設(shè)置構(gòu)造柱對(duì)砌體溫度效應(yīng)影響的有限元分析

關(guān)杰　郭寧

摘要：文章對(duì)在混凝土多孔磚砌體結(jié)構(gòu)中設(shè)置頂層構(gòu)造柱對(duì)砌體溫度效應(yīng)的影響進(jìn)行了有限元模型模擬分析，運(yùn)用ANSYS軟件模擬出設(shè)置不同構(gòu)造柱形式下溫度應(yīng)力的分布情況，并由此分析出頂層構(gòu)造柱對(duì)砌體溫度應(yīng)力的影響，給出了控制及預(yù)防頂層溫度裂縫的若干措施，可作為混凝土多孔磚砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工參考。

關(guān)鍵詞：混凝土多孔磚；砌體結(jié)構(gòu)；構(gòu)造柱；ANSYS；溫度應(yīng)力；有限元分析 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TU365 文章編號(hào)：1009-2374（2016）07-0015-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.07.008

由于混凝土多孔磚線性膨脹系數(shù)較大，受溫度影響大，在長(zhǎng)期溫差影響下，砌體結(jié)構(gòu)頂層墻體易產(chǎn)生裂縫。因此，需要對(duì)混凝土多孔磚砌體房屋溫度裂縫機(jī)理及控制措施進(jìn)行進(jìn)一步的研究。本文借助ANSYS軟件，模擬設(shè)置不同構(gòu)造柱形式下砌體結(jié)構(gòu)頂層墻體溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，從而總結(jié)出工程設(shè)計(jì)與施工中關(guān)于構(gòu)造柱設(shè)置的若干建議，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 頂層墻體溫度裂縫特點(diǎn)及形成機(jī)理

1.1 頂層墻體溫度裂縫特點(diǎn)

1.1.1 溫度裂縫通常處于對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，一般處于房屋兩端位置，第1、2開(kāi)間墻體更為明顯，其特點(diǎn)為背陰輕、向陽(yáng)重、中間輕、兩端重。

1.1.2 在房屋頂層相對(duì)易出現(xiàn)溫度裂縫，裂縫從此處開(kāi)始，輕裂，較少向下延伸，通常一年左右時(shí)間便停止開(kāi)裂。

1.1.3 水平裂縫多發(fā)生于山墻，內(nèi)外縱墻常見(jiàn)水平縫與“八”字斜裂縫兩種，屋面板上墻體與板及相鄰板縫接觸位置飾面表層存在水平縫（魚(yú)鱗樣）；內(nèi)橫墻面兩端裂縫呈“八”字狀態(tài)。

1.1.4 縫寬一般下部較窄，上部較寬；易受溫度影響，砌磚季節(jié)會(huì)影響到裂縫程度。

1.2 頂層墻體溫度裂縫形成機(jī)理

由于房屋頂層溫度因素，其對(duì)裂縫的影響較大，頂層墻體砌體結(jié)構(gòu)受溫度應(yīng)力影響而出現(xiàn)溫度裂縫。在長(zhǎng)時(shí)間陽(yáng)光及紫外線輻射下，屋面板溫度會(huì)升高，經(jīng)測(cè)算通常為墻體溫度兩倍。在這種溫度差下，屋面板橫墻方向形變小于縱墻方向，外縱墻受到水平推力、外橫墻受到垂直推力。在屋面板變形狀態(tài)下，女兒墻、挑檐、屋蓋的垂直壓力會(huì)與屋面板變形造成的推理形成雙向壓力，當(dāng)墻體抗拉力程度已經(jīng)不足以抵抗主拉應(yīng)力時(shí)，墻體會(huì)開(kāi)裂。頂層墻體在頂層屋面正壓力與頂板水平拉力雙重作用下會(huì)產(chǎn)生“八”字裂縫。通過(guò)彈性力學(xué)與有限元近似法計(jì)算不難看出，對(duì)于頂層外縱墻而言，從中間向兩端方向水平剪力會(huì)逐漸增大，因此中間位置剪力相對(duì)較小，兩端位置水平剪力較大。同理，墻體頂部剪力也是如此，剪應(yīng)力最大時(shí)，其水平位移距離也相對(duì)更大。

2 溫差計(jì)算模型

2.1 溫度取值參數(shù)控制

在砌體結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)計(jì)算方面，無(wú)論使用何種計(jì)算方式，均需要考慮到溫差影響，因此溫差取值需謹(jǐn)慎。組合溫差的計(jì)算需要注重日溫差與年溫差，其計(jì)算方式可根據(jù)《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》、有限差分法或是正曬面溫度峰值相關(guān)公式等方式來(lái)計(jì)算，從而得出溫差影響程度。一般日溫差相對(duì)重要，這是由于年溫差經(jīng)歷時(shí)間較長(zhǎng)且變化緩慢，對(duì)結(jié)構(gòu)的不良影響不及日溫差。因此綜合考慮年溫差影響與混凝土材料在一年中出現(xiàn)的應(yīng)力松弛及徐變情況，可將年溫差通過(guò)蠕變系數(shù)加以調(diào)節(jié)（年溫差×0.85）。換言之，組合溫差為年溫差×0.85后與日溫差的和。

本文主要研究了我國(guó)中南部區(qū)域一年中變化情況，通過(guò)對(duì)杭州某建筑實(shí)測(cè)得到真實(shí)日溫差及年溫差數(shù)據(jù)，其組合溫差具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1：

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)件均采用分布式模型，即采用了含筋的SOLID65單元，認(rèn)為鋼筋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)模擬。

眾所周知，磚砌體中設(shè)置構(gòu)造柱能提高其抗震能力，頂層磚砌體承受的荷載實(shí)質(zhì)上就是頂板與墻體的溫差造成的水平溫度應(yīng)力，理論上增設(shè)構(gòu)造柱對(duì)其抵抗溫度應(yīng)力也是一種比較有效的措施。為了分析構(gòu)造柱的設(shè)置對(duì)溫度效應(yīng)的影響，本節(jié)對(duì)幾種構(gòu)造柱設(shè)置不同的模型在表1組合溫差作用下的主拉應(yīng)力和水平位移進(jìn)行了比較分析。各模型縱向長(zhǎng)度均為50.4m（14個(gè)開(kāi)間，每個(gè)開(kāi)間均為3.6m），其構(gòu)造形式說(shuō)明如下：

M1：只設(shè)置圈梁不設(shè)置構(gòu)造柱；M2：在模型M1的基礎(chǔ)上在每個(gè)端部?jī)蓚€(gè)開(kāi)間設(shè)置構(gòu)造柱（間距36m）；M3：在模型M2的基礎(chǔ)上在縱向中部增設(shè)1構(gòu)造柱（間距18m）；M4：在模型M2的基礎(chǔ)上在縱向中部增設(shè)2構(gòu)造柱（間距14.4m）；M5：在模型M2的基礎(chǔ)上在縱向中部增設(shè)4構(gòu)造柱（間距7.2m）；M6：在模型M2的基礎(chǔ)上在縱向中部增設(shè)9構(gòu)造柱（間距3.6m）。

3 模型演算結(jié)果及對(duì)比分析

由圖2～圖4各個(gè)模型的主拉應(yīng)力云圖可知，最大主應(yīng)力均出現(xiàn)在頂層墻體端部開(kāi)間墻體，墻體與構(gòu)造柱及圈梁交接部位主拉應(yīng)力較大，在窗洞口端角處應(yīng)力較為集中，且隨著構(gòu)造措施繼續(xù)加強(qiáng)，墻體的最大主拉應(yīng)力呈逐漸減小趨勢(shì)，這是因?yàn)樵O(shè)置構(gòu)造柱后，應(yīng)力發(fā)生了重分布，雖不能改變洞口處的應(yīng)力集中，但總體降低了墻體中的應(yīng)力，高應(yīng)力集中于構(gòu)造柱及圈梁內(nèi)，隨著構(gòu)造措施的加強(qiáng)，墻體內(nèi)應(yīng)力分布趨于均勻。參考文獻(xiàn)[5]中試驗(yàn)研究及對(duì)黏土磚結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果與本文分析結(jié)果較為相近，這說(shuō)明構(gòu)造柱的設(shè)置對(duì)混凝土多孔磚墻體抵抗溫度裂縫的產(chǎn)生也是十分有效的。

由圖5、圖6及表2可以發(fā)現(xiàn)，隨著構(gòu)造措施的加強(qiáng)，墻體端部的最大主拉應(yīng)力和頂層的最大側(cè)移都有減小的趨勢(shì)，當(dāng)不設(shè)置構(gòu)造柱時(shí)墻體的主拉應(yīng)力達(dá)到0.36MPa，在端部?jī)砷_(kāi)間設(shè)置構(gòu)造柱后，主拉應(yīng)力降至0.27MPa，可見(jiàn)在端部采用構(gòu)造柱進(jìn)行加強(qiáng)，對(duì)降低墻體主拉應(yīng)力效果是十分明顯的。當(dāng)縱向中部構(gòu)造柱間距小于14.4m時(shí)，對(duì)墻體主拉應(yīng)力降低效果較好，當(dāng)構(gòu)造柱間距大于14.4m時(shí)，對(duì)溫度應(yīng)力的影響并不明顯，這也說(shuō)明當(dāng)構(gòu)造柱間距超過(guò)一定的長(zhǎng)度，則對(duì)減小墻體的應(yīng)力及側(cè)移效果不明顯，此時(shí)構(gòu)造柱就不能有效地抵抗墻體的溫度裂縫的開(kāi)展?；谝陨戏治觯鄬踊炷炼嗫状u砌體結(jié)構(gòu)在頂層端部?jī)蓚€(gè)開(kāi)間應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)造措施，且在外墻的中部應(yīng)以不大于14.4m間距設(shè)置構(gòu)造柱用以加強(qiáng)。因此，對(duì)于7度設(shè)防的多層混凝土多孔磚砌體結(jié)構(gòu)，在按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2001）設(shè)置構(gòu)造柱后，另外在頂層端部?jī)蓚€(gè)開(kāi)間縱橫墻交接處增設(shè)構(gòu)造柱則可起到有效地抵抗溫度裂縫的效果，為了避免構(gòu)造柱有較大的溫差變形引起構(gòu)造柱周?chē)鲶w開(kāi)裂，外墻構(gòu)造柱不宜外露。

4 結(jié)語(yǔ)

由于房屋砌體抗剪強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度較小，造成裂縫的因素較多，因此裂縫應(yīng)以預(yù)防為主。小圈梁、窗洞口加小構(gòu)造柱、頂層砌體門(mén)與建筑物圈梁、構(gòu)造柱連接為整體狀態(tài)，需將應(yīng)力集中情況加以改進(jìn)，通過(guò)變形性能以及強(qiáng)度上的優(yōu)化提升構(gòu)件溫度應(yīng)力，從而改善頂層端部位置門(mén)窗洞口開(kāi)裂情況。由以上模型分析，基本可以確定頂層構(gòu)造柱的設(shè)置對(duì)墻體中溫度應(yīng)力的分布有較大影響。隨著構(gòu)造柱措施的加強(qiáng)，墻體中的最大主拉應(yīng)力將有所降低，部分拉應(yīng)力將轉(zhuǎn)移至構(gòu)造柱，從而有效地抑制了端部八字型裂縫的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)

[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，（29）.

[2] 艾兵，陳秉鑫，劉建明.磚混結(jié)構(gòu)房屋墻體溫度分布規(guī)律[J].工業(yè)建筑，1996，26（11）.

[3] 夏勇，裴若娟.高層剪力墻結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力初探[J].建筑結(jié)構(gòu)，2000，30（2）.

[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].浙江大學(xué)，2003.

[5] 吳文濤.砌體結(jié)構(gòu)溫度裂縫的研究[D].天津大學(xué)，2004.

作者簡(jiǎn)介：關(guān)杰（1982-），男，中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司工程師，研究方向：混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；郭寧（1989-），男，中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司工程師，碩士，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）