控制縫的分布對(duì)砌體溫度效應(yīng)的影響

許 筠 郭 寧

(1.湖南輕工研究院，湖南長(zhǎng)沙 410000;2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引言

由于混凝土多孔磚濕脹干縮、線膨脹系數(shù)較大，受溫度應(yīng)力的影響，混凝土多孔磚房屋常常出現(xiàn)不同程度的開(kāi)裂現(xiàn)象，因此對(duì)混凝土多孔磚砌體房屋的溫度裂縫機(jī)理及控制措施進(jìn)行進(jìn)一步研究總結(jié)。

砌體建筑設(shè)計(jì)中，除按我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范設(shè)置抗震縫、沉降縫及變形縫外，還應(yīng)在溫度集中處加設(shè)控制縫(變形縫)?？刂瓶p的設(shè)置主要是針對(duì)混凝土材料干縮變形的特性，將過(guò)長(zhǎng)的墻體分段，以避免墻體內(nèi)部干縮變形的過(guò)度積累，而引起墻內(nèi)過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力，造成墻體的裂縫。國(guó)內(nèi)的大量工程實(shí)例證明，在建筑立面、結(jié)構(gòu)抗震防風(fēng)和嵌縫材料的變形能力滿足要求的前提下，設(shè)置控制縫是解決墻體因溫度開(kāi)裂較為有效的方法。

因此，本文通過(guò)ANSYS軟件模擬出砌體結(jié)構(gòu)中不同間距控制縫對(duì)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的影響，以此總結(jié)出若干防止砌體結(jié)構(gòu)溫度裂縫的方法，為混凝土多孔磚砌體結(jié)構(gòu)預(yù)防和控制溫度裂縫提供科學(xué)依據(jù)。

1 頂層裂縫形成機(jī)理

考慮到頂層溫度應(yīng)力較大，受溫度應(yīng)力的影響，砌體結(jié)構(gòu)頂層墻體往往容易產(chǎn)生溫度裂縫。屋面板在長(zhǎng)時(shí)間受到陽(yáng)光輻射的情況下，屋面溫度是墻體溫度的兩倍左右。受溫度影響，屋面板縱墻方向的形變大于橫墻方向形變，在對(duì)外橫墻產(chǎn)生垂直推力的同時(shí)對(duì)外縱墻產(chǎn)生較大的水平推力。由于屋面板形變產(chǎn)生的推力和屋蓋、挑檐或女兒墻的垂直壓力構(gòu)成墻體雙向壓力，當(dāng)主拉應(yīng)力大于墻體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，墻體就會(huì)出現(xiàn)裂縫［1］。頂層墻體在頂板的水平拉力和頂層屋面正壓力的作用下就會(huì)出現(xiàn)如圖1所示的八字裂縫。

圖1 外縱墻八字裂縫和端部開(kāi)間窗角斜裂縫

經(jīng)有限元及彈性力學(xué)近似法計(jì)算發(fā)現(xiàn)，頂層外縱墻的水平剪力從中間向兩端部呈逐漸增大趨勢(shì)，兩端部水平剪力最大，而中間部位相對(duì)較小;墻體頂部的水平位移也是從中間向端部逐漸增大，在剪應(yīng)力達(dá)到最大的區(qū)域其水平位移也明顯較大。

2 計(jì)算模型概況

2.1 溫度參數(shù)取值

采用任何方法計(jì)算砌體結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)，均與溫差的合理取值有密切關(guān)系。

組合溫差綜合考慮了年溫差和日溫差(有的根據(jù)正曬面溫度峰值的計(jì)算公式來(lái)計(jì)算，有的根據(jù)有限差分法來(lái)計(jì)算［2，3］，也有根據(jù)《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》采用日平均溫差)對(duì)溫度應(yīng)力的影響，由于年溫差的變化是緩慢的，經(jīng)歷的時(shí)間長(zhǎng)，可以認(rèn)為它對(duì)結(jié)構(gòu)的作用相對(duì)要小，考慮到混凝土材料在此期間會(huì)發(fā)生徐變和應(yīng)力松弛等現(xiàn)象，在考慮共同作用的時(shí)候，在年溫差前乘以一蠕變系數(shù)0.85。即組合溫差=日溫差+0.85×年溫差。

本文通過(guò)中國(guó)南部地區(qū)的全年溫度情況，結(jié)合文獻(xiàn)［4］通過(guò)對(duì)杭州地區(qū)一試點(diǎn)建筑近一年的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得到了年溫差和日溫差，最后計(jì)算得到的組合溫差如表1所示。

表1 墻體、屋面溫差表 ℃

2.2 單元類(lèi)型和計(jì)算模型

計(jì)算模型中樓板等配筋構(gòu)件均應(yīng)采用分布式模型，即采用了含筋的Solid65單元，認(rèn)為鋼筋是以均勻分布的形式含在混凝土中。而混凝土多孔磚墻體采用不含筋的Solid65單元來(lái)進(jìn)行模擬。

在結(jié)構(gòu)剛度允許的條件下，控制縫的設(shè)置能有效降低應(yīng)力集中，本文模型中的控制縫設(shè)置在容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的窗洞角，各模型開(kāi)間均為3.6 m，共15個(gè)開(kāi)間，房屋縱向長(zhǎng)度為3.6 m×15=54 m。分別對(duì)設(shè)置不同間距及數(shù)量的控制縫的多孔磚砌體房屋模型W1～W6進(jìn)行有限元分析(模型具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2)。

表2 模型具體數(shù)據(jù) m

3 模型演算結(jié)果及對(duì)比分析

在不設(shè)置控制縫時(shí)，頂層端部開(kāi)間外墻主拉應(yīng)力分布如圖2所示，按間距18 m設(shè)置控制縫后，頂層端部開(kāi)間外墻主拉應(yīng)力分布如圖3所示。

圖2 不設(shè)控制縫時(shí)主拉應(yīng)力分布

圖3 設(shè)置控制縫后主拉應(yīng)力分布（間距18 m）

由圖2，圖3可見(jiàn)，在不設(shè)置控制縫時(shí)，窗洞右下角有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，墻體最大主拉應(yīng)力為0.254 MPa，增設(shè)控制縫后，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到明顯的緩解，且墻體的最大主拉應(yīng)力降至0.203 MPa。這說(shuō)明了:控制縫合理的設(shè)置可以對(duì)結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力進(jìn)行釋放，從而有效的控制溫度裂縫發(fā)生。

表3及圖4，圖5為控制縫間距對(duì)外縱墻溫度應(yīng)力及層間位移的影響。由此可見(jiàn)，隨著控制縫間距的減小，墻體的最大主拉應(yīng)力逐漸減小，頂層層間位移也呈減小趨勢(shì)，當(dāng)控制縫間距小于20 m時(shí)，對(duì)降低墻體溫度應(yīng)力的效果較為明顯，當(dāng)控制縫間距大于27 m后，對(duì)墻體溫度應(yīng)力的影響很小，這說(shuō)明控制縫間距超過(guò)一定長(zhǎng)度則不能有效改善應(yīng)力集中的問(wèn)題，失去了設(shè)置控制縫的意義。

GB 50003-2001砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)墻體設(shè)控制縫以釋放應(yīng)力避免開(kāi)裂的措施持慎重態(tài)度，主要是擔(dān)心降低墻體剛度對(duì)抗震不利，這方面國(guó)內(nèi)研究尚不太充分，所以暫時(shí)只提當(dāng)房屋剛度較大時(shí)設(shè)置控制縫［5］。

哈爾濱建筑大學(xué)曾做過(guò)砌塊墻片設(shè)控制縫的抗側(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)及有限元分析結(jié)果表明［6］:墻體中間設(shè)置控制縫后，抗側(cè)剛度的降低程度隨墻片寬高比的增大而減小，認(rèn)為頂層設(shè)置控制縫至少在7度區(qū)對(duì)7層砌塊房屋抗震性能影響不大。

表3 控制縫間距對(duì)外縱墻溫度效應(yīng)的影響

圖4 控制縫的間距與外縱墻最大主應(yīng)力之間的關(guān)系

圖5 控制縫的間距與層間位移的關(guān)系

基于以上分析，在外墻易出現(xiàn)應(yīng)力集中處設(shè)置控制縫是解決溫度裂縫的有效措施，兼考慮到不過(guò)度降低墻體抗側(cè)剛度而影響房屋的抗震性能，對(duì)于混凝土多孔磚砌體房屋，在適當(dāng)設(shè)置伸縮縫后，還應(yīng)在頂部?jī)蓪雍侠碓O(shè)置控制縫，控制縫的最大間距不應(yīng)大于20 m。同時(shí)還應(yīng)當(dāng)指出，外墻中設(shè)置控制縫是客觀實(shí)際提出的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

從ANSYS軟件模擬結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，在外墻易出現(xiàn)應(yīng)力集中處設(shè)置控制縫能有效降低應(yīng)力集中，降低溫度裂縫發(fā)生的幾率。對(duì)于混凝土多孔磚砌體房屋，在適當(dāng)設(shè)置伸縮縫后，還應(yīng)在頂部?jī)蓪雍侠碓O(shè)置控制縫，控制縫最大間距不應(yīng)大于20 m。其結(jié)論可作為混凝土多孔磚砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工的指導(dǎo)。

［1］張延風(fēng).磚混結(jié)構(gòu)房屋溫度裂縫的成因和防治［J］.山西建筑，2007，33(29):155-156.

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［4］葉甲淳.混凝土小型空心砌塊建筑裂縫控制的溫度效應(yīng)研究［D］.杭州:浙江大學(xué)博士學(xué)位論文，2003.

［5］唐岱新，龔紹熙，周炳章.砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范理解與應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

［6］翟希梅，唐岱新，張玉紅.控制縫對(duì)砌塊建筑抗震性能的影響與分析［J］.低溫建筑技術(shù)，2001(4):16-18.