為砌成墻體磚塊高度的總和，H為墻體重疊的數(shù)量。而重疊的數(shù)量H=P/2（P為磚塊縫隙數(shù)量的總和）；X、Y 必須為正整數(shù)。只有當(dāng)基本組成的磚塊組成最小的規(guī)律列陣，才可以通過二維平面分割來完成整體形狀。墻體從其中一組磚塊傳遞承載力給另一磚塊時(shí)，需滿足下列2 個(gè)條件：（1）內(nèi)力矢量在最基本的單元內(nèi)要具備連續(xù)性；（2）在變形過程中，各單元之間應(yīng)該相互地協(xié)調(diào)，并且不可重疊起來或者分離開。

由條件（1）可知，組成單元內(nèi)的應(yīng)力需要滿足公式（1）的要求：

因m是關(guān)于反周期性的對稱外法線，公式（1）可轉(zhuǎn)換成公式（2）：

因此，組成單元中的應(yīng)力β具有周期性，在最基本的組成單元之間內(nèi)力矢量β·m具有跟周期性相反的對稱性。

由條件（2）可以看出，其中某一組單元組成在進(jìn)行對邊位移之后，在整體空間上需完全重合。當(dāng)發(fā)生位移的常數(shù)T、D同時(shí)為0 時(shí)，各個(gè)方向發(fā)生位移需要滿足公式（3）的條件。

應(yīng)力應(yīng)變場也會因?yàn)槲灰茍鰅的變化而產(chǎn)生周期性，從而得到周期性的位移場，達(dá)到分割成二維周期性平面的目[2]。

1.2 建立等效體積單元模型

等效體積單元化（簡稱RVE）是一個(gè)基于微觀的力學(xué)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造信息的均質(zhì)化技術(shù)，包括砌體的結(jié)構(gòu)信息：一是砌體的各種構(gòu)造材料；二是砌體構(gòu)造的周期性；三是利用等效體積單元在連續(xù)性與離散化模型之間所進(jìn)行的合理分配。RVE模型實(shí)質(zhì)上是利用對砌塊結(jié)構(gòu)中的有限元方法進(jìn)行分析而得到了與連續(xù)性有關(guān)的模型，即是將離散的建筑材料進(jìn)行均質(zhì)化后，獲得了與整個(gè)砌塊結(jié)構(gòu)非常接近的新型材料。這種均質(zhì)化的施工技術(shù)是可以有效地解決模型網(wǎng)格中所存在的劃分比較困難、耗時(shí)長并且計(jì)算量較大的缺陷，給砌筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)部分析提供了更加簡潔的方法。墻體常見的均質(zhì)化過程如圖2所示。

圖2 墻體均質(zhì)化過程示意圖

采用了分離式來構(gòu)建等效體積單元模型，模型的基本尺寸可以設(shè)置為320mm×120mm×140mm。采用有限元軟件構(gòu)建模型的墻體磚塊單元和混凝土單元，并且忽略磚塊與混凝土間的摩擦力。使用模型中的多線性進(jìn)行隨動(dòng)強(qiáng)化和五參數(shù)破壞準(zhǔn)則中的材料模式，以所了解的砌筑磚塊和混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變β—θ曲線作為結(jié)構(gòu)的相關(guān)聯(lián)系，通過模型得到等效體積單元的平均應(yīng)力與平均應(yīng)變之間的關(guān)系，如公式（4）、（5）所示。

從而分別取得磚塊與混凝土的應(yīng)力與應(yīng)變的平均值，繼而可以構(gòu)建出等效體積單元的模型[3]。

1.3 采用均質(zhì)化技術(shù)加固墻體裂縫

在等效體積單元模型的基礎(chǔ)上，還需采用第二次均質(zhì)化技術(shù)對墻體裂縫進(jìn)行加固。第二次均質(zhì)化的加固技術(shù)分為3 個(gè)部分：內(nèi)部為均質(zhì)化技術(shù)建立的等效參數(shù)芯墻，外部的兩面都為混凝土的抹面層；內(nèi)外部是通過相互之間節(jié)點(diǎn)傳遞的方式進(jìn)行結(jié)合與傳遞的。內(nèi)部芯墻是通過應(yīng)力—應(yīng)變β—θ 曲線作為其結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，外部加固面的墻體結(jié)構(gòu)通常使用C20 混凝土，通過均質(zhì)化技術(shù)獲取其他結(jié)構(gòu)的相關(guān)聯(lián)系[4]，輸入計(jì)算模型的尺寸見圖3所示。

圖3 輸入計(jì)算模型的構(gòu)成尺寸

對墻體外部裂縫進(jìn)行加固時(shí)，可以選擇δ4@20 的鋼絲網(wǎng)（鋼絲網(wǎng)內(nèi)部網(wǎng)格間距為20mm，鋼絲直徑為4mm），而此時(shí)墻體的長、高、寬分別用X、Y、Z 來表示，通過能量極值原理計(jì)算可以得出其面積配筋率分別為0.65%、0.58%、0。因?yàn)檫x取C20 的混凝土，其鋼絲的屈服強(qiáng)度為280MPa，彈性模量為2.25×104MPa，泊松比為0.18。并且鋼絲網(wǎng)的網(wǎng)格間距為20mm，墻體厚度為320mm，加固面厚度為40mm，均質(zhì)化加固技術(shù)正常規(guī)定值設(shè)置為400mm，可以有效地解決房建墻體的裂縫[5]。

2 均質(zhì)化墻體裂縫加固技術(shù)的應(yīng)用試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備工作

為了測試設(shè)計(jì)的加固砌筑施工方法的有效性，對實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證。本研究選擇某棟建筑大樓，其建成時(shí)間在10a 左右，墻體主要由混凝土磚建筑而成。將此樓中墻體某一處的裂縫，通過試驗(yàn)平臺構(gòu)建模擬墻體來代替真實(shí)建筑。平臺中構(gòu)建的墻體平面圖如圖4 所示，并比較傳統(tǒng)加固技術(shù)與均質(zhì)化墻體裂縫加固技術(shù)對墻體裂縫的實(shí)際應(yīng)用效果。

圖4 某建筑裂縫平臺示意圖

2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測與結(jié)果反饋

試驗(yàn)測試為相同環(huán)境下的建筑A和建筑B，且使用的加固材料完全一致，只是所使用的加固技術(shù)不同。為了對比未加固與加固墻體在低周反復(fù)荷載下的剛度退化，分別取兩類墻體正、反向荷載的絕對值之和除以相應(yīng)的正、反向位移的絕對值之和，作為每一級循環(huán)荷載下的平均剛度Ki:

式中：pi——第i次正向水平荷載值；

-pi——第i次反向水平荷載值；

Δi——第i次正向水平荷載作用下的位移值；

-Δi——第i次反向水平荷載作用下的位移值,并根據(jù)此結(jié)果分析裂縫的修復(fù)程度。墻體整體的穩(wěn)定性測試結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 不同加固技術(shù)裂縫修復(fù)程度示意圖

圖6 不同加固技術(shù)的墻體穩(wěn)定性示意圖

由圖5和圖6可以看出，使用傳統(tǒng)加固技術(shù)的建筑A，經(jīng)過6 個(gè)月的時(shí)間，裂縫的修復(fù)程度只達(dá)到了60%。而墻體整體的穩(wěn)定性只有70%，說明效果不是很明顯。而使用均質(zhì)化加固技術(shù)3～4 個(gè)月之后，建筑B 的修復(fù)程度就已經(jīng)達(dá)到90%以上，并且在第6 個(gè)月已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了100%的修復(fù)；且在第3 個(gè)月的時(shí)候，墻體的穩(wěn)定性已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)100%穩(wěn)定[6]。

3 結(jié)束語

綜上所述，與傳統(tǒng)的墻體修復(fù)技術(shù)相比，在對墻體的修復(fù)程度和整體的穩(wěn)定性方面，使用均質(zhì)化技術(shù)效果更優(yōu)，不僅有效地改善了傳統(tǒng)加固技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)對裂縫的完全修復(fù)，以及修復(fù)后無法保證其整體穩(wěn)定性的情況，還對建筑整體質(zhì)量的提升有著明顯的效果。本文只提到了裂縫加固的技術(shù)，沒有提出具體施工材料對裂縫加固的效果，今后可以進(jìn)一步研究裂縫加固材料，以更好地解決墻體裂縫的修復(fù)，提高整體施工質(zhì)量及后續(xù)使用的安全性。