徐爱霞

(北京市水利规划设计研究院,北京 100048)

钢筋混凝土结构破坏倒塌的工程质量事故,绝大多数是从裂缝的产生,扩展开始的。从近代科学关于混凝土工作的研究及大量的混凝土工程实践证明,混凝土结构裂缝是不可避免的。

裂缝是人们可以接受的一种材料特性,只要使有害程度控制在某一有效范围之内。只要仔细观察不难发现,普通的钢筋混凝土结构一般又都是带裂缝受力工作的,如果借助仪器甚至还可以发现裂缝是时刻发生变化的。随着裂缝的发展变化,结构构件的耐久性和适用性会不同程度的降低,严重的甚至会导致结构构件的破坏。

因此研究裂缝的形态,分析裂缝对结构功能的影响并加以修补是结构设计中一个十分重要的课题。

1 工程概况

南水北调中线工程是我国投巨资兴建的大型输水工程,是惠及子孙后代的重大基础性战略工程。笔者参与设计的惠南庄泵站是南水北调中线向首都供水的控制性工程,也是南水北调中线工程的标志性建筑物,工程投资8.8亿。惠南庄泵站是南水北调中线工程总干渠上北京段实现管涵加压方案、小流量自流、大流量加压的控制扬水的综合性工程,是南水北调中线工程总干渠上唯一的一座大型加压泵站。

惠南庄泵站副厂房与主厂房紧贴布置,副厂房位于主厂房下侧。主副厂房间地下贴近部分设40mm宽结构缝。副厂房长114.6m,宽16.44m,地下三层 (B1层高4.8m,B2、B3层高5.8m),地上四层 (局部五层),为框架剪力墙结构,平面布置示意图如图1所示。

副厂房中段采用筏板基础,两端B1轴和B20轴框架柱采用独立基础,副厂房框架填充墙材料为加气混凝土砌块墙。副厂房底板厚度为1.5m,北剪力墙总长度为102.6m,厚度为600mm,由于剪力墙外后期要回填,为提高剪力墙的整体刚度,中间设置混凝土柱。剪力墙混凝土采用强度等级为C30微膨胀混凝土,中间设有两道长度为2m、强度等级为C35,与剪力墙同时浇筑的加强微膨胀混凝土带。

在施工完成一段时间后,发现副厂房B1、B2层北剪力墙内外侧均出现了多处垂直的竖向裂缝,裂缝分布的特点是在剪力墙靠近中部B7轴-B13轴36m范围出现裂缝,有些裂缝从B2层延伸到B1层。

为评估该裂缝对该工程的安全影响,确保该工程的正常使用,现对该剪力墙裂缝进行检测并提出处理意见。

图1 惠南庄泵站副厂房平面布置示意图

2 剪力墙裂缝检测

为表述清楚,文中首先简要介绍剪力墙的相关设计资料及施工过程。

赵琦美承其父赵用贤的藏书，而筑脉望馆藏书楼。戴明扬书中引钱曾《读书敏求记》言：“清常(赵琦美号清常)没，其书尽归牧翁(钱谦益号)。”

2.1 设计及施工概况

惠南庄泵站副厂房基础、筏板、墙、柱、梁、板混凝土强度等级为C30,底板和外墙混凝土抗渗等级为W6,底板和墙体为膨胀混凝土,标号为C30W6F150(90天龄期),底板混凝土膨胀率1.5/万～2.5/万,墙体混凝土膨胀率 2.5/万 ～3.5/万,内部梁板柱均为普通C30混凝土,混凝土均为二级配。

底板和墙体膨胀加强带混凝土采用C35W6F150(90d龄期),膨胀率 3.5/万～4.5/万。墙体混凝土浇筑采用台阶法浇筑,分层厚度50cm,台阶长度为6～8m,分层方式与布料方向如图2所示。

图2 剪力墙混凝土浇筑分层示意图

2.2 地下剪力墙裂缝检测

根据现场实际情况,依据 《超声法检测混凝土缺陷技术规程》 (CECS 21︰2000),采用 RSUT01C非金属声波检测仪进行单面平测法测定剪力墙混凝土裂缝深度。

平测时应在裂缝的被测部位,以不同的测距,按跨缝和不跨缝布置测点 (布置测点时应避开钢筋的影响)进行测量。对测量结果进行分析处理得出裂缝深度,以判断是否为贯穿性裂缝。

在实际检测中对裂缝长度较长,且裂缝宽度较宽的位置进行了重点检测。

此次检测的29条裂缝宽度均大于0.2mm(根据现行的建筑结构规范,地下室外剪力墙最大裂缝宽度允许值在0.2mm以内),裂缝深度都大于钢筋保护层厚度 40mm,最大裂缝深度为203mm。虽然检测没有发现贯穿性裂缝,但是裂缝深度已经超过钢筋保护层厚度 (40mm),裂缝宽度也超出规范限值,使混凝土保护层失去了对剪力墙内钢筋的防锈蚀保护作用,对结构的耐久性及防水性均产生了不利影响。因此对于副厂房B1、B2层北剪力墙的裂缝必须进行工程处理。

3 有限元计算

惠南庄泵站副厂房地下剪力墙外侧需回填土,回填土对地下剪力墙,特别对已经发生的裂缝会产生作用。本文采用三维有限元方法,研究地下剪力墙裂缝对整体结构影响,特别是墙体裂缝在回填土后对结构的影响。

3.1 有限元计算模型

根据裂缝检测结果,现选取裂缝发生比较集中区域的地下剪力墙北墙段作为计算对象,考虑到边界条件影响,计算域适当放大,其左右各增加半跨剪力墙,并增加半跨楼板。

采用三维有限元分析软件ABAQUS建立该剪力墙的有限元模型,建模时以B11→B10方向 (平行于剪力墙)为x轴,以垂直于剪力墙方向为y轴,z轴向上。地下剪力墙作为研究重点,分别考虑了裂缝、配筋,墙厚60cm。裂缝主要考虑缝宽、缝深较大的8条。配筋分为水平筋、竖向筋,水平筋布置采用φ 18@150,竖向筋布置采用 φ 22@150。底板厚150cm,结构肋墙厚80cm,楼板厚15cm。

计算采用三维有限元,全面考虑以上不同材料分区,共设置了7种介质。计算模型共剖分网格单元数为143627个,其中实体单元98001个,缝单元318个,钢筋单元45308个,结点数为115089个。

应力计算时,计算域边界条件为:底部垂直方向固定,三个截面水平方向固定,其余方向自由。

3.2 计算荷载及计算工况

由于副厂房地下剪力墙外要回填土,回填土对地下剪力墙影响是本研究的重点。计算荷载主要考虑自重、回填土重、侧向土压力、水压力。

为了便于比较裂缝产生、楼板约束对剪力墙的影响,本研究分别计算了在有、无楼板约束条件下,有、无裂缝的剪力墙的应力状态。具体计算工况及荷载组合如表1。

表1 计算工况及荷载组合

3.3 有限元计算结果分析

根据以上计算模型及计算工况,采用非线性有限元分析通用软件ABAQUS,对惠南庄泵站副厂房地下剪力墙进行整体三维有限元分析。

(1)根据剪力墙变形分析,在剪力墙外侧填土情况下,墙体受到侧向土压力及水压力作用,墙体外侧受压、内侧受拉,裂缝产生只改变了裂缝周围局部状态,对其它位置的影响甚微。

(2)根据应力分布,剪力墙与底板、结构肋墙、楼板的连接部位等是拉应力集中区域,墙体应力主要表现为外侧受压、内侧受拉,墙体是否有裂缝对整体结构应力影响不大,裂缝周围虽受到裂缝影响,但范围不大,缝端并未产生应力集中。楼板支撑作用大大减小了剪力墙变形,降低了结构的应力水平;结构自重也降低了结构的应力水平。

(3)根据裂缝周围典型断面变形,以及裂缝周围典型断面第一主应力分布分析,剪力墙外侧裂缝处于受压状态,内侧裂缝处于受拉状态,内侧裂缝释放了墙表面的拉应力,但影响范围很小,缝端并未出现明显的应力集中,裂缝进一步发展的可能性较小。

3.4 分析结论及建议

根据副厂房B1、B2层北剪力墙墙体的裂缝情况,检测方提出裂缝处理建议。

(1)由于剪力墙外侧填土,墙体受到侧向土压力及水压力作用,墙体外侧受压、内侧受拉,裂缝存在只改变了裂缝周围局部应力状态,对整体结构的影响甚微。

(2)剪力墙与底板、结构肋墙、楼板的连接部位等是拉应力集中区域。楼板支撑作用大大减小了剪力墙变形,降低了结构的应力水平;结构自重也降低了结构的应力水平。

(3)剪力墙外侧裂缝处于受压状态,其宽度减小最大0.0055mm,内侧裂缝处于受拉状态,其宽度增加最大 0.0083mm,宽度的变化最大不超过0.01mm,变化很小。

(4)由于回填土后裂缝宽度变化很小,缝端并未出现明显的应力集中,裂缝进一步发展的可能性较小,裂缝处理可采用涂刷水泥基渗透结晶型防水材料表面封闭法或化学灌浆法修补混凝土出现的裂缝,以恢复结构的整体性和使用功能,但应注意对裂缝的后期观测。

4 地下剪力墙裂缝的修补方法

按照以上的检测分析结果要求,结合《混凝土加固设计规范》的规定,本工程采用裂缝表面封闭法,封闭材料采用国外某化学公司生产的水泥基渗透结晶系列防水材料。

4.1 施工安排

由于副厂房北墙北侧基坑急于回填,本工程计划先行安排处理北侧墙体裂缝,条件满足后再安排厂房内部裂缝的处理。

其中北墙北侧裂缝的处理随回填高度的上升逐步进行,每次上升2～3m。

4.2 气候要求

根据厂家产品性能的要求,防水涂料不能在雨中或环境温度低于4℃时施工,因此,施工部门计划在作业面外侧利用脚手架和三色布搭设简易防护棚,并在防护棚内设置电暖气或火炉,以达到作业环境温度,满足涂刷作业要求。

4.3 施工方法

根据产品资料和厂家技术人员的施工经验,防水涂料的涂刷只需在裂缝两侧各10cm范围即可,但考虑本工程的特殊性和重要性,施工部门计划将涂刷范围扩大至裂缝两侧各15cm,裂缝两端延伸至裂缝端点外30cm,对局部裂缝比较集中的部位进行全范围满刷。

5 结论及建议

通过对惠南庄泵站副厂房地下剪力墙裂缝受力状况分析,揭示剪力墙墙体外侧受压、内侧受拉,裂缝存在只改变裂缝周围局部应力状态,对整体结构的影响甚微,楼板支撑与结构自重都降低了结构的应力水平,填土后缝端并未出现明显的应力集中,裂缝进一步发展的可能性较小。建议裂缝处理可采用涂刷水泥基渗透结晶型防水材料表面封闭法修补混凝土出现的裂缝。

使用该建议方法对剪力墙修补后,经一年多的使用跟踪观察,结构上未出现其它问题,说明本文有限元分析的结论是可靠的,从而验证了根据有限元计算结果所采用的裂缝修补方法是合理有效的。

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