公共建筑工程博士论文:分析某砖混结构房屋的墙体裂缝产生
摘要:通过分析某砖混结构房屋的墙体裂缝产生,从墙体中应力变化角度上给予了裂缝产生机理的分析,并用数值方法予以验证,并针对该工程采用的独立基础形式及其本身特点提出了工程的处理方法。
关键词:砖混结构;墙体裂缝;应力变化;独立基础;撑脚桩;混凝土桩;钢筋网
重庆大学学生四、五食堂是1980年由学校基建处设计并交由市二建筑公司承建的二层混合结构房屋,本建筑全长54.24 m,最宽处为24.24 m,层高4.5 m,西北面上下是厨房及库房,东南面是楼梯间,中间是学生就餐厅,大门设在东南面转角处;该房修建前其坐落处原是一池塘,修建时采用了换土垫层的方法,并使用独立基础;时隔16年在该建筑的东面又修建了一栋10层框架结构学生公寓,采用挖孔桩基础,深达16 m,在该公寓基础开挖不久,学生食堂南面纵墙上就出现了裂缝,通过观测发现随时间推移学生食堂的裂缝呈加剧趋势,如不及时采取加固措施有倒塌的危险。学生四、五食堂平面位置和成教院学生公寓平面位置关系。
1.事故处理目的
砖混结构的裂缝对建筑物的影响是多方面的。在使用方面,它影响到安全、美观和使用要求(如引起透风、漏雨等);对建筑结构本身,裂缝使砌体的整体性受到破坏,降低结构的强度、刚度和稳定性。进行事故处理的目的是消除缺陷或隐患,确保其正常使用,防止裂缝继续发展,并最终导致倒塌。
2.裂缝产生机理分析
在南立面墙壁上发生了阶梯形裂缝,从墙脚起向一边逐渐升高,这说明房屋向着东边紧临成教院学生公寓一边逐渐增大了下沉量,裂缝升高的一边就是下沉较大的一边;学生公寓(高大房屋)与学生四、五食堂(低矮房屋)相距较近,低矮房屋在临近高大房屋一侧面的墙上产生了向高大房屋升高的斜裂缝,并且低矮房屋先修建,这说明了低矮房屋受到了相邻高大房屋的地基沉降影响。按《建筑地基基础设计规范》(GBJ7-89),新建筑物靠近原老建筑物时,其基础的埋置深度不宜大于原有建筑物的基础埋深;如果新建房屋基础深于原有建筑基础时,为保证原相邻建筑物的安全和正常使用,两基础间应保持一定的间距L,一般取L为相邻基础底面高差H的1~2倍,成教院学生公寓基础采用挖孔桩基础,深达16 m之多,而学生四、五食堂当初采用3 m深换土回填浅基础;两建筑物基础的L/H根本不满足1~2的规范要求.并在学生公寓桩基深开挖施工时,必定会造成水头差,而土是具有连续孔隙的介质,在水头差作用下,水会透过土体的孔隙而流动,水在土中渗透,必定引起土体内部应力状态的变化;并且当基坑挖至细砂层时,在渗透力作用下,细砂会向上涌向基坑,造成大量细砂流失,从而引起附近的学生四、五食堂基础均匀下沉,造成墙体内部产生附加的剪应力和主拉应力,导致墙体开裂。在图2中,南立面墙上的窗台部分上部为自由面,会在窗间墙和窗台相交的窗角处产生应力集中引起裂缝,并且墙体裂缝越靠近地基和窗洞部位越严重。由于窗间墙受垂直压力,灰缝沉降大,和窗台部分相比造成局部差异沉降,这样不仅引起斜裂缝,而且由于垂直沉降引起砌体中的水平裂缝,说明砌体中存在垂直方向的下沉应力。另外,由于东南部位有落水管和室内洗碗槽的流水经常渗入地表,更减弱了本已处于松弛的基础土支持力,因此加剧了学生四、五食堂基础的不均匀沉降,表现在宏观上就是近几个月来东南面墙上裂缝呈增大趋势。结构抗裂性能的估算:墙高2h=9 m,墙厚370 mm,每层设有砼圈梁,砂浆为M2.5号,红砖为Mu7.5,砖砌体弹性模量E=700×3.5=2450 MPa,由于相邻建筑物的影响,产生的最大差异沉降ΔSmax约为3 cm,现估算结构的抗裂性能。
不均匀下沉的墙体长度α约为5.4 m,将距东侧(图2中)5.4 m处看作悬臂梁的嵌固端,简化图如下。
因为 墙体I= 4.855×1012mm4
墙体刚度EI= 2450×4.855×1012= 2450×4.855×1012= 1.189×1016N•mm2
最大等效分布荷载:-qmax=120×ΔSmax×EI11a4=120×30×1.189×101611×54004= 4576.2 N/mm
最大弯矩:Mmax=--qmax3a2=-7.627×540023=-4.448×104kN•m(沉降缓慢发展)
最终应力:xmax=βMmaxI2h2= 0.3×4.448×1010×2×45002×4.855×1012= 12.37 MPa
Mu75砖墙体的抗拉强度Rf= 0.25 MPa
而σ*xmax= 12.37 MPa >Rf= 0.25 MPa
因此,从计算知必然会引起墙体开裂。
3.对本工程的处理方法
针对现场踏勘和原设计资料的审查和上述的分析及计算。对这种基础不均匀沉降的加固措施,采用托底方法加固(如图5示),在图中AB段,A端和B端,BC段的B端、AD段的D端,采用撑脚桩,即“抬扁担”方法;加固的结构构造是:在加固段落老基础两侧,对称地设置混凝土桩和混凝土墩,由于设置了地基梁,因此沿墙体设置一组钢筋混凝土主梁,上部荷载由墙传给基础梁,基础梁再传给主梁,主梁再传给桩(如图5)。单桩的长度,横断面和配筋,以及主梁、次梁的断面和配筋,均根据上部荷载及地基土性质,经过设计计算确定。
基础采用撑脚桩加固后,砌体裂缝的修理,可在基础加固施工完毕,裂缝稳定后进行,采用铁筋网抹浆或喷浆,针对东头特别东南面墙上裂缝多且又贯穿的缘故,采用钢筋网缝扎于墙身两面,满喷混凝土,它不但消除纵裂缝的扩大,而且大大增加了墙的抗剪强度,具体施工可抹喷3 cm厚的面层,并用6 mm间距200 mm的钢筋网加固墙体,不仅修补了裂缝,而且在此情况下,还有一定的抗震能力,而后对本工程采用喷射法将混凝土射入裂缝内。其施工要点详见施工工艺法,本处限于篇幅,从略。钢筋网加固墙身构造采用图6所示。
4.结 论
加固处理后,对该食堂东头沉降进行了跟踪观测,共观测6次,时间半年,最大累计沉降仅7 mm,且后三次基本无新的沉降,说明该食堂局部沉降已稳定,上部墙体经过修补裂缝后,未发现新裂缝。
由此可见,对独立基础的砖混结构房屋采用撑脚桩加固处理取得成功,加固效果很好,能达到预期目的。
参考文献:
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