關(guān)杰　郭寧

摘要：文章對在混凝土多孔磚砌體結(jié)構(gòu)中設(shè)置頂層構(gòu)造柱對砌體溫度效應(yīng)的影響進行了有限元模型模擬分析，運用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)識碼：A

中圖分類號：TU365 文章編號：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，需要對混凝土多孔磚砌體房屋溫度裂縫機理及控制措施進行進一步的研究。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)力對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，從而總結(jié)出工程設(shè)計與施工中關(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及形成機理

1.1 頂層墻體溫度裂縫特點

1.1.1 溫度裂縫通常處于對稱狀態(tài)，一般處于房屋兩端位置，第1、2開間墻體更為明顯，其特點為背陰輕、向陽重、中間輕、兩端重。

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

1.1.3 水平裂縫多發(fā)生于山墻，內(nèi)外縱墻常見水平縫與“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)會影響到裂縫程度。

1.2 頂層墻體溫度裂縫形成機理

由于房屋頂層溫度因素，其對裂縫的影響較大，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。在長時間陽光及紫外線輻射下，屋面板溫度會升高，經(jīng)測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，墻體會開裂。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產(chǎn)生“八”字裂縫。通過彈性力學(xué)與有限元近似法計算不難看出，對于頂層外縱墻而言，從中間向兩端方向水平剪力會逐漸增大，因此中間位置剪力相對較小，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，其水平位移距離也相對更大。

2 溫差計算模型

2.1 溫度取值參數(shù)控制

在砌體結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)計算方面，無論使用何種計算方式，均需要考慮到溫差影響，因此溫差取值需謹(jǐn)慎。組合溫差的計算需要注重日溫差與年溫差，其計算方式可根據(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)公式等方式來計算，從而得出溫差影響程度。一般日溫差相對重要，這是由于年溫差經(jīng)歷時間較長且變化緩慢，對結(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中南部區(qū)域一年中變化情況，通過對杭州某建筑實測得到真實日溫差及年溫差數(shù)據(jù)，其組合溫差具體數(shù)據(jù)見表1：

2.2 單元類型和計算模型

計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)置對溫度效應(yīng)的影響，本節(jié)對幾種構(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)力和水平位移進行了比較分析。各模型縱向長度均為50.4m（14個開間，每個開間均為3.6m），其構(gòu)造形式說明如下：

M1：只設(shè)置圈梁不設(shè)置構(gòu)造柱；M2：在模型M1的基礎(chǔ)上在每個端部兩個開間設(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)果及對比分析

由圖2～圖4各個模型的主拉應(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，墻體的最大主拉應(yīng)力呈逐漸減小趨勢，這是因為設(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，墻體內(nèi)應(yīng)力分布趨于均勻。參考文獻(xiàn)[5]中試驗研究及對黏土磚結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果與本文分析結(jié)果較為相近，這說明構(gòu)造柱的設(shè)置對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，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，當(dāng)不設(shè)置構(gòu)造柱時墻體的主拉應(yīng)力達(dá)到0.36MPa，在端部兩開間設(shè)置構(gòu)造柱后，主拉應(yīng)力降至0.27MPa，可見在端部采用構(gòu)造柱進行加強，對降低墻體主拉應(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，對墻體主拉應(yīng)力降低效果較好，當(dāng)構(gòu)造柱間距大于14.4m時，對溫度應(yīng)力的影響并不明顯，這也說明當(dāng)構(gòu)造柱間距超過一定的長度，則對減小墻體的應(yīng)力及側(cè)移效果不明顯，此時構(gòu)造柱就不能有效地抵抗墻體的溫度裂縫的開展?；谝陨戏治觯鄬踊炷炼嗫状u砌體結(jié)構(gòu)在頂層端部兩個開間應(yīng)加強構(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。因此，對于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)計規(guī)范》（GB50011-2001）設(shè)置構(gòu)造柱后，另外在頂層端部兩個開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)造柱周圍砌體開裂，外墻構(gòu)造柱不宜外露。

4 結(jié)語

由于房屋砌體抗剪強度與抗拉強度較小，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，通過變形性能以及強度上的優(yōu)化提升構(gòu)件溫度應(yīng)力，從而改善頂層端部位置門窗洞口開裂情況。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，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.

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

（責(zé)任編輯：黃銀芳）