均質化墻體裂縫加固技術的應用研究

李 旭 周 銳

（成都工業職業技術學院，四川 成都 610000）

0 引言

早期的房屋大多數都是使用砌體結構建造，砌體結構房屋的墻體相對比較脆弱，使用年限過長的房屋自身的穩定性較差，墻體容易出現裂縫。對于砌體建筑，傳統的裂縫加固技術加固效果不是很明顯，加固后還會在原有基礎上出現裂縫，因此，需要研究新的技術來解決此類問題，而均質化墻體裂縫加固技術正是滿足這種需求的加固效果較好的施工技術。為了研究均質化墻體裂縫加固技術的應用效果，筆者將傳統加固技術與均質化墻體裂縫加固技術用在墻體裂縫加固處理工程中進行比較。本文就此課題進行總結。

1 均質化房建墻體裂縫加固技術及有限元模型分析

灌漿加固法是指在墻體中心或斜向鉆孔或打入管樁，通過孔眼及管孔，用一定壓力把各種漿液（加固劑）灌入土層中，通過漿液凝固，把原來松散的土固結為有一定強度和防滲性能的整體，或把墻體裂縫堵塞起來，從而達到加固地基、提高地基承載力的一種加固法。均質化房建墻體裂縫加固技術即是在注漿加固法的基礎上，通過均質化對房建墻體中某一點進行無限放大，取出某一個單胞作為代表性體積單元，建立力學模型來求解墻體受力情況，以進行有效的裂縫加固的施工方法。

1.1 砌體二維周期性平面分割

在建筑施工過程中，加固砌筑施工方式具有二維周期性，這就說明不同砌筑方式中的等效體積單元是不一樣的。要想進行砌體的平面分割，首先需要確定等效體積單元的選取條件：（1）組成砌體的具體材料；（2）材料組成砌體結構分布規律；（3）最小組成的單元需要滿足前兩個條件，并且在連續和離散兩個模型之間進行網格劃分。不同材料之間肯定會存在一定的區別，決定了砌筑整體的不同。

除材料外，不同的砌筑方式對墻體裂縫加固效果具有一定影響。常見的砌筑方式有3 種，分別是：全順式、全丁式和一丁一順式[1]。目前，大多數墻體砌筑是以全順式為主，其二維平面圖如圖1所示。

圖1 墻體形狀二維平面示意圖

如圖1 可知，組成二維平面的基本組成尺寸則為：(XC) ×(YH)。其中：C 為砌成墻體磚塊高度的總和，H為墻體重疊的數量。而重疊的數量H=P/2（P為磚塊縫隙數量的總和）；X、Y 必須為正整數。只有當基本組成的磚塊組成最小的規律列陣，才可以通過二維平面分割來完成整體形狀。墻體從其中一組磚塊傳遞承載力給另一磚塊時，需滿足下列2 個條件：（1）內力矢量在最基本的單元內要具備連續性；（2）在變形過程中，各單元之間應該相互地協調，并且不可重疊起來或者分離開。

由條件（1）可知，組成單元內的應力需要滿足公式（1）的要求：

因m是關于反周期性的對稱外法線，公式（1）可轉換成公式（2）：

因此，組成單元中的應力β具有周期性，在最基本的組成單元之間內力矢量β·m具有跟周期性相反的對稱性。

由條件（2）可以看出，其中某一組單元組成在進行對邊位移之后，在整體空間上需完全重合。當發生位移的常數T、D同時為0 時，各個方向發生位移需要滿足公式（3）的條件。

應力應變場也會因為位移場i的變化而產生周期性，從而得到周期性的位移場，達到分割成二維周期性平面的目[2]。

1.2 建立等效體積單元模型

等效體積單元化（簡稱RVE）是一個基于微觀的力學結構與構造信息的均質化技術，包括砌體的結構信息：一是砌體的各種構造材料；二是砌體構造的周期性；三是利用等效體積單元在連續性與離散化模型之間所進行的合理分配。RVE模型實質上是利用對砌塊結構中的有限元方法進行分析而得到了與連續性有關的模型，即是將離散的建筑材料進行均質化后，獲得了與整個砌塊結構非常接近的新型材料。這種均質化的施工技術是可以有效地解決模型網格中所存在的劃分比較困難、耗時長并且計算量較大的缺陷，給砌筑結構的內部分析提供了更加簡潔的方法。墻體常見的均質化過程如圖2所示。

圖2 墻體均質化過程示意圖

采用了分離式來構建等效體積單元模型，模型的基本尺寸可以設置為320mm×120mm×140mm。采用有限元軟件構建模型的墻體磚塊單元和混凝土單元，并且忽略磚塊與混凝土間的摩擦力。使用模型中的多線性進行隨動強化和五參數破壞準則中的材料模式，以所了解的砌筑磚塊和混凝土的應力—應變β—θ曲線作為結構的相關聯系，通過模型得到等效體積單元的平均應力與平均應變之間的關系，如公式（4）、（5）所示。

從而分別取得磚塊與混凝土的應力與應變的平均值，繼而可以構建出等效體積單元的模型[3]。

1.3 采用均質化技術加固墻體裂縫

在等效體積單元模型的基礎上，還需采用第二次均質化技術對墻體裂縫進行加固。第二次均質化的加固技術分為3 個部分：內部為均質化技術建立的等效參數芯墻，外部的兩面都為混凝土的抹面層；內外部是通過相互之間節點傳遞的方式進行結合與傳遞的。內部芯墻是通過應力—應變β—θ 曲線作為其結構的聯系，外部加固面的墻體結構通常使用C20 混凝土，通過均質化技術獲取其他結構的相關聯系[4]，輸入計算模型的尺寸見圖3所示。

圖3 輸入計算模型的構成尺寸

對墻體外部裂縫進行加固時，可以選擇δ4@20 的鋼絲網（鋼絲網內部網格間距為20mm，鋼絲直徑為4mm），而此時墻體的長、高、寬分別用X、Y、Z 來表示，通過能量極值原理計算可以得出其面積配筋率分別為0.65%、0.58%、0。因為選取C20 的混凝土，其鋼絲的屈服強度為280MPa，彈性模量為2.25×104MPa，泊松比為0.18。并且鋼絲網的網格間距為20mm，墻體厚度為320mm，加固面厚度為40mm，均質化加固技術正常規定值設置為400mm，可以有效地解決房建墻體的裂縫[5]。

2 均質化墻體裂縫加固技術的應用試驗

2.1 試驗準備工作

為了測試設計的加固砌筑施工方法的有效性，對實際應用效果進行驗證。本研究選擇某棟建筑大樓，其建成時間在10a 左右，墻體主要由混凝土磚建筑而成。將此樓中墻體某一處的裂縫，通過試驗平臺構建模擬墻體來代替真實建筑。平臺中構建的墻體平面圖如圖4 所示，并比較傳統加固技術與均質化墻體裂縫加固技術對墻體裂縫的實際應用效果。

圖4 某建筑裂縫平臺示意圖

2.2 數據監測與結果反饋

試驗測試為相同環境下的建筑A和建筑B，且使用的加固材料完全一致，只是所使用的加固技術不同。為了對比未加固與加固墻體在低周反復荷載下的剛度退化，分別取兩類墻體正、反向荷載的絕對值之和除以相應的正、反向位移的絕對值之和，作為每一級循環荷載下的平均剛度Ki:

式中：pi——第i次正向水平荷載值；

-pi——第i次反向水平荷載值；

Δi——第i次正向水平荷載作用下的位移值；

-Δi——第i次反向水平荷載作用下的位移值,并根據此結果分析裂縫的修復程度。墻體整體的穩定性測試結果如圖5、圖6所示。

圖5 不同加固技術裂縫修復程度示意圖

圖6 不同加固技術的墻體穩定性示意圖

由圖5和圖6可以看出，使用傳統加固技術的建筑A，經過6 個月的時間，裂縫的修復程度只達到了60%。而墻體整體的穩定性只有70%，說明效果不是很明顯。而使用均質化加固技術3～4 個月之后，建筑B 的修復程度就已經達到90%以上，并且在第6 個月已經實現了100%的修復；且在第3 個月的時候，墻體的穩定性已經可以實現100%穩定[6]。

3 結束語

綜上所述，與傳統的墻體修復技術相比，在對墻體的修復程度和整體的穩定性方面，使用均質化技術效果更優，不僅有效地改善了傳統加固技術無法實現對裂縫的完全修復，以及修復后無法保證其整體穩定性的情況，還對建筑整體質量的提升有著明顯的效果。本文只提到了裂縫加固的技術，沒有提出具體施工材料對裂縫加固的效果，今后可以進一步研究裂縫加固材料，以更好地解決墻體裂縫的修復，提高整體施工質量及后續使用的安全性。