基于ANSYS的沉降后澆帶裂縫成因分析

張樂 王東溥 王一龍

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

隨著我國建筑行業(yè)高速發(fā)展，主樓帶多層裙房類型建筑大量出現(xiàn)，主樓與裙樓質(zhì)量上的差異導(dǎo)致其對(duì)地基的壓應(yīng)力大小、沉降量、沉降速度均不同。工程中常采用在主樓與裙樓間設(shè)置沉降后澆帶的方法消除沉降不均勻的影響，這樣雖滿足了建筑功能的需求，但因后澆帶裂縫導(dǎo)致的漏水問題卻難以根治，大部分后澆帶裂縫的處理都存在著反復(fù)開裂、修補(bǔ)成本高的問題[1]，根本原因就是沒有仔細(xì)分析裂縫的產(chǎn)生原因而盲目施工，因此對(duì)沉降后澆帶裂縫成因分析顯得尤為重要。

由于后澆帶的廣泛使用及防水工程的重要性，國內(nèi)外很多專家學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。商文念等[2]通過綜合考慮溫度、季節(jié)和基礎(chǔ)約束程度等因素提出不同情況下混凝土后澆帶臨界澆筑長度建議值；RUPAL A等[3]合成了一種新型的工業(yè)級(jí)瀝青與高分子(聚氨酯)添加劑的復(fù)合材料，用于研制防水保護(hù)膜；XU Z Q[4]通過分層考慮混凝土溫度變化和收縮變形，總結(jié)出幾種典型工況下混凝土裂縫深度和裂縫寬度的計(jì)算方法。我國為了提高地下室防水質(zhì)量,出臺(tái)了GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《設(shè)計(jì)規(guī)范》)和GB 50108—2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《防水規(guī)范》)，為地下室防水質(zhì)量提供了衡量指標(biāo),使得地下室防水設(shè)計(jì)及施工等有了可靠的依據(jù)。

本文以云南某工程沉降后澆帶裂縫為例，利用混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理計(jì)算本工程后澆帶在荷載作用下裂縫的最大寬度，結(jié)合有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬探究后澆帶裂縫成因和裂縫的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)而選用合適的防水材料并提出合理的堵縫措施，精準(zhǔn)、有效且節(jié)約成本地解決后澆帶裂縫導(dǎo)致的漏水問題，并為類似地下工程裂縫的治理提供參考。

1 工程概況

本工程位于云南省某大橋附近，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防基本烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g。本工程由兩棟建筑組成，一棟為地上13層、地下1層的酒店，另一棟為地上3層、地下1層的商業(yè)區(qū)。建筑總面積約10萬 m2，商業(yè)區(qū)地下室底板頂標(biāo)高為-5.1 m。兩棟建筑的地下室通過連廊進(jìn)行連接，為了控制不均勻沉降的影響，在連廊處設(shè)置沉降后澆帶，現(xiàn)場(chǎng)后澆帶如圖1所示。

圖1 后澆帶施工

施工單位在后澆帶施工完成后于后澆帶頂部設(shè)立了數(shù)個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)對(duì)后澆帶情況進(jìn)行觀測(cè)，經(jīng)一段時(shí)間觀測(cè)后發(fā)現(xiàn)：后澆帶施工結(jié)束20天時(shí)，附近出現(xiàn)少許水漬；到第50天，已經(jīng)出現(xiàn)大面積水漬且發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，經(jīng)檢測(cè)裂縫長為12 cm，寬為0.33 mm。

明顯漏水現(xiàn)象的發(fā)生足以說明后澆帶處的防水措施已經(jīng)失去作用，若對(duì)裂縫不進(jìn)行有效處理，則裂縫勢(shì)必會(huì)逐漸擴(kuò)大，漏水問題也會(huì)隨之加劇[5]。鑒于混凝土是以水泥為主要膠凝材料，與水、砂、石子按適當(dāng)比例調(diào)配，經(jīng)過均勻攪拌、密實(shí)成型及養(yǎng)護(hù)硬化而成的復(fù)合石材，其內(nèi)部存在著大量的微裂縫，這些微裂縫在多種因素影響下都可能會(huì)發(fā)展，因此在處理裂縫時(shí)不能盲目，必須探究裂縫產(chǎn)生的原因，進(jìn)而制定合適的解決裂縫的措施[6]。

2 理論計(jì)算

首先驗(yàn)證裂縫是否由于設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)本身剛度不足引起的，目前最大裂縫寬度ωmax的計(jì)算主要通過《設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出的根據(jù)粘結(jié)滑移-無滑移綜合理論得到的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，acr為構(gòu)件受力特征影響系數(shù)；ψ為鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)；Es為鋼筋彈性模量；σsk為按荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合計(jì)算的縱向受拉鋼筋應(yīng)力；cs為最外層縱向受拉鋼筋外邊緣到受拉區(qū)底邊的垂直距離；deq為受拉鋼筋等效直徑；ρte為鋼筋配筋率。

2.1 荷載計(jì)算

對(duì)于地下室外墻而言，回填土對(duì)其作用屬于線彈性范圍，所以在進(jìn)行荷載計(jì)算時(shí)可以將回填土對(duì)墻體的壓力視為靜止土壓力[7]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工資料可知本工程地下室底板頂標(biāo)高為-5.1 m，地下室外墻所使用混凝土等級(jí)為C30P6，墻高3.9 m，墻厚250 mm，在進(jìn)行荷載計(jì)算時(shí)可以將底板與外墻視為完全固結(jié)，頂端視為鉸接[8]，施工所在地的地下水位為-3.2 m，回填土的天然重度γ=19 kN/m3，有效重度γ'=9.2 kN/m3，水的重度γw=9.8 kN/m3，靜止土壓力系數(shù)K0取0.6[9]。綜上選定地下室外墻計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 計(jì)算簡(jiǎn)圖(單位：m)

圖2中4個(gè)點(diǎn)的壓力值分別為

0點(diǎn)：σ0=K0γh0=13.68 kPa

1點(diǎn)：σ1=K0γ(h0+h1)=36.48 kPa

2點(diǎn)：σ2=K0γ(h0+h1+h2)=58.14 kPa

3點(diǎn)：σ3=γwh2=18.62 kPa

靜止土壓力的合力E0為

靜水壓力對(duì)墻體的合力Ew為

則有：

σ底=σ2+σ3=76.76 kPa

E總=E0+Ew=177.23 kPa

E0和Ew的合力作用點(diǎn)到墻底部的距離為

其中h0=1.2 m，h1=2 m，h2=1.9 m。

根據(jù)上述計(jì)算可以得出，實(shí)際工程中荷載對(duì)地下室外墻的作用可以等效為大小為177.23 kN/m的均布荷載沿著水平方向作用于距離墻底部1.29 m處。

2.2 裂縫寬度計(jì)算

考慮到后澆帶裂縫成因的復(fù)雜性，為了探究裂縫產(chǎn)生的本質(zhì)，現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行理論分析。沿高度方向取1 m寬的外墻作為計(jì)算單元，由上文計(jì)算得出均布荷載大小為177.23 kN/m，結(jié)合設(shè)計(jì)資料得出裂縫寬度計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 裂縫寬度計(jì)算簡(jiǎn)圖(單位：m)

由現(xiàn)場(chǎng)施工資料可知每米寬C12混凝土的基本數(shù)據(jù)如下：面積AS=565 mm2，寬b=1 000 mm，高h(yuǎn)=250 mm，有效高度h0=200 mm，混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.01 N/mm2，鋼筋彈性模量ES=2×105N/mm2。根據(jù)《設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出的計(jì)算方法和取值范圍可得：

將上述數(shù)據(jù)代入前文半理論半經(jīng)驗(yàn)公式，得出在荷載作用下該沉降后澆帶最大裂縫寬度ωmax=0.1 mm。這個(gè)結(jié)果表明若本工程結(jié)構(gòu)施工合理則該沉降后澆帶在此荷載作用下產(chǎn)生的裂縫的最大寬度應(yīng)為0.1 mm，滿足《防水規(guī)范》的要求。

3 數(shù)值分析

鑒于后澆帶裂縫發(fā)展的復(fù)雜性，建立有限元模型可以更直觀地了解裂縫內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)值的變化，有利于分析裂縫產(chǎn)生的根本原因和潛在裂縫的發(fā)展情況；鑒于有限元軟件ANSYS中含有裂縫有限元模塊，可對(duì)裂縫信息進(jìn)行定義，能清楚地反映裂縫的應(yīng)力和應(yīng)變，故本文借助ANSYS對(duì)后澆帶處裂縫進(jìn)行模擬。

3.1 模型建立

為了提高模型計(jì)算速度及對(duì)裂縫分析的針對(duì)性，不必對(duì)整個(gè)后澆帶進(jìn)行模擬，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況取等效裂縫模型長度1 m，寬度0.25 m，等效裂縫寬度為0.03 m，位置位于模型中間，如圖4所示。

圖4 裂縫模型

由于裂縫尖端和上下邊界的受力往往更加復(fù)雜，為了更好地觀察裂縫尖端和邊界受力情況，可以將這兩部分的網(wǎng)格劃分的更加細(xì)致，網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 模型網(wǎng)格劃分

模型的上下受到拉裂作用，故在模型左右兩端添加約束限制其移動(dòng)[10]。由上述荷載計(jì)算可知裂縫處受到拉力大小為354.44 MPa，將其添加到模型中，約束與荷載施加如圖6所示。

圖6 模型荷載與約束

基于ANSYS有限元軟件對(duì)裂縫模型的模擬方式，對(duì)于裂縫的模擬要定義其裂縫信息，為了使模型更貼近實(shí)際工程，首先將裂縫前沿上的節(jié)點(diǎn)定義為節(jié)點(diǎn)組件，而對(duì)于裂縫紋面法向的定義，ANSYS可以自動(dòng)生成裂縫的擴(kuò)展矢量并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成為單位向量[11]。鑒于裂縫無規(guī)則非對(duì)稱的幾何特點(diǎn)，要在有限元軟件中關(guān)閉對(duì)稱功能。

3.2 求解與分析

在為模型定義完各種參數(shù)后就可以進(jìn)入計(jì)算環(huán)節(jié)，計(jì)算完成后可以得出包含應(yīng)力、位移等云圖，通過分析云圖中的信息可以更加直觀地了解裂縫的情況，進(jìn)而針對(duì)性地提出封堵措施。

圖7為裂縫的位移云圖，從位移云圖可以看出模型中最大位移為0.207 mm，產(chǎn)生于模型的邊界，說明荷載對(duì)裂縫邊界變形的影響更大，模型中裂縫的最大位移為0.104 mm，這個(gè)數(shù)據(jù)跟前文理論分析得到的0.1 mm相差無幾，由此可見模型的建立符合理論受力情況；受力最復(fù)雜的裂縫尖端處的最大位移為0.051 8 mm，尖端四周的位移值在此基礎(chǔ)上越來越小，這說明裂縫沿著水平方向延伸的概率很小。

圖7 裂縫位移云圖

圖8是裂縫x方向上的位移云圖，反映豎向裂縫潛在的發(fā)展區(qū)域，圖中淺藍(lán)色區(qū)域代表位移值較小，紅色區(qū)域代表位移較大，由云圖得出裂縫潛在發(fā)展區(qū)域的發(fā)展值遠(yuǎn)小于0.3 mm，符合《防水規(guī)范》的規(guī)定，故實(shí)際工程中對(duì)該區(qū)域無須進(jìn)行處理。

圖8 裂縫x方向位移云圖

圖9為裂縫尖端的應(yīng)力云圖，從云圖可以得出裂縫尖端處的應(yīng)力最集中，應(yīng)力值也最大，說明如果裂縫延伸則會(huì)從裂縫尖端部分開始。結(jié)合理論研究和有限元模擬分析可知潛在的裂縫發(fā)展區(qū)域?yàn)樵芽p四周，為了防止出現(xiàn)新的裂縫和對(duì)現(xiàn)有裂縫進(jìn)行處理，要選擇特定的可以承受圖中相應(yīng)位移的彈性材料作為填補(bǔ)材料，該材料在注入到裂縫處后可以跟周圍的混凝土固結(jié)，進(jìn)而達(dá)到堵漏的目的。

圖9 裂縫應(yīng)力云圖(局部)

4 后澆帶裂縫成因分析

由上述分析可知在荷載作用下該沉降后澆帶最大裂縫寬度為0.1 mm，滿足《防水規(guī)范》關(guān)于裂縫寬度的規(guī)定，表明本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足荷載要求，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際發(fā)現(xiàn)的裂縫寬度為0.33 mm。根據(jù)本工程其他部位裂縫寬度滿足要求，且沒有發(fā)現(xiàn)滲水的實(shí)際，分析認(rèn)為混凝土材料選用、配比、坍落度、澆筑等方面原因可能性小。經(jīng)仔細(xì)查閱施工資料，認(rèn)為引起開裂主要原因有：①《防水規(guī)范》要求沉降后澆帶混凝土澆筑至少在兩側(cè)混凝土齡期達(dá)到42天后進(jìn)行，而施工單位為了追趕工期，在第41天就進(jìn)行了澆筑，此時(shí)混凝土收縮膨脹還未完全，給后澆帶質(zhì)量留下隱患。②由上述對(duì)模型的分析可知，后澆帶中多處裂縫均處于隱形發(fā)展階段，當(dāng)外界荷載增加，如長時(shí)間停車、回填土堆積等都可能促使裂縫的發(fā)展。

5 裂縫堵漏施工

5.1 堵縫方法及防水材料的選用

(1)通過上述ANSYS模型和理論計(jì)算分析可得后澆帶出現(xiàn)裂縫是由于施工導(dǎo)致的混凝土質(zhì)量缺陷，針對(duì)本工程裂縫特點(diǎn)擬使用高壓注漿法來治理后澆帶裂縫[12]，該方法具有施工工藝簡(jiǎn)單、效果明顯、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

(2)根據(jù)前文理論分析和數(shù)值模擬，選擇水溶性聚氨酯注漿液作為注漿材料。水溶性聚氨酯注漿液是一種具有彈性的高分子材料，主要由氰酸酯和多羥基聚醚合成，具有穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、無污染等特點(diǎn)。在注入進(jìn)裂縫中后，該材料會(huì)與水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生一定的壓力，壓力可以將漿液擠入裂縫細(xì)微處，使得裂縫被徹底充滿，之后漿液逐漸固結(jié)，形成性能穩(wěn)定的彈性體物質(zhì)，阻止裂縫發(fā)展和水分侵入[13]，符合本工程對(duì)堵縫材料的需求。

5.2 施工流程及施工方法

(1)施工流程如圖10所示。

圖10 施工流程

(2)施工方法及注意事項(xiàng)：①基層處理：清理灰塵、突起物等影響施工的雜質(zhì)，確保基層表面堅(jiān)實(shí)、平整、干凈，有明水的及時(shí)掃除。②設(shè)置注漿孔：使用手提式電鉆沿裂縫兩側(cè)鉆孔，鉆頭要與混凝土面有一定夾角，鉆孔深度不宜過大，防止注漿液體的浪費(fèi)。③注漿：注漿是進(jìn)行裂縫封堵至關(guān)重要的一步，注漿時(shí)要注意單孔注漿直到鄰孔出漿后繼續(xù)保持5～7 min才可以結(jié)束本孔灌注，再將注漿機(jī)移至下一個(gè)注漿孔，重復(fù)以上操作步驟在全部的注漿孔都注漿完成后，為了保證注漿孔內(nèi)的壓力要重新回到第一個(gè)注漿孔重復(fù)灌注一次。④結(jié)束注漿：等到孔內(nèi)壓力穩(wěn)定后還要繼續(xù)注漿2 min左右方可停止注漿。 ⑤封孔：注漿結(jié)束后要定期觀察，若一周后沒有注漿液從裂縫中流出則說明注漿液的固結(jié)效果明顯，此時(shí)方可卸下注漿嘴，并使用水泥砂漿對(duì)封口進(jìn)行抹平。

5.3 防水效果

對(duì)該工程地下室后澆帶處的裂縫進(jìn)行封堵后，表面水漬消失，墻體干燥。經(jīng)過長時(shí)間觀察后發(fā)現(xiàn)裂縫封堵處出現(xiàn)了面積為0.06 m2的濕漬，小于《防水規(guī)范》中單個(gè)濕漬面積不大于0.1 m2的規(guī)定，滿足安全使用的條件，說明理論分析和ANSYS模型的建立貼合實(shí)際情況，堵漏材料選擇恰當(dāng)，后澆帶裂縫的封堵和工程防水取得了良好的效果。

6 結(jié)論

本文以云南某工程地下室外墻后澆帶裂縫為例，通過理論分析結(jié)合有限元軟件ANSYS建立的數(shù)值模型，分析了后澆帶裂縫產(chǎn)生的原因和潛在裂縫的發(fā)展趨勢(shì)，提出了有效的后澆帶堵漏措施，為類似工程提供參考。主要結(jié)論如下：

(1)混凝土作為復(fù)合材料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在眾多的結(jié)合面。這些結(jié)合面隱藏著大量的微裂縫，故想要完全消除混凝土裂縫是不現(xiàn)實(shí)的，只有在保證建筑安全使用的前提下限制裂縫發(fā)展。

(2)不同建筑的裂縫成因各不相同，故對(duì)裂縫的封堵不能盲目，必須深入分析裂縫成因，選擇合適的堵縫方法與堵縫材料。

(3)建筑防水是集材料、設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)為一體的綜合性、系統(tǒng)性工程,它們之間既各自獨(dú)立,又互為關(guān)聯(lián)，要建造一個(gè)優(yōu)質(zhì)工程，在施工中一定要抓好每一道工序的施工質(zhì)量。