面向地下室结构加固的混凝土裂缝修补方法研究

罗凤林

摘要：地下室建造对结构防水、防漏性能要求更高，而混凝土裂缝又是重大安全隐患问题，为了提高建筑安全性，对某地下室工程受损状况进行研究，并根据地下室工程建设状况、受损区域特点，结合置换混凝土加固法、碳纤维包裹布技术和注浆法等多种修补加固方法，对地下室混凝土裂缝进行针对性方案设计。研究结果表明，加固后剪力值产生变化，梁座边缘处剪力值达到970kN，符合加固后的承载力要求。

关键词：地下室；结构加固；混凝土；裂缝修补；模型分析

0   引言

房屋建造的主要结构材料为钢筋混凝土，混凝土通常采取现场作业的方式进行施工，先将混凝土、钢筋、泥沙等原材料运输到作业现场后，然后进行搅拌混合，制造所需部件。混凝土是由胶结料﹑粗细集料和水，按一定的比例配制，经搅拌﹑捣实成型﹑养护硬化而成的一种人造石材，一般所说的混凝土是指水泥混凝土[1]。

混凝土具备抗压强度高、和易性优、防水抗渗等优点，但是其抗拉强度较低，极易受应力影响开裂，产生裂缝。混凝土裂缝危害众多，其会减小混凝土部件的受力性能，降低承载力，危害建筑安全，且一旦产生裂缝，混凝土内部结构暴露于空气中，容易产生钢筋锈蚀、侵蚀等问题，大幅度降低建筑安全使用年限。

高层建筑的大型地下室建造，对结构防水、防漏性能要求更高。高层建筑的大型地下室建造过程中，若对混凝土裂缝处理不当，极易使裂缝发生扩散，造成重大安全隐患[2]。基于此，为了提高地下室建筑的安全性，本文对地下室结构加固的混凝土裂缝修补方法进行研究。

1   裂缝成因及数值模型构建

1.1   混凝土裂缝成因分析

混凝土裂缝形成是内界结构和外界环境共同作用的结果。混凝土材料特性为脆性，在外界环境施加的荷载作用和非荷载作用影响下，均会产生裂缝。荷载作用包括静荷载、动荷载和其他荷载，直接裂缝是由荷载作用直接引起的裂缝。非荷载作用下拉应变达到极限拉应变值时，混凝土內部结构引起形变，从而产生混凝土裂缝，混凝土收缩、混凝土内外温差、不均匀沉降、设计问题、施工质量、混凝土耐久性等，均会形成非荷载作用。

混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内将产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。某些大跨径桥梁的温度应力，可以达到甚至超出活载应力。温度裂缝区别其他裂缝最主要特征是随温度变化而扩张或合拢。

本文某一地下室工程项目为例，进行混凝土裂缝分析。该项目结构及受损区域见图1。7月雨季过后，地下室防水板、柱、梁、顶板出现大量裂缝，对施工现场裂缝进行详细调查发现，梁顶裂缝为横向裂缝和斜向裂缝交错，裂缝产生原因主要是水浮力令结构位移。柱子裂缝多位于柱顶，柱周、柱脚少量分布，主要原因是水浮力过大使地下室变形，产生了附加轴力、剪刀和弯矩。部分抗水板的裂缝则是因排水系统未完成，造成降水堆积，水浮力增大，引发底板上拱。

1.2   地下室破损部位数值模拟分析

对实际施工状况进行调查可知，抗浮措施施工不到位，受损区域构成层和顶部回填土未完成，且地下室降水系统未完成施工。基于混凝土结构设计规范，对正常状态下的裂缝宽度进行裂缝宽度的验算。通过理论计算可知，典型梁、柱构件在正常使用状态下的裂缝宽度符合相关规范限值要求。基于上述分析对地下室破损部位进行数值模拟分析，选取地下室部分区域进行数值模拟计算。地下室破损区域建模如图2所示。

选取地下室受损区域的4根立柱，与混凝土立柱对应的顶板和底板构成简化模型，以该区域为例进行数值模拟计算。使用土木工程专用分析软件Midas FEA NX，对水浮力作用进行分析，根据调查获得的混凝土弥散裂缝材料本构建模，计算得到混凝土裂缝应力结果，对裂缝发展趋势进行观察预测[3-4]。弥散裂缝模型以裂缝为单元边界，若裂缝位置或节点变动，需要重新划分网格，保证裂缝位于相邻边界之间。

该模型假设单元内产生的裂缝是无数条平行直线，与裂缝方向平行的裂缝面上材料依然能够继续承受拉应力，同时也能够维持该方向的弹性模量不发生任何变化。在与裂缝方向垂直的裂缝面上时，此时材料则不再能继续承受拉应力，且这种情况下弹性模量值是零。

1.3   混凝土与钢筋压力-应变关系本构模型设计

基于Midas FEA NX，构建混凝土和钢筋的压力-应变关系本构模型[5]。在该软件中本构模型关系构建，采用非线性弹性理论和弹塑性理论。在定义钢筋属性时，采取植入式桁架单元。采取这种方式的优势是能够直接将钢筋刚度置于母单元中，不需要手动考虑节点耦合，不需要与实体单元共用节点，这就意味着钢筋不再视为一种具有节点的单元。

基于裂缝数据的特点，采用非线性分析方法进行迭代，迭代过程时间与位移及位移增量关系见式（1）：

t+△tu=t u+△u               （1）

式中：t表示时间，△t表示时间增量，△u表示△t对应的总位移增量，时间增量的非线性迭代分析见式（2）：

△u=∑ni=1δui                 （2）

式中：δui为第i次迭代时的位移增量。

对于δui+1有计算式见（3）：

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

{  gi=t+△t?ext-?int，i

式中：t+△t?ext为△t+t时的外部作用力；?int，i指内部作用力，基于材料Path-dependent（路径依存）特性计算；Ki+1表示切线刚度。

该算法有两个终止条件，其一是单元应变从时间t时开始计算累计位移到时间△t+t时达到收敛，并将此最终收敛状态保存；其二是迭代过程到达预设置的收敛条件时自动停止迭代。

收敛条件需根据目标对象及假设条件确定，在迭代过程中，每次迭代后均进行判定是否满足条件，收敛条件分为内部作用力收敛、位移收敛和能量收敛。

2   混凝土裂缝修补与加固方案设计

2.1   通用总体加固方案分析

2.1.1   各项影响因素分析

地下室混凝裂缝修补加固前，需要先对裂缝起因、特性和类别进行检测判断。通过充分检查、调研、检测，并对裂缝环境进行调查，综合分析各项影响因素并进行可靠性鉴定后，才能最终确定混凝土裂缝修补加固方案。

2.1.2   常见裂缝修补方法分析

根据裂缝宽度、深度及混凝土结构材料不同，可分为表明修补法、灌浆法、填充法。表面修补法主要针对裂缝宽度≤0.2mm，对结构承载力无影响或是影响较小的表面裂缝，适宜于对裂缝进行的防渗漏预处理。灌浆法主要针对裂缝宽度在0.1～1.5mm的独立性裂缝或贯穿性裂缝进行处理，或者用于对一些蜂窝缺陷的混凝土结构进行补强和封闭。填充法适宜于对裂缝宽度大于0.5mm的裂缝进行处理，主要是对裂缝进行开凿，并根据裂缝性质和目标状态选择材料进行填充。

2.1.3   常见加固方案分析

地下室加固方案设计分为对混凝土裂缝的加固方案设计和构件加固方案设计。需注意的是，裂缝修补和加固經常是多种方法并行施工，混凝土裂缝都是承载力不足导致的，所以加固也需要采取合理的加固方法对承载力进行恢复提高。加固方法主要包括增大截面加固法、置换混凝土加固法、外包钢加固法、粘贴纤维复合材加固法。常见裂缝修补与加固方案如图3所示。

增大截面加固法是最常用的混凝土加固方法，其是在构件外部使用混凝土和钢筋增加截面积，以提高构件承载力和刚度；该方法不足之处在于工期较长。置换混凝土加固法是将存在蜂窝、孔洞、夹渣等缺陷部位或承载力不足部位的混凝土剔除，并采用更为优质的混凝土进行填充，以提高承载力；其不足之处在于，需对新旧混凝土连接处的粘结进行彻底的清理，以防影响新混凝土性能。

外包钢加固法则采用钢材对混凝土构件外部进行包裹，并在之间填充特定材料，以增加共同受力。但该方法用钢量较大，造价较高，且随时间变化可能存在应力应变滞后的问题。粘贴纤维复合材加固法也是一种外表面加固法，它使用树脂类的胶黏剂将碳纤维布等材料进行粘贴，起到拉应力作用，以有效提高混凝土构件受剪力。该方法易于施工，不足之处在于耐火性差。

2.2  地下室裂缝修补加固方案设计

通过对地下室混凝土裂缝溯源分析和裂缝发展分析，设计地下室裂缝修补加固方案如图4所示。根据梁、柱构件的不同损伤情况，对裂缝进行修补加固。对于裂缝情况严重的柱子，采用置换混凝土加固法与碳纤维包裹布技术相结合进行施工。对于裂缝破坏情况一般的柱子采用注浆法，对于裂缝破坏情况轻微的柱子则采用表面封闭法。

碳纤维加固施工流程如下：对构件表面粉刷层或垫层开凿，修复破损处，清除油污浮浆并打磨；进行底涂；进行碳纤维布粘贴，粘贴需保持碳纤维布平整；对碳纤维布固化，避免干扰；等到固化结束进行表面防护处理，并建造新增混凝土保护层。

3   混凝土裂缝修补加固方案性能评估

3.1   施工项目损害情况模拟评估

研究构建的用于地下室混凝土裂缝修补加固方案，首先需要对地下室各裂缝情况进行溯源分析汇总，对裂缝长度、裂缝宽度进行评估，总结裂缝形成因素，并对裂缝发展进行预测，之后再根据地理位置特点和影响因素，选取合适的裂缝修补加固方案。

3.1.1   施工项目评估

本文选取海南某工程地下室作为研究对象，对其夏季暴雨后，地下室受损情况进行评估，并给出裂缝修补加固方案。对多种工况下地下室各区域梁构件及柱构件抗浮稳定性进行演算评估，项目评估结果见表1。

从表1可知，地下室整体设计满水位高度为36.6m，抗浮水位设计高度为32.7m。根据对地下室的实际调查情况认为，地下室在夏季暴雨后出现裂缝的主要原因，是受损区域构造层300mm厚和顶板1.50m厚覆土未施工，且地下室排水系统施工未完成，所以在多日阴雨天气影响下，受损区域出现底板上浮。

在各项施工均完成且满水位情况下，设计符合标准，但受损区域构造层300mm厚和顶板1.50m厚覆土未施工，且满水位36.60m的工况下，受损区域抗浮稳定性为0.53，不能满足设计标准。

3.1.2   裂缝宽度评估

依照《高层建筑混凝土结构技术规程》GB50010—2010，对正常使用情况下极限裂缝宽度进行演算并评估，得到裂缝宽度评估结果见表2。从表2可以看出，正常使用状态下，受长期作用影响，梁顶底面最大裂缝宽度为0.26mm，最大裂缝宽度限值为0.2mm，柱极限裂缝宽度为0.177mm，宽度限值0.2mm。

3.2   地下室结构及裂缝发展情况模拟

使用Midas FEA NX构建混凝土和钢筋的压力-应变关系本构模型，对地下室结构应力及变形进行模拟，得到裂缝发展情况如图5所示。迭代停止时梁柱节点的开裂状况如图6所示。

总体比较可知，随着水浮力增加，水位到达筏板2.1m以上，水浮力达到21kN/m2时，迭代次数为7，筏板、顶板和梁柱节点已出现明显开裂现象。受到水浮力影响，立柱之间筏板的开裂集中在中部，四周呈离散分布，与施工现场调查开裂情况吻合。

分析认为，由于水浮力的作用，立柱向上隆起对顶板施加冲切力产生裂缝，所以顶部裂缝主要出现在柱与顶板的连接区域，与施工现场调查开裂情况吻合。随着底部受水浮力作用上拱推力，梁柱产生形变以抵抗推力，所以梁柱节点裂缝主要集中在顶板與梁的交接区域。柱体裂缝主要集中在柱端，柱脚处无裂缝，与施工现场调查开裂情况吻合。

在迭代过程中还发现，在迭代次数为6时，梁柱节点出现开裂。在迭代次数为7时，构件均出现明显裂缝。迭代次数为8时，裂缝进一步扩散。但是梁柱的破坏在迭代全程都集中于柱子上端，柱脚未见开裂。

3.3   地下室加固后的结构构件承载力模拟

基于以上对地下室工程评估以及混凝土裂缝分析及模型演算，综合地下室梁、柱构件裂缝情况和混凝土裂缝情况进行破损评估，选取合适的裂缝修补加固方案进行施工，裂缝破坏情况严重的有34处，裂缝破坏情况一般的有33处，裂缝破坏情况轻微的有9处。对进行混凝土裂缝修补加固后的结构构件进行承载力演算。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》GB50010—2010，对修补加固后的梁增大截面的结构和内力进行计算，得出的剪力设计包络图如图7所示。从图7可以看出，加固后剪力值产生变化，故选取梁座边缘处剪力值970kN作为剪力设计值，符合斜截面加固后的承载力要求。

4   结束语

为了提高建筑安全性，对某地下室工程受损状况进行研究，并根据地下室工程建设状况、受损区域特点，结合置换混凝土加固法、碳纤维包裹布技术和注浆法等多种修补加固方法，对地下室混凝土裂缝进行针对性方案设计，研究得到以下成果：

梁顶底面最大裂缝宽度为0.26mm，最大裂缝宽度限值为0.2mm，柱极限裂缝宽度为0.177mm，宽度限值0.2mm。裂缝情况严重的有34处，裂缝破坏情况一般的有33处，裂缝破坏情况轻微有9处。加固后剪力值产生变化，选取梁座边缘处剪力值970kN作为剪力设计值，符合斜截面加固后的承载力要求。

参考文献

[1] 胡小云.新型偶联剂改良超疏水混凝土工程性能研究[J].水利技术监督，2022（4）：194-234.

[2] 刘江.超薄型混凝土防渗墙施工技术在水闸工程的应用[J].水利技术监督，2023（2）：260-263.

[3] 周耀，王若琪，刘斌，等.微生物修复混凝土裂缝的力学性能试验研究[J].公路交通科技，2022，39（12）：134-138.

[4] 牛慧余，包腾飞，李扬涛，等.基于改进Mask R-CNN的混凝土坝裂缝像素级检测方法[J].水利水电科技进展，2023，43（1）：87-9298.

[5] 刘建辉，柏亚双，王兴宇，等.木材非线性本构模型研究进展[J].木材科学与技术，2023，37（1）：18-2432.