面向地下室結構加固的混凝土裂縫修補方法研究

羅鳳林

摘要：地下室建造對結構防水、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，對某地下室工程受損狀況進行研究，并根據地下室工程建設狀況、受損區域特點，結合置換混凝土加固法、碳纖維包裹布技術和注漿法等多種修補加固方法，對地下室混凝土裂縫進行針對性方案設計。研究結果表明，加固后剪力值產生變化，梁座邊緣處剪力值達到970kN，符合加固后的承載力要求。

關鍵詞：地下室；結構加固；混凝土；裂縫修補；模型分析

0? ?引言

房屋建造的主要結構材料為鋼筋混凝土，混凝土通常采取現場作業的方式進行施工，先將混凝土、鋼筋、泥沙等原材料運輸到作業現場后，然后進行攪拌混合，制造所需部件。混凝土是由膠結料﹑粗細集料和水，按一定的比例配制，經攪拌﹑搗實成型﹑養護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]。

混凝土具備抗壓強度高、和易性優、防水抗滲等優點，但是其抗拉強度較低，極易受應力影響開裂，產生裂縫。混凝土裂縫危害眾多，其會減小混凝土部件的受力性能，降低承載力，危害建筑安全，且一旦產生裂縫，混凝土內部結構暴露于空氣中，容易產生鋼筋銹蝕、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，對結構防水、防漏性能要求更高。高層建筑的大型地下室建造過程中，若對混凝土裂縫處理不當，極易使裂縫發生擴散，造成重大安全隱患[2]。基于此，為了提高地下室建筑的安全性，本文對地下室結構加固的混凝土裂縫修補方法進行研究。

1? ?裂縫成因及數值模型構建

1.1? ?混凝土裂縫成因分析

混凝土裂縫形成是內界結構和外界環境共同作用的結果。混凝土材料特性為脆性，在外界環境施加的荷載作用和非荷載作用影響下，均會產生裂縫。荷載作用包括靜荷載、動荷載和其他荷載，直接裂縫是由荷載作用直接引起的裂縫。非荷載作用下拉應變達到極限拉應變值時，混凝土內部結構引起形變，從而產生混凝土裂縫，混凝土收縮、混凝土內外溫差、不均勻沉降、設計問題、施工質量、混凝土耐久性等，均會形成非荷載作用。

混凝土具有熱脹冷縮性質，當外部環境或結構內部溫度發生變化，混凝土將發生變形，若變形遭到約束，則在結構內將產生應力，當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。某些大跨徑橋梁的溫度應力，可以達到甚至超出活載應力。溫度裂縫區別其他裂縫最主要特征是隨溫度變化而擴張或合攏。

本文某一地下室工程項目為例，進行混凝土裂縫分析。該項目結構及受損區域見圖1。7月雨季過后，地下室防水板、柱、梁、頂板出現大量裂縫，對施工現場裂縫進行詳細調查發現，梁頂裂縫為橫向裂縫和斜向裂縫交錯，裂縫產生原因主要是水浮力令結構位移。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未完成，造成降水堆積，水浮力增大，引發底板上拱。

1.2? ?地下室破損部位數值模擬分析

對實際施工狀況進行調查可知，抗浮措施施工不到位，受損區域構成層和頂部回填土未完成，且地下室降水系統未完成施工。基于混凝土結構設計規范，對正常狀態下的裂縫寬度進行裂縫寬度的驗算。通過理論計算可知，典型梁、柱構件在正常使用狀態下的裂縫寬度符合相關規范限值要求。基于上述分析對地下室破損部位進行數值模擬分析，選取地下室部分區域進行數值模擬計算。地下室破損區域建模如圖2所示。

選取地下室受損區域的4根立柱，與混凝土立柱對應的頂板和底板構成簡化模型，以該區域為例進行數值模擬計算。使用土木工程專用分析軟件Midas FEA NX，對水浮力作用進行分析，根據調查獲得的混凝土彌散裂縫材料本構建模，計算得到混凝土裂縫應力結果，對裂縫發展趨勢進行觀察預測[3-4]。彌散裂縫模型以裂縫為單元邊界，若裂縫位置或節點變動，需要重新劃分網格，保證裂縫位于相鄰邊界之間。

該模型假設單元內產生的裂縫是無數條平行直線，與裂縫方向平行的裂縫面上材料依然能夠繼續承受拉應力，同時也能夠維持該方向的彈性模量不發生任何變化。在與裂縫方向垂直的裂縫面上時，此時材料則不再能繼續承受拉應力，且這種情況下彈性模量值是零。

1.3? ?混凝土與鋼筋壓力-應變關系本構模型設計

基于Midas FEA NX，構建混凝土和鋼筋的壓力-應變關系本構模型[5]。在該軟件中本構模型關系構建，采用非線性彈性理論和彈塑性理論。在定義鋼筋屬性時，采取植入式桁架單元。采取這種方式的優勢是能夠直接將鋼筋剛度置于母單元中，不需要手動考慮節點耦合，不需要與實體單元共用節點，這就意味著鋼筋不再視為一種具有節點的單元。

基于裂縫數據的特點，采用非線性分析方法進行迭代，迭代過程時間與位移及位移增量關系見式（1）：

t+△tu=t u+△u? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：t表示時間，△t表示時間增量，△u表示△t對應的總位移增量，時間增量的非線性迭代分析見式（2）：

△u=∑ni=1δui? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：δui為第i次迭代時的位移增量。

對于δui+1有計算式見（3）：

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

{? gi=t+△t?ext-?int，i

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

該算法有兩個終止條件，其一是單元應變從時間t時開始計算累計位移到時間△t+t時達到收斂，并將此最終收斂狀態保存；其二是迭代過程到達預設置的收斂條件時自動停止迭代。

收斂條件需根據目標對象及假設條件確定，在迭代過程中，每次迭代后均進行判定是否滿足條件，收斂條件分為內部作用力收斂、位移收斂和能量收斂。

2? ?混凝土裂縫修補與加固方案設計

2.1? ?通用總體加固方案分析

2.1.1? ?各項影響因素分析

地下室混凝裂縫修補加固前，需要先對裂縫起因、特性和類別進行檢測判斷。通過充分檢查、調研、檢測，并對裂縫環境進行調查，綜合分析各項影響因素并進行可靠性鑒定后，才能最終確定混凝土裂縫修補加固方案。

2.1.2? ?常見裂縫修補方法分析

根據裂縫寬度、深度及混凝土結構材料不同，可分為表明修補法、灌漿法、填充法。表面修補法主要針對裂縫寬度≤0.2mm，對結構承載力無影響或是影響較小的表面裂縫，適宜于對裂縫進行的防滲漏預處理。灌漿法主要針對裂縫寬度在0.1～1.5mm的獨立性裂縫或貫穿性裂縫進行處理，或者用于對一些蜂窩缺陷的混凝土結構進行補強和封閉。填充法適宜于對裂縫寬度大于0.5mm的裂縫進行處理，主要是對裂縫進行開鑿，并根據裂縫性質和目標狀態選擇材料進行填充。

2.1.3? ?常見加固方案分析

地下室加固方案設計分為對混凝土裂縫的加固方案設計和構件加固方案設計。需注意的是，裂縫修補和加固經常是多種方法并行施工，混凝土裂縫都是承載力不足導致的，所以加固也需要采取合理的加固方法對承載力進行恢復提高。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、粘貼纖維復合材加固法。常見裂縫修補與加固方案如圖3所示。

增大截面加固法是最常用的混凝土加固方法，其是在構件外部使用混凝土和鋼筋增加截面積，以提高構件承載力和剛度；該方法不足之處在于工期較長。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，并采用更為優質的混凝土進行填充，以提高承載力；其不足之處在于，需對新舊混凝土連接處的粘結進行徹底的清理，以防影響新混凝土性能。

外包鋼加固法則采用鋼材對混凝土構件外部進行包裹，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，造價較高，且隨時間變化可能存在應力應變滯后的問題。粘貼纖維復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行粘貼，起到拉應力作用，以有效提高混凝土構件受剪力。該方法易于施工，不足之處在于耐火性差。

2.2? 地下室裂縫修補加固方案設計

通過對地下室混凝土裂縫溯源分析和裂縫發展分析，設計地下室裂縫修補加固方案如圖4所示。根據梁、柱構件的不同損傷情況，對裂縫進行修補加固。對于裂縫情況嚴重的柱子，采用置換混凝土加固法與碳纖維包裹布技術相結合進行施工。對于裂縫破壞情況一般的柱子采用注漿法，對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：對構件表面粉刷層或墊層開鑿，修復破損處，清除油污浮漿并打磨；進行底涂；進行碳纖維布粘貼，粘貼需保持碳纖維布平整；對碳纖維布固化，避免干擾；等到固化結束進行表面防護處理，并建造新增混凝土保護層。

3? ?混凝土裂縫修補加固方案性能評估

3.1? ?施工項目損害情況模擬評估

研究構建的用于地下室混凝土裂縫修補加固方案，首先需要對地下室各裂縫情況進行溯源分析匯總，對裂縫長度、裂縫寬度進行評估，總結裂縫形成因素，并對裂縫發展進行預測，之后再根據地理位置特點和影響因素，選取合適的裂縫修補加固方案。

3.1.1? ?施工項目評估

本文選取海南某工程地下室作為研究對象，對其夏季暴雨后，地下室受損情況進行評估，并給出裂縫修補加固方案。對多種工況下地下室各區域梁構件及柱構件抗浮穩定性進行演算評估，項目評估結果見表1。

從表1可知，地下室整體設計滿水位高度為36.6m，抗浮水位設計高度為32.7m。根據對地下室的實際調查情況認為，地下室在夏季暴雨后出現裂縫的主要原因，是受損區域構造層300mm厚和頂板1.50m厚覆土未施工，且地下室排水系統施工未完成，所以在多日陰雨天氣影響下，受損區域出現底板上浮。

在各項施工均完成且滿水位情況下，設計符合標準，但受損區域構造層300mm厚和頂板1.50m厚覆土未施工，且滿水位36.60m的工況下，受損區域抗浮穩定性為0.53，不能滿足設計標準。

3.1.2? ?裂縫寬度評估

依照《高層建筑混凝土結構技術規程》GB50010—2010，對正常使用情況下極限裂縫寬度進行演算并評估，得到裂縫寬度評估結果見表2。從表2可以看出，正常使用狀態下，受長期作用影響，梁頂底面最大裂縫寬度為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? ?地下室結構及裂縫發展情況模擬

使用Midas FEA NX構建混凝土和鋼筋的壓力-應變關系本構模型，對地下室結構應力及變形進行模擬，得到裂縫發展情況如圖5所示。迭代停止時梁柱節點的開裂狀況如圖6所示。

總體比較可知，隨著水浮力增加，水位到達筏板2.1m以上，水浮力達到21kN/m2時，迭代次數為7，筏板、頂板和梁柱節點已出現明顯開裂現象。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，與施工現場調查開裂情況吻合。

分析認為，由于水浮力的作用，立柱向上隆起對頂板施加沖切力產生裂縫，所以頂部裂縫主要出現在柱與頂板的連接區域，與施工現場調查開裂情況吻合。隨著底部受水浮力作用上拱推力，梁柱產生形變以抵抗推力，所以梁柱節點裂縫主要集中在頂板與梁的交接區域。柱體裂縫主要集中在柱端，柱腳處無裂縫，與施工現場調查開裂情況吻合。

在迭代過程中還發現，在迭代次數為6時，梁柱節點出現開裂。在迭代次數為7時，構件均出現明顯裂縫。迭代次數為8時，裂縫進一步擴散。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? ?地下室加固后的結構構件承載力模擬

基于以上對地下室工程評估以及混凝土裂縫分析及模型演算，綜合地下室梁、柱構件裂縫情況和混凝土裂縫情況進行破損評估，選取合適的裂縫修補加固方案進行施工，裂縫破壞情況嚴重的有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。對進行混凝土裂縫修補加固后的結構構件進行承載力演算。

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》GB50010—2010，對修補加固后的梁增大截面的結構和內力進行計算，得出的剪力設計包絡圖如圖7所示。從圖7可以看出，加固后剪力值產生變化，故選取梁座邊緣處剪力值970kN作為剪力設計值，符合斜截面加固后的承載力要求。

4? ?結束語

為了提高建筑安全性，對某地下室工程受損狀況進行研究，并根據地下室工程建設狀況、受損區域特點，結合置換混凝土加固法、碳纖維包裹布技術和注漿法等多種修補加固方法，對地下室混凝土裂縫進行針對性方案設計，研究得到以下成果：

梁頂底面最大裂縫寬度為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。加固后剪力值產生變化，選取梁座邊緣處剪力值970kN作為剪力設計值，符合斜截面加固后的承載力要求。

參考文獻

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