基于ANSYS的沉降后浇带裂缝成因分析

张乐 王东溥 王一龙

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引言

随着我国建筑行业高速发展，主楼带多层裙房类型建筑大量出现，主楼与裙楼质量上的差异导致其对地基的压应力大小、沉降量、沉降速度均不同。工程中常采用在主楼与裙楼间设置沉降后浇带的方法消除沉降不均匀的影响，这样虽满足了建筑功能的需求，但因后浇带裂缝导致的漏水问题却难以根治，大部分后浇带裂缝的处理都存在着反复开裂、修补成本高的问题[1]，根本原因就是没有仔细分析裂缝的产生原因而盲目施工，因此对沉降后浇带裂缝成因分析显得尤为重要。

由于后浇带的广泛使用及防水工程的重要性，国内外很多专家学者对其进行了研究。商文念等[2]通过综合考虑温度、季节和基础约束程度等因素提出不同情况下混凝土后浇带临界浇筑长度建议值；RUPAL A等[3]合成了一种新型的工业级沥青与高分子(聚氨酯)添加剂的复合材料，用于研制防水保护膜；XU Z Q[4]通过分层考虑混凝土温度变化和收缩变形，总结出几种典型工况下混凝土裂缝深度和裂缝宽度的计算方法。我国为了提高地下室防水质量,出台了GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(以下简称《设计规范》)和GB 50108—2008《地下工程防水技术规范》(以下简称《防水规范》)，为地下室防水质量提供了衡量指标,使得地下室防水设计及施工等有了可靠的依据。

本文以云南某工程沉降后浇带裂缝为例，利用混凝土结构设计原理计算本工程后浇带在荷载作用下裂缝的最大宽度，结合有限元软件ANSYS进行数值模拟探究后浇带裂缝成因和裂缝的发展趋势，进而选用合适的防水材料并提出合理的堵缝措施，精准、有效且节约成本地解决后浇带裂缝导致的漏水问题，并为类似地下工程裂缝的治理提供参考。

1 工程概况

本工程位于云南省某大桥附近，建筑结构抗震设防类别为丙类，抗震设防基本烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g。本工程由两栋建筑组成，一栋为地上13层、地下1层的酒店，另一栋为地上3层、地下1层的商业区。建筑总面积约10万 m2，商业区地下室底板顶标高为-5.1 m。两栋建筑的地下室通过连廊进行连接，为了控制不均匀沉降的影响，在连廊处设置沉降后浇带，现场后浇带如图1所示。

图1 后浇带施工

施工单位在后浇带施工完成后于后浇带顶部设立了数个沉降观测点对后浇带情况进行观测，经一段时间观测后发现：后浇带施工结束20天时，附近出现少许水渍；到第50天，已经出现大面积水渍且发现明显裂缝，经检测裂缝长为12 cm，宽为0.33 mm。

明显漏水现象的发生足以说明后浇带处的防水措施已经失去作用，若对裂缝不进行有效处理，则裂缝势必会逐渐扩大，漏水问题也会随之加剧[5]。鉴于混凝土是以水泥为主要胶凝材料，与水、砂、石子按适当比例调配，经过均匀搅拌、密实成型及养护硬化而成的复合石材，其内部存在着大量的微裂缝，这些微裂缝在多种因素影响下都可能会发展，因此在处理裂缝时不能盲目，必须探究裂缝产生的原因，进而制定合适的解决裂缝的措施[6]。

2 理论计算

首先验证裂缝是否由于设计缺陷导致结构本身刚度不足引起的，目前最大裂缝宽度ωmax的计算主要通过《设计规范》中给出的根据粘结滑移-无滑移综合理论得到的半理论半经验公式：

式中，acr为构件受力特征影响系数；ψ为钢筋应变不均匀系数；Es为钢筋弹性模量；σsk为按荷载效应准永久组合计算的纵向受拉钢筋应力；cs为最外层纵向受拉钢筋外边缘到受拉区底边的垂直距离；deq为受拉钢筋等效直径；ρte为钢筋配筋率。

2.1 荷载计算

对于地下室外墙而言，回填土对其作用属于线弹性范围，所以在进行荷载计算时可以将回填土对墙体的压力视为静止土压力[7]。根据现场施工资料可知本工程地下室底板顶标高为-5.1 m，地下室外墙所使用混凝土等级为C30P6，墙高3.9 m，墙厚250 mm，在进行荷载计算时可以将底板与外墙视为完全固结，顶端视为铰接[8]，施工所在地的地下水位为-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，静止土压力系数K0取0.6[9]。综上选定地下室外墙计算简图如图2所示。

图2 计算简图(单位：m)

图2中4个点的压力值分别为

0点：σ0=K0γh0=13.68 kPa

1点：σ1=K0γ(h0+h1)=36.48 kPa

2点：σ2=K0γ(h0+h1+h2)=58.14 kPa

3点：σ3=γwh2=18.62 kPa

静止土压力的合力E0为

静水压力对墙体的合力Ew为

则有：

σ底=σ2+σ3=76.76 kPa

E总=E0+Ew=177.23 kPa

E0和Ew的合力作用点到墙底部的距离为

其中h0=1.2 m，h1=2 m，h2=1.9 m。

根据上述计算可以得出，实际工程中荷载对地下室外墙的作用可以等效为大小为177.23 kN/m的均布荷载沿着水平方向作用于距离墙底部1.29 m处。

2.2 裂缝宽度计算

考虑到后浇带裂缝成因的复杂性，为了探究裂缝产生的本质，现对结构的受力进行理论分析。沿高度方向取1 m宽的外墙作为计算单元，由上文计算得出均布荷载大小为177.23 kN/m，结合设计资料得出裂缝宽度计算简图如图3所示。

图3 裂缝宽度计算简图(单位：m)

由现场施工资料可知每米宽C12混凝土的基本数据如下：面积AS=565 mm2，宽b=1 000 mm，高h=250 mm，有效高度h0=200 mm，混凝土抗拉强度标准值ftk=2.01 N/mm2，钢筋弹性模量ES=2×105N/mm2。根据《设计规范》中给出的计算方法和取值范围可得：

将上述数据代入前文半理论半经验公式，得出在荷载作用下该沉降后浇带最大裂缝宽度ωmax=0.1 mm。这个结果表明若本工程结构施工合理则该沉降后浇带在此荷载作用下产生的裂缝的最大宽度应为0.1 mm，满足《防水规范》的要求。

3 数值分析

鉴于后浇带裂缝发展的复杂性，建立有限元模型可以更直观地了解裂缝内部应力、应变等数值的变化，有利于分析裂缝产生的根本原因和潜在裂缝的发展情况；鉴于有限元软件ANSYS中含有裂缝有限元模块，可对裂缝信息进行定义，能清楚地反映裂缝的应力和应变，故本文借助ANSYS对后浇带处裂缝进行模拟。

3.1 模型建立

为了提高模型计算速度及对裂缝分析的针对性，不必对整个后浇带进行模拟，根据现场实际情况取等效裂缝模型长度1 m，宽度0.25 m，等效裂缝宽度为0.03 m，位置位于模型中间，如图4所示。

图4 裂缝模型

由于裂缝尖端和上下边界的受力往往更加复杂，为了更好地观察裂缝尖端和边界受力情况，可以将这两部分的网格划分的更加细致，网格划分如图5所示。

图5 模型网格划分

模型的上下受到拉裂作用，故在模型左右两端添加约束限制其移动[10]。由上述荷载计算可知裂缝处受到拉力大小为354.44 MPa，将其添加到模型中，约束与荷载施加如图6所示。

图6 模型荷载与约束

基于ANSYS有限元软件对裂缝模型的模拟方式，对于裂缝的模拟要定义其裂缝信息，为了使模型更贴近实际工程，首先将裂缝前沿上的节点定义为节点组件，而对于裂缝纹面法向的定义，ANSYS可以自动生成裂缝的扩展矢量并进一步转换成为单位向量[11]。鉴于裂缝无规则非对称的几何特点，要在有限元软件中关闭对称功能。

3.2 求解与分析

在为模型定义完各种参数后就可以进入计算环节，计算完成后可以得出包含应力、位移等云图，通过分析云图中的信息可以更加直观地了解裂缝的情况，进而针对性地提出封堵措施。

图7为裂缝的位移云图，从位移云图可以看出模型中最大位移为0.207 mm，产生于模型的边界，说明荷载对裂缝边界变形的影响更大，模型中裂缝的最大位移为0.104 mm，这个数据跟前文理论分析得到的0.1 mm相差无几，由此可见模型的建立符合理论受力情况；受力最复杂的裂缝尖端处的最大位移为0.051 8 mm，尖端四周的位移值在此基础上越来越小，这说明裂缝沿着水平方向延伸的概率很小。

图7 裂缝位移云图

图8是裂缝x方向上的位移云图，反映竖向裂缝潜在的发展区域，图中浅蓝色区域代表位移值较小，红色区域代表位移较大，由云图得出裂缝潜在发展区域的发展值远小于0.3 mm，符合《防水规范》的规定，故实际工程中对该区域无须进行处理。

图8 裂缝x方向位移云图

图9为裂缝尖端的应力云图，从云图可以得出裂缝尖端处的应力最集中，应力值也最大，说明如果裂缝延伸则会从裂缝尖端部分开始。结合理论研究和有限元模拟分析可知潜在的裂缝发展区域为原裂缝四周，为了防止出现新的裂缝和对现有裂缝进行处理，要选择特定的可以承受图中相应位移的弹性材料作为填补材料，该材料在注入到裂缝处后可以跟周围的混凝土固结，进而达到堵漏的目的。

图9 裂缝应力云图(局部)

4 后浇带裂缝成因分析

由上述分析可知在荷载作用下该沉降后浇带最大裂缝宽度为0.1 mm，满足《防水规范》关于裂缝宽度的规定，表明本工程结构设计满足荷载要求，而现场实际发现的裂缝宽度为0.33 mm。根据本工程其他部位裂缝宽度满足要求，且没有发现渗水的实际，分析认为混凝土材料选用、配比、坍落度、浇筑等方面原因可能性小。经仔细查阅施工资料，认为引起开裂主要原因有：①《防水规范》要求沉降后浇带混凝土浇筑至少在两侧混凝土龄期达到42天后进行，而施工单位为了追赶工期，在第41天就进行了浇筑，此时混凝土收缩膨胀还未完全，给后浇带质量留下隐患。②由上述对模型的分析可知，后浇带中多处裂缝均处于隐形发展阶段，当外界荷载增加，如长时间停车、回填土堆积等都可能促使裂缝的发展。

5 裂缝堵漏施工

5.1 堵缝方法及防水材料的选用

(1)通过上述ANSYS模型和理论计算分析可得后浇带出现裂缝是由于施工导致的混凝土质量缺陷，针对本工程裂缝特点拟使用高压注浆法来治理后浇带裂缝[12]，该方法具有施工工艺简单、效果明显、成本低等优点。

(2)根据前文理论分析和数值模拟，选择水溶性聚氨酯注浆液作为注浆材料。水溶性聚氨酯注浆液是一种具有弹性的高分子材料，主要由氰酸酯和多羟基聚醚合成，具有稳定性好、强度高、无污染等特点。在注入进裂缝中后，该材料会与水发生反应产生一定的压力，压力可以将浆液挤入裂缝细微处，使得裂缝被彻底充满，之后浆液逐渐固结，形成性能稳定的弹性体物质，阻止裂缝发展和水分侵入[13]，符合本工程对堵缝材料的需求。

5.2 施工流程及施工方法

(1)施工流程如图10所示。

图10 施工流程

(2)施工方法及注意事项：①基层处理：清理灰尘、突起物等影响施工的杂质，确保基层表面坚实、平整、干净，有明水的及时扫除。②设置注浆孔：使用手提式电钻沿裂缝两侧钻孔，钻头要与混凝土面有一定夹角，钻孔深度不宜过大，防止注浆液体的浪费。③注浆：注浆是进行裂缝封堵至关重要的一步，注浆时要注意单孔注浆直到邻孔出浆后继续保持5～7 min才可以结束本孔灌注，再将注浆机移至下一个注浆孔，重复以上操作步骤在全部的注浆孔都注浆完成后，为了保证注浆孔内的压力要重新回到第一个注浆孔重复灌注一次。④结束注浆：等到孔内压力稳定后还要继续注浆2 min左右方可停止注浆。 ⑤封孔：注浆结束后要定期观察，若一周后没有注浆液从裂缝中流出则说明注浆液的固结效果明显，此时方可卸下注浆嘴，并使用水泥砂浆对封口进行抹平。

5.3 防水效果

对该工程地下室后浇带处的裂缝进行封堵后，表面水渍消失，墙体干燥。经过长时间观察后发现裂缝封堵处出现了面积为0.06 m2的湿渍，小于《防水规范》中单个湿渍面积不大于0.1 m2的规定，满足安全使用的条件，说明理论分析和ANSYS模型的建立贴合实际情况，堵漏材料选择恰当，后浇带裂缝的封堵和工程防水取得了良好的效果。

6 结论

本文以云南某工程地下室外墙后浇带裂缝为例，通过理论分析结合有限元软件ANSYS建立的数值模型，分析了后浇带裂缝产生的原因和潜在裂缝的发展趋势，提出了有效的后浇带堵漏措施，为类似工程提供参考。主要结论如下：

(1)混凝土作为复合材料，其内部结构存在众多的结合面。这些结合面隐藏着大量的微裂缝，故想要完全消除混凝土裂缝是不现实的，只有在保证建筑安全使用的前提下限制裂缝发展。

(2)不同建筑的裂缝成因各不相同，故对裂缝的封堵不能盲目，必须深入分析裂缝成因，选择合适的堵缝方法与堵缝材料。

(3)建筑防水是集材料、设计、施工和维护为一体的综合性、系统性工程,它们之间既各自独立,又互为关联，要建造一个优质工程，在施工中一定要抓好每一道工序的施工质量。