黎文輝

（廣州市設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 廣州 510620）

0 前言

加氣混凝土砌塊是當(dāng)前廣泛采用的填充墻材料，但是該材料存在著抗拉強(qiáng)度低、干縮顯著的特點(diǎn)，在工程上，加氣混凝土砌塊填充墻開(kāi)裂的情況較多。一般認(rèn)為導(dǎo)致填充墻開(kāi)裂的原因包括材料自身收縮受約束、主體結(jié)構(gòu)沉降差異或者溫度變化而導(dǎo)致變形差等。對(duì)于具體的項(xiàng)目，有一定經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)人員可以根據(jù)裂縫形態(tài)、墻體周邊結(jié)構(gòu)情況等對(duì)填充墻的開(kāi)裂原因進(jìn)行分析，對(duì)結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行判斷，并做出修復(fù)設(shè)計(jì)。但當(dāng)墻體邊界條件較特殊，或者需要向小業(yè)主、監(jiān)管部門(mén)等解釋裂縫原因，論證結(jié)構(gòu)安全性時(shí)，有必要對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)中的填充墻進(jìn)行定量或半定量的分析。

1 砌體填充墻開(kāi)裂分析的研究現(xiàn)狀

當(dāng)前的工程實(shí)踐中，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析模型均不考慮砌體填充墻的剛度，一般情況下僅將其作為荷載輸入，在抗震設(shè)計(jì)中通過(guò)設(shè)置小于1的周期折減系數(shù)來(lái)近似考慮填充墻剛度的影響，填充墻的剛度貢獻(xiàn)、內(nèi)力和變形情況無(wú)法有效評(píng)估［1］。砌體填充墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容則僅復(fù)核墻體的高厚比不超過(guò)規(guī)范要求，并按規(guī)范或圖集的要求設(shè)置構(gòu)造柱、圈梁和與豎向構(gòu)件的拉結(jié)筋等，某些高度較大的砌體填充墻外墻則復(fù)核風(fēng)荷載下的灰縫強(qiáng)度［1-4］。

大部分的砌體填充墻開(kāi)裂原因分析、構(gòu)造加強(qiáng)措施的研究偏向于概念論述。少數(shù)研究工作則采用大型通用有限元軟件，對(duì)砌體填充墻進(jìn)行非線(xiàn)性有限元分析，通常采用Abaqus、Ansys 等大型通用有限元軟件［5-10］。由于砌體填充墻實(shí)際上由砌塊、砂漿、混凝土構(gòu)造柱、圈梁和拉結(jié)鋼筋等組合而成，砌體的裂縫開(kāi)展屬于非線(xiàn)性過(guò)程，各種組成材料的本構(gòu)關(guān)系尚處于探索階段，有限元分析涉及材料非線(xiàn)性、接觸非線(xiàn)性問(wèn)題和傳熱-結(jié)構(gòu)耦合問(wèn)題，邊界條件復(fù)雜，精確模擬所需的單元數(shù)量多，因此這類(lèi)模型定量研究的模型通常限于一片墻，難以擴(kuò)展到高層結(jié)構(gòu)的整體分析中，工程實(shí)用性有限。

2 項(xiàng)目情況

珠江三角洲某住宅小區(qū)一期建設(shè)的多棟住宅，在竣工交付前發(fā)現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量的加氣混凝土砌塊填充墻出現(xiàn)開(kāi)裂的情況。經(jīng)修補(bǔ)后交付業(yè)主，業(yè)主收樓近兩年后仍陸續(xù)反映墻體開(kāi)裂。經(jīng)對(duì)比分析，墻體開(kāi)裂部位、裂縫走向呈現(xiàn)顯著的規(guī)律性：裂縫主要出現(xiàn)在北側(cè)戶(hù)型的衛(wèi)生間和臥室之間的墻體上，西側(cè)戶(hù)墻體開(kāi)裂比例略高于東側(cè)戶(hù)，交付后墻體開(kāi)裂情況主要分布在頂部2～3 層；均為斜向裂縫，裂縫走向均為內(nèi)墻側(cè)（南側(cè)）高，外墻側(cè)（北側(cè)）低。業(yè)主向物業(yè)管理公司報(bào)修墻體開(kāi)裂的時(shí)間多數(shù)在夏季。出現(xiàn)裂縫樓棟的平面布置如圖1所示，典型的墻面裂縫圖2所示，對(duì)應(yīng)圖1中編號(hào)為墻3的情況。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面Fig.1 Plan of Typical Floor （mm）

圖2 墻體開(kāi)裂現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Cracking of Infill Wall

由于墻面開(kāi)裂具有相當(dāng)?shù)钠毡樾?，開(kāi)發(fā)商承受著來(lái)自業(yè)主和政府管理部門(mén)較大的壓力，除了需要保質(zhì)保量完成修補(bǔ)工作，避免再次出現(xiàn)開(kāi)裂情況外，也需要向業(yè)主和管理部門(mén)等解釋墻體開(kāi)裂的原因，論證建筑物的安全性。因此，除了進(jìn)行概念性的分析外，還希望能通過(guò)模型分析計(jì)算，復(fù)現(xiàn)墻體開(kāi)裂，并為墻體補(bǔ)強(qiáng)方案提供理論依據(jù)。

3 高層住宅砌體填充墻的模型分析

3.1 某項(xiàng)目的模型分析需求

該項(xiàng)目當(dāng)前階段發(fā)現(xiàn)的填充墻裂縫基本都為規(guī)律分布的斜向裂縫，可以排除因材料收縮導(dǎo)致開(kāi)裂，但如承托填充墻的主體結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的沉降差，或者主體結(jié)構(gòu)在溫度作用下發(fā)生較大的變形也可能導(dǎo)致斜向分布的裂縫產(chǎn)生。墻體開(kāi)裂在平面和樓層分布上均有顯著的規(guī)律性，因此通過(guò)模型分析，比較填充墻的內(nèi)力和變形情況，可以復(fù)現(xiàn)該項(xiàng)目的墻體裂縫情況，從而找出導(dǎo)致墻體開(kāi)裂的原因。

如本文第1節(jié)的介紹，對(duì)于本項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，幾乎無(wú)法通過(guò)建立包含填充墻的整棟建筑單體的精確非線(xiàn)性模型來(lái)對(duì)墻體開(kāi)裂情況進(jìn)行模擬分析，從而得到較精確的定量分析結(jié)果。但將模型模擬分析的目標(biāo)調(diào)整為半定量分析，建立包含填充墻的整體結(jié)構(gòu)模型，材料和幾何均按照線(xiàn)彈性分析，通過(guò)比較溫度變化、基礎(chǔ)沉降、結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生過(guò)大變形等條件下，不同平面位置、不同樓層的砌體墻變形和內(nèi)力，當(dāng)某條件下砌體墻的內(nèi)力分布規(guī)律與墻體裂縫分布吻合，則可以確定墻體裂縫的原因。盡管線(xiàn)彈性模型計(jì)算的填充墻內(nèi)力值與實(shí)際情況可能存在一定差距，但仍可作為裂縫修補(bǔ)加筋設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

當(dāng)前房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常用YJK 軟件的YJK-A設(shè)計(jì)模塊僅能進(jìn)行線(xiàn)彈性計(jì)算分析，但可以對(duì)剪力墻構(gòu)件進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，并在結(jié)果查看模塊中顯示各節(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)力等結(jié)果數(shù)據(jù)。且該程序也可以指定單元?jiǎng)澐值淖畲蟪叽?，通過(guò)控制單元尺寸，可以基本滿(mǎn)足顯示模型中墻體內(nèi)的內(nèi)力分布和變形情況的要求。在本項(xiàng)目?jī)H進(jìn)行半定量分析的需求下，采用YJK 軟件建模分析基本可以實(shí)現(xiàn)。

3.2 建模要點(diǎn)

在原設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上另外建入如下4 片砌體填充墻：裂縫主要在墻1、墻3 中發(fā)現(xiàn)，與墻1 相鄰的墻2 偶有開(kāi)裂情況，墻4 是標(biāo)準(zhǔn)層平面中最長(zhǎng)的墻體，該墻體未報(bào)告存在裂縫。該項(xiàng)目加氣混凝土砌塊填充墻采用A5.0 級(jí)別砌塊，砂漿為蒸壓加氣混凝土用砌筑砂漿，強(qiáng)度為Ma5 級(jí)，YJK軟件具有自定義材料力學(xué)參數(shù)的功能，對(duì)照《蒸壓加氣混凝土制品應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：JGJ/T 17—2020》［2］的指標(biāo)，定義墻1～墻4 的材料力學(xué)參數(shù)為：砌體抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.3 N/mm2，砌體彈性模量為2 300 N/mm2，泊松比為0.2，線(xiàn)膨脹系數(shù)為8×10-6/℃，容重為800 kg/m3。

按照一般的構(gòu)造做法，砌體填充墻與相連的鋼筋混凝土豎向構(gòu)件（包括主體結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土墻、柱或鋼筋混凝土構(gòu)造柱）之間，每隔600 mm 設(shè)置2φ6 水平鋼筋拉結(jié)，鋼筋一端錨入混凝土構(gòu)件，伸入砌體墻灰縫內(nèi)700 mm，構(gòu)造柱與砌體墻之間則設(shè)置馬牙槎，增強(qiáng)砌體與混凝土柱之間的連接，砌體與混凝土構(gòu)件交界處的抹灰面則在抹灰層中壓入纖維網(wǎng)片。一般來(lái)說(shuō)，砌體與混凝土構(gòu)件之間的粘結(jié)強(qiáng)度較低，屬于容易開(kāi)裂的位置，但由于構(gòu)造復(fù)雜，實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的定量分析，對(duì)于本模擬分析，由于僅需要對(duì)比砌體填充墻在不同部位的應(yīng)力分布情況，探討砌體填充墻本身的開(kāi)裂規(guī)律，因此對(duì)于可以預(yù)見(jiàn)到的模型分析揭示的砌體墻與主體結(jié)構(gòu)之間界面的高應(yīng)力和可能的開(kāi)裂情況不作深入分析，建模中也不考慮界面的非線(xiàn)性。

高層建筑的構(gòu)件施工次序?qū)Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力和變形結(jié)果有很大的影響。在實(shí)際工程中，一般是主體結(jié)構(gòu)施工若干層后開(kāi)始填充墻砌筑工作，墻體頂部斜磚的砌筑時(shí)間通常在主體結(jié)構(gòu)封頂后，此時(shí)填充墻在豎向基本只承擔(dān)自身重量。當(dāng)前普遍采用的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件均有指定構(gòu)件施工次序的功能，在模型中指定上述墻1～墻4 的施工次序在全樓鋼筋混凝土構(gòu)件施工完成后，即可實(shí)現(xiàn)模擬砌體填充墻自承重的受力特點(diǎn)。

對(duì)照建筑平面和構(gòu)造柱平面圖，墻1～墻3在外墻端部設(shè)置有兼作裝飾線(xiàn)條用的混凝土構(gòu)造柱，由于構(gòu)造柱線(xiàn)條較復(fù)雜，在本算例中簡(jiǎn)化為等面積的矩形混凝土柱，施工次序同砌體填充墻。

對(duì)于本文探討案例中的砌體填充墻裂縫，導(dǎo)致開(kāi)裂的原因包括基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，樓層梁發(fā)生過(guò)大的變形，溫度變化等。本項(xiàng)目各標(biāo)準(zhǔn)層的結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件截面一致，梁板配筋基本不變，而填充墻裂縫主要分布在各棟的頂部樓層，因此可判斷由于設(shè)計(jì)或施工原因?qū)е碌臉菍恿喊l(fā)生過(guò)大變形不是導(dǎo)致裂縫的原因。對(duì)于其中YJK 程序可以通過(guò)指定豎向構(gòu)件的支座位移來(lái)模擬基礎(chǔ)沉降，本項(xiàng)目通過(guò)分別指定A 墻、B 墻的豎直向下的位移為20 mm。普遍在氣溫較高的4～10 月期間報(bào)告出現(xiàn)這些砌體填充墻裂縫，因此主要考慮升溫影響，其中屋面層所有節(jié)點(diǎn)按升溫20 ℃，其他樓層外圍節(jié)點(diǎn)按升溫10 ℃輸入模型。

本項(xiàng)目層高2.9 m，需要考察對(duì)比應(yīng)力分布情況的墻體寬度約3 m，為了能更直觀(guān)顯示墻體的應(yīng)力分布情況，在程序前處理中控制墻體的單元?jiǎng)澐殖叽绮淮笥?.5 m，單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層的單元?jiǎng)澐智闆r如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層墻體單元?jiǎng)澐州S測(cè)圖Fig.3 Axonometric Drawing of FEM Model of Single Typical Floor

3.3 模型分析結(jié)果

通過(guò)模型分析，可以得到結(jié)構(gòu)模型在恒載、溫差、變形等工況下的墻體應(yīng)力數(shù)值。表1～表4 中列出各片填充墻在1 層、2 層、10 層、20 層、30 層和31 層的層高中部節(jié)點(diǎn)1 向、2 向正應(yīng)力σ11、σ22及剪應(yīng)力τ12，其中1 向和2 向?yàn)閴卧木植孔鴺?biāo)，1 方向?yàn)槟媳狈较颍?方向?yàn)樨Q直方向。

表2 墻2應(yīng)力分布Tab.2 Stress of Wall 2

表3 墻3應(yīng)力分布Tab.3 Stress of Wall 3

表4 墻4應(yīng)力分布Tab.4 Stress of Wall 4

從表格中可以看到如下幾個(gè)規(guī)律：

⑴恒載作用下的應(yīng)力水平很低，符合砌體墻在主體結(jié)構(gòu)完成后砌筑，屬于自承重墻的受力特征。

⑵溫度變化引致的填充墻應(yīng)力呈現(xiàn)頂部樓層量值大，底部樓層量值小的規(guī)律。

⑶在同一樓層中，其中更接近室外側(cè)，且一端與剪力墻連接的墻1、墻3的砌體墻，其應(yīng)力水平更高。

⑷沉降差引起的砌體墻應(yīng)力呈現(xiàn)出底部樓層量值最大，中間樓層以上的應(yīng)力量值基本衰減至0。

對(duì)照上述的內(nèi)力分布情況，結(jié)合填充墻裂縫出現(xiàn)的時(shí)、空規(guī)律，在樓層間和不同砌體墻之間，升溫引致的砌體墻應(yīng)力分布情況與裂縫的空間分布情況基本一致：底部樓層墻體應(yīng)力水平低，頂部樓層應(yīng)力水平較高，墻1、墻3 應(yīng)力水平比墻2、墻4高，因此各棟墻體裂縫多數(shù)出現(xiàn)在頂部?jī)蓪拥膲?、墻3。

3.4 判斷裂縫方向的模型分析

由于本例分析所用的YJK 程序不能顯示墻板單元分析結(jié)果的內(nèi)力方向，因此無(wú)法直觀(guān)判斷裂縫開(kāi)展方向。但可以通過(guò)在填充墻平面內(nèi)增設(shè)兩個(gè)方向的交叉層間斜撐，斜撐兩端鉸接，模型中設(shè)置其施工次序同填充墻一致，通過(guò)考察斜撐的內(nèi)力情況，即可以判斷裂縫的基本走向。從圖4的升溫工況下的頂部4層的墻1～墻3平面內(nèi)的斜撐內(nèi)力分布示意圖可見(jiàn)，北高南低走向的斜撐軸力為拉力，相反方向的斜撐為壓力（或量值較小的拉力）；同時(shí)，北高南低走向的斜撐拉力在頂層達(dá)到峰值，隨樓層降低而減小；同一層中墻1 和墻3 的受拉斜撐的拉力值顯著高于墻2。上述環(huán)境溫度升高時(shí)的填充墻平面內(nèi)斜撐內(nèi)力分布規(guī)律與3.3 小節(jié)的填充墻應(yīng)力分布情況吻合，交叉斜桿中的內(nèi)力對(duì)比也直觀(guān)揭露了頂部樓層填充墻出現(xiàn)南高北低走向的裂縫。

圖4 升溫工況下的墻1頂部樓層內(nèi)力方向Fig.4 Direction of the Internal Force of Wall 1 under Positive Temperature Change

4 墻體裂縫修改方案

本項(xiàng)目的墻體開(kāi)裂現(xiàn)象發(fā)生后，經(jīng)過(guò)對(duì)開(kāi)裂原因進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，所制定的修復(fù)措施包括：①砌體墻頂部?jī)蓚?cè)分別切寬度、厚度均為15 mm 的縫，填充密封膠；②分別在墻體兩側(cè)的每條水平向灰縫開(kāi)槽，開(kāi)槽范圍以裂縫為中心，裂縫兩邊各長(zhǎng)300 mm，開(kāi)槽清理干凈后填充抗裂砂漿，每側(cè)分別壓入600 mm長(zhǎng)的φ6鋼筋；③墻體已有裂縫開(kāi)槽，壓灌樹(shù)脂膠泥填充封閉砌塊裂縫；④填充墻體整面掛鍍鋅鋼絲網(wǎng)批蕩，且鋼絲網(wǎng)的布置范圍延伸至混凝土構(gòu)件上。

5 改善砌體填充墻開(kāi)裂情況的設(shè)計(jì)措施

工程實(shí)踐中，溫度變化是加氣混凝土砌塊墻體開(kāi)裂的主要原因。在高層住宅中，在夏季環(huán)境溫度升高，而隔熱措施不到位，主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫升較大時(shí)，類(lèi)似本案例分析中的頂部樓層填充墻將存在顯著的拉應(yīng)力，從而容易發(fā)生墻體開(kāi)裂的情況。為了有效降低加氣混凝土砌塊填充墻由于升溫而發(fā)生開(kāi)裂的情況，除了按照現(xiàn)有施工工藝進(jìn)行墻體砌筑外，在設(shè)計(jì)上還建議采用如下措施：

⑴采用ALC 墻板或類(lèi)似的裝配式墻板系統(tǒng)代替砌筑填充墻。由于裝配式墻板與主體結(jié)構(gòu)之間連接屬于柔性連接，主體結(jié)構(gòu)對(duì)填充墻影響小，并且連接部位的變形適應(yīng)能力大，另一方面，墻板配有鋼筋（絲）網(wǎng)片，本身的抗裂能力較強(qiáng)，因此采用裝配式墻板可以有效降低墻體開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

⑵如采用砌塊砌筑填充墻，則采用填充墻與主體結(jié)構(gòu)柔性連接的方式，降低主體結(jié)構(gòu)對(duì)砌體墻的約束。

⑶在六度、七度抗震區(qū)，砌體墻拉結(jié)鋼筋一般不通長(zhǎng)布置，但從上述分析可見(jiàn)，環(huán)境溫度變化時(shí)，頂部樓層的應(yīng)力變化比較顯著，因此宜在頂部3～4 層范圍內(nèi)的填充墻體與主體結(jié)構(gòu)或構(gòu)造柱之間的拉結(jié)鋼筋按通長(zhǎng)布置。

6 結(jié)論

⑴利用YJK 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，在通常結(jié)構(gòu)整體模型的基礎(chǔ)上，利用軟件的自定義材料、指定施工次序等功能，可以在模型中建入砌體填充墻，考察加氣混凝土砌塊填充墻在溫度變化、基礎(chǔ)沉降等工況下的內(nèi)力，分析相應(yīng)工況下的填充墻內(nèi)力分布規(guī)律。

⑵本文介紹的工程實(shí)例中，砌體填充墻的裂縫分布規(guī)律和裂縫形態(tài)與外圍構(gòu)件溫度升高導(dǎo)致的砌體墻內(nèi)力分布模式吻合，可以明確認(rèn)定溫度變化為填充墻開(kāi)裂的原因。

⑶根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)，編制適用于該工程案例的墻體裂縫修復(fù)方案，并提出了改善砌體填充墻開(kāi)裂情況的設(shè)計(jì)措施。

⑷PKPM、YJK 等工程設(shè)計(jì)軟件廣為工程設(shè)計(jì)人員熟識(shí)，且經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，其建模、分析和前后處理功能相對(duì)完善，除了可以進(jìn)行常規(guī)的工程設(shè)計(jì)外，靈活應(yīng)用該類(lèi)設(shè)計(jì)軟件，可以在一定程度上代替通用有限元軟件，進(jìn)行一些普通工程設(shè)計(jì)內(nèi)容以外的分析工作，為設(shè)計(jì)工作提供更大的附加值。