基于常用结构设计软件的住宅砌体填充墙开裂原因分析及对策

黎文辉

（广州市设计院集团有限公司 广州 510620）

0 前言

加气混凝土砌块是当前广泛采用的填充墙材料，但是该材料存在着抗拉强度低、干缩显著的特点，在工程上，加气混凝土砌块填充墙开裂的情况较多。一般认为导致填充墙开裂的原因包括材料自身收缩受约束、主体结构沉降差异或者温度变化而导致变形差等。对于具体的项目，有一定经验的工程技术人员可以根据裂缝形态、墙体周边结构情况等对填充墙的开裂原因进行分析，对结构安全性进行判断，并做出修复设计。但当墙体边界条件较特殊，或者需要向小业主、监管部门等解释裂缝原因，论证结构安全性时，有必要对高层建筑结构中的填充墙进行定量或半定量的分析。

1 砌体填充墙开裂分析的研究现状

当前的工程实践中，在钢筋混凝土结构或钢结构的结构设计分析模型均不考虑砌体填充墙的刚度，一般情况下仅将其作为荷载输入，在抗震设计中通过设置小于1的周期折减系数来近似考虑填充墙刚度的影响，填充墙的刚度贡献、内力和变形情况无法有效评估［1］。砌体填充墙的结构设计内容则仅复核墙体的高厚比不超过规范要求，并按规范或图集的要求设置构造柱、圈梁和与竖向构件的拉结筋等，某些高度较大的砌体填充墙外墙则复核风荷载下的灰缝强度［1-4］。

大部分的砌体填充墙开裂原因分析、构造加强措施的研究偏向于概念论述。少数研究工作则采用大型通用有限元软件，对砌体填充墙进行非线性有限元分析，通常采用Abaqus、Ansys 等大型通用有限元软件［5-10］。由于砌体填充墙实际上由砌块、砂浆、混凝土构造柱、圈梁和拉结钢筋等组合而成，砌体的裂缝开展属于非线性过程，各种组成材料的本构关系尚处于探索阶段，有限元分析涉及材料非线性、接触非线性问题和传热-结构耦合问题，边界条件复杂，精确模拟所需的单元数量多，因此这类模型定量研究的模型通常限于一片墙，难以扩展到高层结构的整体分析中，工程实用性有限。

2 项目情况

珠江三角洲某住宅小区一期建设的多栋住宅，在竣工交付前发现相当数量的加气混凝土砌块填充墙出现开裂的情况。经修补后交付业主，业主收楼近两年后仍陆续反映墙体开裂。经对比分析，墙体开裂部位、裂缝走向呈现显著的规律性：裂缝主要出现在北侧户型的卫生间和卧室之间的墙体上，西侧户墙体开裂比例略高于东侧户，交付后墙体开裂情况主要分布在顶部2～3 层；均为斜向裂缝，裂缝走向均为内墙侧（南侧）高，外墙侧（北侧）低。业主向物业管理公司报修墙体开裂的时间多数在夏季。出现裂缝楼栋的平面布置如图1所示，典型的墙面裂缝图2所示，对应图1中编号为墙3的情况。

图1 标准层平面Fig.1 Plan of Typical Floor （mm）

图2 墙体开裂现场Fig.2 Cracking of Infill Wall

由于墙面开裂具有相当的普遍性，开发商承受着来自业主和政府管理部门较大的压力，除了需要保质保量完成修补工作，避免再次出现开裂情况外，也需要向业主和管理部门等解释墙体开裂的原因，论证建筑物的安全性。因此，除了进行概念性的分析外，还希望能通过模型分析计算，复现墙体开裂，并为墙体补强方案提供理论依据。

3 高层住宅砌体填充墙的模型分析

3.1 某项目的模型分析需求

该项目当前阶段发现的填充墙裂缝基本都为规律分布的斜向裂缝，可以排除因材料收缩导致开裂，但如承托填充墙的主体结构发生较大的沉降差，或者主体结构在温度作用下发生较大的变形也可能导致斜向分布的裂缝产生。墙体开裂在平面和楼层分布上均有显著的规律性，因此通过模型分析，比较填充墙的内力和变形情况，可以复现该项目的墙体裂缝情况，从而找出导致墙体开裂的原因。

如本文第1节的介绍，对于本项目来说，几乎无法通过建立包含填充墙的整栋建筑单体的精确非线性模型来对墙体开裂情况进行模拟分析，从而得到较精确的定量分析结果。但将模型模拟分析的目标调整为半定量分析，建立包含填充墙的整体结构模型，材料和几何均按照线弹性分析，通过比较温度变化、基础沉降、结构构件发生过大变形等条件下，不同平面位置、不同楼层的砌体墙变形和内力，当某条件下砌体墙的内力分布规律与墙体裂缝分布吻合，则可以确定墙体裂缝的原因。尽管线弹性模型计算的填充墙内力值与实际情况可能存在一定差距，但仍可作为裂缝修补加筋设计的参考依据。

当前房屋建筑结构设计常用YJK 软件的YJK-A设计模块仅能进行线弹性计算分析，但可以对剪力墙构件进行单元划分，并在结果查看模块中显示各节点的位移、应力等结果数据。且该程序也可以指定单元划分的最大尺寸，通过控制单元尺寸，可以基本满足显示模型中墙体内的内力分布和变形情况的要求。在本项目仅进行半定量分析的需求下，采用YJK 软件建模分析基本可以实现。

3.2 建模要点

在原设计模型的基础上另外建入如下4 片砌体填充墙：裂缝主要在墙1、墙3 中发现，与墙1 相邻的墙2 偶有开裂情况，墙4 是标准层平面中最长的墙体，该墙体未报告存在裂缝。该项目加气混凝土砌块填充墙采用A5.0 级别砌块，砂浆为蒸压加气混凝土用砌筑砂浆，强度为Ma5 级，YJK软件具有自定义材料力学参数的功能，对照《蒸压加气混凝土制品应用技术标准：JGJ/T 17—2020》［2］的指标，定义墙1～墙4 的材料力学参数为：砌体抗压强度设计值为1.3 N/mm2，砌体弹性模量为2 300 N/mm2，泊松比为0.2，线膨胀系数为8×10-6/℃，容重为800 kg/m3。

按照一般的构造做法，砌体填充墙与相连的钢筋混凝土竖向构件（包括主体结构的钢筋混凝土墙、柱或钢筋混凝土构造柱）之间，每隔600 mm 设置2φ6 水平钢筋拉结，钢筋一端锚入混凝土构件，伸入砌体墙灰缝内700 mm，构造柱与砌体墙之间则设置马牙槎，增强砌体与混凝土柱之间的连接，砌体与混凝土构件交界处的抹灰面则在抹灰层中压入纤维网片。一般来说，砌体与混凝土构件之间的粘结强度较低，属于容易开裂的位置，但由于构造复杂，实际上难以实现严格的定量分析，对于本模拟分析，由于仅需要对比砌体填充墙在不同部位的应力分布情况，探讨砌体填充墙本身的开裂规律，因此对于可以预见到的模型分析揭示的砌体墙与主体结构之间界面的高应力和可能的开裂情况不作深入分析，建模中也不考虑界面的非线性。

高层建筑的构件施工次序对结构构件的内力和变形结果有很大的影响。在实际工程中，一般是主体结构施工若干层后开始填充墙砌筑工作，墙体顶部斜砖的砌筑时间通常在主体结构封顶后，此时填充墙在竖向基本只承担自身重量。当前普遍采用的建筑结构设计计算软件均有指定构件施工次序的功能，在模型中指定上述墙1～墙4 的施工次序在全楼钢筋混凝土构件施工完成后，即可实现模拟砌体填充墙自承重的受力特点。

对照建筑平面和构造柱平面图，墙1～墙3在外墙端部设置有兼作装饰线条用的混凝土构造柱，由于构造柱线条较复杂，在本算例中简化为等面积的矩形混凝土柱，施工次序同砌体填充墙。

对于本文探讨案例中的砌体填充墙裂缝，导致开裂的原因包括基础发生不均匀沉降，楼层梁发生过大的变形，温度变化等。本项目各标准层的结构布置、构件截面一致，梁板配筋基本不变，而填充墙裂缝主要分布在各栋的顶部楼层，因此可判断由于设计或施工原因导致的楼层梁发生过大变形不是导致裂缝的原因。对于其中YJK 程序可以通过指定竖向构件的支座位移来模拟基础沉降，本项目通过分别指定A 墙、B 墙的竖直向下的位移为20 mm。普遍在气温较高的4～10 月期间报告出现这些砌体填充墙裂缝，因此主要考虑升温影响，其中屋面层所有节点按升温20 ℃，其他楼层外围节点按升温10 ℃输入模型。

本项目层高2.9 m，需要考察对比应力分布情况的墙体宽度约3 m，为了能更直观显示墙体的应力分布情况，在程序前处理中控制墙体的单元划分尺寸不大于0.5 m，单个标准层的单元划分情况如图3所示。

图3 标准层墙体单元划分轴测图Fig.3 Axonometric Drawing of FEM Model of Single Typical Floor

3.3 模型分析结果

通过模型分析，可以得到结构模型在恒载、温差、变形等工况下的墙体应力数值。表1～表4 中列出各片填充墙在1 层、2 层、10 层、20 层、30 层和31 层的层高中部节点1 向、2 向正应力σ11、σ22及剪应力τ12，其中1 向和2 向为墙单元的局部坐标，1 方向为南北方向，2方向为竖直方向。

表2 墙2应力分布Tab.2 Stress of Wall 2

表3 墙3应力分布Tab.3 Stress of Wall 3

表4 墙4应力分布Tab.4 Stress of Wall 4

从表格中可以看到如下几个规律：

⑴恒载作用下的应力水平很低，符合砌体墙在主体结构完成后砌筑，属于自承重墙的受力特征。

⑵温度变化引致的填充墙应力呈现顶部楼层量值大，底部楼层量值小的规律。

⑶在同一楼层中，其中更接近室外侧，且一端与剪力墙连接的墙1、墙3的砌体墙，其应力水平更高。

⑷沉降差引起的砌体墙应力呈现出底部楼层量值最大，中间楼层以上的应力量值基本衰减至0。

对照上述的内力分布情况，结合填充墙裂缝出现的时、空规律，在楼层间和不同砌体墙之间，升温引致的砌体墙应力分布情况与裂缝的空间分布情况基本一致：底部楼层墙体应力水平低，顶部楼层应力水平较高，墙1、墙3 应力水平比墙2、墙4高，因此各栋墙体裂缝多数出现在顶部两层的墙1、墙3。

3.4 判断裂缝方向的模型分析

由于本例分析所用的YJK 程序不能显示墙板单元分析结果的内力方向，因此无法直观判断裂缝开展方向。但可以通过在填充墙平面内增设两个方向的交叉层间斜撑，斜撑两端铰接，模型中设置其施工次序同填充墙一致，通过考察斜撑的内力情况，即可以判断裂缝的基本走向。从图4的升温工况下的顶部4层的墙1～墙3平面内的斜撑内力分布示意图可见，北高南低走向的斜撑轴力为拉力，相反方向的斜撑为压力（或量值较小的拉力）；同时，北高南低走向的斜撑拉力在顶层达到峰值，随楼层降低而减小；同一层中墙1 和墙3 的受拉斜撑的拉力值显著高于墙2。上述环境温度升高时的填充墙平面内斜撑内力分布规律与3.3 小节的填充墙应力分布情况吻合，交叉斜杆中的内力对比也直观揭露了顶部楼层填充墙出现南高北低走向的裂缝。

图4 升温工况下的墙1顶部楼层内力方向Fig.4 Direction of the Internal Force of Wall 1 under Positive Temperature Change

4 墙体裂缝修改方案

本项目的墙体开裂现象发生后，经过对开裂原因进行分析，结合现场条件，所制定的修复措施包括：①砌体墙顶部两侧分别切宽度、厚度均为15 mm 的缝，填充密封胶；②分别在墙体两侧的每条水平向灰缝开槽，开槽范围以裂缝为中心，裂缝两边各长300 mm，开槽清理干净后填充抗裂砂浆，每侧分别压入600 mm长的φ6钢筋；③墙体已有裂缝开槽，压灌树脂胶泥填充封闭砌块裂缝；④填充墙体整面挂镀锌钢丝网批荡，且钢丝网的布置范围延伸至混凝土构件上。

5 改善砌体填充墙开裂情况的设计措施

工程实践中，温度变化是加气混凝土砌块墙体开裂的主要原因。在高层住宅中，在夏季环境温度升高，而隔热措施不到位，主体结构构件温升较大时，类似本案例分析中的顶部楼层填充墙将存在显著的拉应力，从而容易发生墙体开裂的情况。为了有效降低加气混凝土砌块填充墙由于升温而发生开裂的情况，除了按照现有施工工艺进行墙体砌筑外，在设计上还建议采用如下措施：

⑴采用ALC 墙板或类似的装配式墙板系统代替砌筑填充墙。由于装配式墙板与主体结构之间连接属于柔性连接，主体结构对填充墙影响小，并且连接部位的变形适应能力大，另一方面，墙板配有钢筋（丝）网片，本身的抗裂能力较强，因此采用装配式墙板可以有效降低墙体开裂风险。

⑵如采用砌块砌筑填充墙，则采用填充墙与主体结构柔性连接的方式，降低主体结构对砌体墙的约束。

⑶在六度、七度抗震区，砌体墙拉结钢筋一般不通长布置，但从上述分析可见，环境温度变化时，顶部楼层的应力变化比较显著，因此宜在顶部3～4 层范围内的填充墙体与主体结构或构造柱之间的拉结钢筋按通长布置。

6 结论

⑴利用YJK 结构设计软件，在通常结构整体模型的基础上，利用软件的自定义材料、指定施工次序等功能，可以在模型中建入砌体填充墙，考察加气混凝土砌块填充墙在温度变化、基础沉降等工况下的内力，分析相应工况下的填充墙内力分布规律。

⑵本文介绍的工程实例中，砌体填充墙的裂缝分布规律和裂缝形态与外围构件温度升高导致的砌体墙内力分布模式吻合，可以明确认定温度变化为填充墙开裂的原因。

⑶根据计算分析结果和工程经验，编制适用于该工程案例的墙体裂缝修复方案，并提出了改善砌体填充墙开裂情况的设计措施。

⑷PKPM、YJK 等工程设计软件广为工程设计人员熟识，且经过多年发展，其建模、分析和前后处理功能相对完善，除了可以进行常规的工程设计外，灵活应用该类设计软件，可以在一定程度上代替通用有限元软件，进行一些普通工程设计内容以外的分析工作，为设计工作提供更大的附加值。