司偉龍

新疆建筑設計研究院（830002）

橫孔砌塊力學性能和熱工性能分析

司偉龍

新疆建筑設計研究院（830002）

橫孔連鎖混凝土空心砌塊這一新型墻體材料，有效地解決了豎孔易開裂、保溫隔熱性能差、防滲性能差、不方便布置橫向管道等幾個方面的問題,且其施工簡單,砌筑質量也容易保證。這里借助有限元軟件ANSYS10.0對砌塊的的力學性能和熱工性能進行了分析，為橫孔砌塊的推廣引用提供了理論支持。

橫孔連鎖混凝土空心砌塊；ANSYS；力學性能；熱工性能

目前，我國全國各地都基本上禁止了黏土實心磚的使用，新型墻體材料的研究是必要的，目前我國正在大力推行墻體材料的改革,改革的目標是要用新型墻體材料取代傳統(tǒng)的黏土實心磚,以達到保護耕地、節(jié)約能源、保護環(huán)境、科學可持續(xù)發(fā)展的目的。[1-2]混凝土空心砌塊是新型墻體材料改革、發(fā)展的重要方向。

目前世界上常用的混凝土空心砌塊為豎孔形式,如單排孔、雙排孔和多排孔混凝土空心砌塊等。豎孔空心砌塊砌體的研究一直是國內外學者關注的熱點課題,研究較多亦較深入。傳統(tǒng)的豎孔空心砌塊具有節(jié)能、節(jié)地、環(huán)保、輕質等優(yōu)點,但在使用過程中也發(fā)現(xiàn)了一系列的缺點,主要體現(xiàn)在易開裂、保溫隔熱性能差、防滲性能差、芯柱施工困難和不方便布置橫向管道等幾個方面。[3]筆者研究發(fā)明了一種新型的橫孔空心混凝土砌塊，在一定程度上解決了以上問題。

1 橫孔砌塊的優(yōu)點

橫孔連鎖混凝土空心砌塊(如圖1所示)將傳統(tǒng)空心砌塊的豎孔(如圖2所示)改變?yōu)闄M孔,不僅具有一般豎孔空心砌塊節(jié)能、節(jié)地、環(huán)保、輕質等優(yōu)點,還克服了豎孔空心砌塊存在的裂、熱、滲等問題。

1）橫孔砌塊砌筑時按照錯縫搭接，避免通縫,“橫平豎直”的砌筑要求，將下皮磚的凸肋插入上皮磚的下凹槽即可,由于凸肋和下凹槽具有良好的咬合作用,即使不用砂漿砌筑也可滿足框架結構填充墻的強度、穩(wěn)定性等各方面要求,因此當使用該砌塊砌筑框架結構的填充墻時可干砌。

2）采用該砌塊砌筑,工序簡單、施工快捷,且對工人的技術要求較低，可以很大程度地降低施工成本，提高施工速度。

3）該砌塊的上部凹槽內可以布置水平鋼筋混凝土帶,提高了墻體的抗震和抗裂性能。

4）該砌塊橫孔內可以插入保溫塊,減少墻體熱傳導,且空洞交錯布置，隔斷了熱橋，提高了墻體保溫隔熱的性能。

5）該砌塊墻體中上皮砌塊的下部凹槽與下皮砌塊的上部凸肋咬合,使上下皮砌塊連鎖砌筑,形成整體防水構造,防滲性能優(yōu)良。

該砌塊墻體施工簡單、性能好、速度快、造價低,符合墻體材料改革方向和國家節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

圖1 砌塊橫截面

圖2 豎孔砌塊

2 砌塊力學性能分析

與一般豎孔砌塊相比，橫孔連鎖混凝土空心砌塊砌體受壓時的力學性能完全不同。對于橫孔砌塊而言，其最大承載力取決于豎肋，但其實際承載力在于豎肋能不能充分發(fā)揮其作用，利用ANSYS有限元軟件，對橫孔砌塊砌體作受壓分析，觀察其在壓力作用下的力學性能。

2.1 參數(shù)設置

試驗采用SOLID65對砌塊進行分析,SOLID65單元是專為混凝土、巖石等抗壓能力遠大于抗拉能力的非均勻材料開發(fā)的單元。它可以模擬混凝土中的加強鋼筋(或玻璃纖維、型鋼等),以及材料的拉裂和壓潰現(xiàn)象。在分析中必須考慮混凝土材料性能的影響,混凝土本構關系對混凝土結構的非線性分析有重大的影響。依據(jù)文獻[4]混凝土采用Sargin本構關系,使用Mises屈服條件、等向強化的多線性材料模型輸入,[5]如圖3所示。混凝土的破壞準則輸入?yún)?shù)為:[6]張開裂縫剪力傳遞系數(shù)為0.35,閉合裂縫剪力傳遞系數(shù)設為1(即沒有剪力損失)，單軸抗壓強度設為-1(即不考慮混凝土的壓碎)。計算分析采用混凝土C30,其參數(shù)見表1。

表1 C30混凝土數(shù)據(jù)表

圖4 Mises應力

通過規(guī)范方法和ANSYS對其熱工性能進行分析，混凝土砌塊的邊界條件比較復雜，用解析的方法計算其溫度場比較困難，現(xiàn)取一砌塊為計算單元進行數(shù)值分析計算,計算時假設如下:

1）砌塊在砌體中處于穩(wěn)定溫度場內,故采取穩(wěn)態(tài)熱傳導問題進行分析。

2）由于砌體的長度遠大于砌體的厚度,故將問題簡化為二維平面問題進行分析。

3）每層砌塊的邊界條件相同,假設砌塊與相鄰砌塊間無熱交換。

圖3 sargin本構關系

2.2 計算結果分析

從圖形可知，在僅豎向荷載作用下，砌塊各豎肋在遠離橫肋連接的部位有向外鼓出的變形，在橫肋的作用線，各豎肋應力分布均勻，可充分發(fā)揮混凝土材料的受力性能，在橫豎肋交接出現(xiàn)應力集中，可做成倒角。

3 熱工分析

圖5 位移變形圖

4）砌塊與保溫材料接觸良好,接觸面具有相同的溫度。

表2 計算參數(shù)

圖5 溫度分布圖

圖6 流量分布圖

表3 計算結果

4 結語

1）與豎孔砌塊比較,橫孔連鎖砌塊的防滲性能、抗裂性能好，易砌筑，砌筑質量好。

2）對砌塊進行有限元分析，其在豎向力作用下砌塊各部分受力均勻，材料性能發(fā)揮充分，可滿足規(guī)范要求。

3）通過規(guī)范方法和有限元分析可知，砌塊通過交叉空洞布置和填充保溫材料，隔斷了熱橋，其傳熱性能有所提高，與有限元計算的傳熱系數(shù)相較,規(guī)范方法計算值較大。

[1]苑振芳.混凝土空心砌塊建筑發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].墻材革新與建筑節(jié)能,1999,16(5):131～134.

[2]嚴理寬.試論我國混凝土空心砌塊的發(fā)展戰(zhàn)略[J].建筑砌塊與砌塊建筑,2003,(2):3～6.

[3]孫惠鎬,王墨耕,李俊民.小砌塊的建筑設計與施工[M].北京:中國工業(yè)出版社,2000.

[4]何春林,龔成中.不同本構關系的小型混凝土砌塊的模擬試驗[J].混凝土,2007,(10):42～45.

[5]葉裕明,劉春山,沈火明,等.ANSYS土木工程應用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2007.

[6]王新敏.ANSYS工程結構數(shù)值分析[M].北京:人民交通出版社,2011.