基于溫度荷載的加氣混凝土填充墻裂縫研究

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基于溫度荷載的加氣混凝土填充墻裂縫研究

姜安民??唐齊??董彥辰

湖南城建職業技術學院，湖南大學土木工程學院，

中南林業科技大學土木工程與力學學院

加氣混凝土填充墻在框架結構中應用較為廣泛，可用于外墻、內隔墻等部位。由于自然環境和人為因素的共同作用導致填充墻裂縫問題凸顯，形式主要以宏觀裂縫為主。外墻的美觀及滲漏問題受裂縫的直接影響。解決填充墻裂縫問題不但滿足了使用功能的要求，提高建筑產品質量，還可以減少業主與施工單位之間的矛盾，具有一定的現實意義。以往人們多采用整體式模型對加氣混凝土填充墻溫度裂縫進行模擬，雖然能對裂縫產生的位置在一定程度上進行判斷，但無法確定墻體破壞位置為砂漿部分還是砌塊部分，這就給我們防治過程中帶來了很大難題；本文在一定理論研究基礎上采用分離式建模，這樣可以對裂縫出現的位置進行相對較為準確的判斷，從而制定一些相應防治措施。

1 ?溫度裂縫的理論分析

結構內部約束應力在結構變形受到抑制時產生，溫度就是引起結構變形的一個主要因素。如某懸臂梁長￡，一端自由、一端固定，在均勻溫差t0(升溫)作用下，梁自由伸長△L，內部無應力產生，伸長量△L=αt0L，ε=△L/L=αt0。將梁自由端固定，在溫度作用下其變形受到抑制，無位移產生，梁內約束應變為：

ε=△L/L=αt0

將一彈性約束施加在自由端，約束施加后產生δ1大小變形量。梁內約束應力為：

如在夏季由于溫度作用屋面與頂層墻體有較大變形差，屋面變形受到抑制產生內力反作用于墻體，使得墻體開裂。這種情況產生的裂縫主要為墻體頂部的八字形裂縫。可利用一維問題模型對此種情況進行計算，將填充墻體看作地基，把頂板當作地基上的彈性板，可由板的內力而反算出墻體內的應力，根據結構相互約束的基本假定：

其中，Cx為水平阻力系數；負號為剪應力的方向與位移方向相反；f為墻體上邊緣的剪應力；u為剪應力處的墻體與頂板的相對位移。

通過對頂板取微體，列平衡方程并求解得：

相對于墻體來說，τ的方向和u是一致的，故取正號；

當墻體與頂板材料不同時，αT=α2T2-α1T1。

其中，α為膨脹系數；α1為墻的膨脹系數；α2為頂板的膨脹系數；T為溫度差；T1為墻的溫差；T2是為頂板的溫差；L為墻體長度； t為墻體厚度，E為混凝土彈性模量，b為一面墻負擔的樓板寬度，h為頂板的厚度。

當在墻體端部x=L／2處，有最大剪應力：

當知道墻厚t，墻體長度L，頂板厚h及墻板溫等參數時，便可以求出墻體端部最大剪切應力。

2 ?墻體溫度裂縫的有限元分析

本文采用有限元軟件ANSYS對溫度進行分析，春夏交替時填充墻裂縫頻發，隨著夏季到來天氣炎熱，陽光直射外墻，很多住戶采取制冷設施，這樣使得墻體兩側有較大的溫度差異。墻體外側溫度較高，同時內側相對較低，這樣直接導致了墻體溫度變形不均，應力集中，最終在墻體的薄弱處產生破壞，產生裂縫。綜合考慮以上因素，本文對平砌法和斜砌法兩片墻體兩側分別施加20℃/25℃，20℃/30℃,20℃/35℃,20℃/25℃，20℃/40℃，20℃/45℃，20℃/50℃六種溫度荷載，觀察墻體的應力、應變情況，判斷裂縫可能出現位置及開展情況。

2.1 ?一些基本假定

本文主要基于以下一些基本假定進行有限元分析：

1)材料性質不隨溫度變化而發生改變。2)引起填充墻裂縫的因素很多，本文目前主要研究溫度作用對其的影響。3)假定基礎與墻體底端剛性連接，考慮到填充墻受到框架結構的約束，假定填充墻左右和上表面均不產生位移，墻體前后兩個面可產生位移。4)在本文中砌塊與砂漿接觸面考慮相對滑移。5)按線性關系施加溫差荷載。6)對結構整體的應力影響因素中附屬設施的影響在本文中不予以考慮。

基于以上假定進行模擬，所得結果可能與實際情況有一定偏差，本文主要研究裂縫的開展位置，所以此偏差對本研究影響不大。

2.2 ?運用ANSYS計算溫度荷載

1)分析單元。

本文分析主要使用的單元類型有結構靜力分析單元Solid45、熱分析單元Solid70。

2)有限元計算模型。

本文采用Solid45單元模擬砌塊和砂漿，材料參數及模型尺寸見表1，表2。

運用ANSYS建立分析模型如圖1所示。

3)計算結果分析。

加氣混凝土填充墻在受20℃/25℃，20℃/30℃,20℃/35℃,20℃/25℃，20℃/40℃，20℃/45℃，20℃/50℃六種溫度荷載作用時，墻體溫度變化如圖2所示。

從圖2我們可以看出，當墻體兩側溫差達到5℃時，墻體產生的變形在云圖中顯示比較明顯，隨著墻體兩側溫度差由5℃增大到30℃，變形也隨之逐漸增大，由于砂漿材料和砌塊材料線膨脹系數的差別，灰縫處變形十分明顯，不同溫度荷載下墻體最大變形值見表3。

整理表3的溫度變形曲線，見圖3。

結果分析：由于砂漿線膨脹系數遠大于砌塊，墻體最大變形值通常出現在灰縫砂漿處，由于加氣混凝土填充墻灰縫處砂漿與砌塊接觸面較為薄弱，砂漿變形增大使得接觸面應力集中，所以通常先在墻體灰縫處發生破壞。我們從變形云圖中可以看出墻體四周灰縫變形相對較大，沿灰縫可發展成一些豎向裂縫和斜裂縫。

3 ?防治措施

通過上面模擬結果我們可以得出：加氣混凝土填充墻破壞通常產生在砌塊與砂漿接觸面，填充墻體四周通

基于溫度荷載的加氣混凝土填充墻裂縫研究 常先產生裂縫。針對以上結論給出一些相應防治措施，具體如下：

1)增大砂漿的密實、飽滿程度。采用專用砂漿進行砌筑，在砌筑時用皮錘從豎直與水平兩個方向敲擊，擠出部分砌筑砂漿，同時擠壓了灰縫內砂漿，讓砂漿輕微受壓，從而滿足砂漿和砌塊間有足夠的粘結面和粘結強度。2)合理設置拉結筋、構造柱。填充墻應沿框架柱全高每隔500 Him設2φ6拉筋，拉筋伸入墻內的長度，根據抗震等級在6度，7度時不應小于墻長的1／5且不小于700mm，8度，9度時宜沿墻全長貫通；構造柱的設置應根據墻體的長度而定，通常填充墻長度在3 m以上時開始設置，通過拉結筋構造柱控制墻體整體變形。3)對特殊位置進行處理。框架梁、柱與填充墻交界處可采用鋼筋網或碳纖維布對灰縫進行加固；頂層樓蓋板應做好保溫隔熱措施。

4 ?結語

溫度作用是引發加氣混凝土填充墻裂縫的重要因素之一，在工程應用中多數墻體產生裂縫時砌塊材料未產生破壞。針對墻體裂縫防治過程中除考慮裂縫產生的位置、裂縫形式外，還應考慮墻體材料破壞的先后，從而有針對性的從材料角度進行控制；在加氣混凝土填充墻裂縫控制中，從材料、設計及施工三方面進行控制仍然是防治裂縫的關鍵。

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