設置構造柱對砌體溫度效應影響的有限元分析

關杰　郭寧

摘要：文章對在混凝土多孔磚砌體結構中設置頂層構造柱對砌體溫度效應的影響進行了有限元模型模擬分析，運用ANSYS軟件模擬出設置不同構造柱形式下溫度應力的分布情況，并由此分析出頂層構造柱對砌體溫度應力的影響，給出了控制及預防頂層溫度裂縫的若干措施，可作為混凝土多孔磚砌體結構設計和施工參考。

關鍵詞：混凝土多孔磚；砌體結構；構造柱；ANSYS；溫度應力；有限元分析 文獻標識碼：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較大，受溫度影響大，在長期溫差影響下，砌體結構頂層墻體易產生裂縫。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，模擬設置不同構造柱形式下砌體結構頂層墻體溫度應力對結構產生的影響，從而總結出工程設計與施工中關于構造柱設置的若干建議，為混凝土多孔磚砌體結構預防和控制溫度裂縫提供科學依據。

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，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 水平裂縫多發生于山墻，內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）；內橫墻面兩端裂縫呈“八”字狀態。

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，頂層墻體砌體結構受溫度應力影響而出現溫度裂縫。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，當墻體抗拉力程度已經不足以抵抗主拉應力時，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生“八”字裂縫。通過彈性力學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 溫度取值參數控制

在砌體結構的溫度效應計算方面，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《建筑氣候區劃標準》、有限差分法或是正曬面溫度峰值相關公式等方式來計算，從而得出溫差影響程度。一般日溫差相對重要，這是由于年溫差經歷時間較長且變化緩慢，對結構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的應力松弛及徐變情況，可將年溫差通過蠕變系數加以調節（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據，其組合溫差具體數據見表1：

2.2 單元類型和計算模型

計算模型中樓板等配筋構件均采用分布式模型，即采用了含筋的SOLID65單元，認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，磚砌體中設置構造柱能提高其抗震能力，頂層磚砌體承受的荷載實質上就是頂板與墻體的溫差造成的水平溫度應力，理論上增設構造柱對其抵抗溫度應力也是一種比較有效的措施。為了分析構造柱的設置對溫度效應的影響，本節對幾種構造柱設置不同的模型在表1組合溫差作用下的主拉應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），其構造形式說明如下：

M1：只設置圈梁不設置構造柱；M2：在模型M1的基礎上在每個端部兩個開間設置構造柱（間距36m）；M3：在模型M2的基礎上在縱向中部增設1構造柱（間距18m）；M4：在模型M2的基礎上在縱向中部增設2構造柱（間距14.4m）；M5：在模型M2的基礎上在縱向中部增設4構造柱（間距7.2m）；M6：在模型M2的基礎上在縱向中部增設9構造柱（間距3.6m）。

3 模型演算結果及對比分析

由圖2～圖4各個模型的主拉應力云圖可知，最大主應力均出現在頂層墻體端部開間墻體，墻體與構造柱及圈梁交接部位主拉應力較大，在窗洞口端角處應力較為集中，且隨著構造措施繼續加強，墻體的最大主拉應力呈逐漸減小趨勢，這是因為設置構造柱后，應力發生了重分布，雖不能改變洞口處的應力集中，但總體降低了墻體中的應力，高應力集中于構造柱及圈梁內，隨著構造措施的加強，墻體內應力分布趨于均勻。參考文獻[5]中試驗研究及對黏土磚結構的有限元分析結果與本文分析結果較為相近，這說明構造柱的設置對混凝土多孔磚墻體抵抗溫度裂縫的產生也是十分有效的。

由圖5、圖6及表2可以發現，隨著構造措施的加強，墻體端部的最大主拉應力和頂層的最大側移都有減小的趨勢，當不設置構造柱時墻體的主拉應力達到0.36MPa，在端部兩開間設置構造柱后，主拉應力降至0.27MPa，可見在端部采用構造柱進行加強，對降低墻體主拉應力效果是十分明顯的。當縱向中部構造柱間距小于14.4m時，對墻體主拉應力降低效果較好，當構造柱間距大于14.4m時，對溫度應力的影響并不明顯，這也說明當構造柱間距超過一定的長度，則對減小墻體的應力及側移效果不明顯，此時構造柱就不能有效地抵抗墻體的溫度裂縫的開展。基于以上分析，多層混凝土多孔磚砌體結構在頂層端部兩個開間應加強構造措施，且在外墻的中部應以不大于14.4m間距設置構造柱用以加強。因此，對于7度設防的多層混凝土多孔磚砌體結構，在按照《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）設置構造柱后，另外在頂層端部兩個開間縱橫墻交接處增設構造柱則可起到有效地抵抗溫度裂縫的效果，為了避免構造柱有較大的溫差變形引起構造柱周圍砌體開裂，外墻構造柱不宜外露。

4 結語

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，因此裂縫應以預防為主。小圈梁、窗洞口加小構造柱、頂層砌體門與建筑物圈梁、構造柱連接為整體狀態，需將應力集中情況加以改進，通過變形性能以及強度上的優化提升構件溫度應力，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造柱的設置對墻體中溫度應力的分布有較大影響。隨著構造柱措施的加強，墻體中的最大主拉應力將有所降低，部分拉應力將轉移至構造柱，從而有效地抑制了端部八字型裂縫的產生。

參考文獻

[1] 張延風.磚混結構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.磚混結構房屋墻體溫度分布規律[J].工業建筑，1996，26（11）.

[3] 夏勇，裴若娟.高層剪力墻結構溫度應力初探[J].建筑結構，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研究[D].浙江大學，2003.

[5] 吳文濤.砌體結構溫度裂縫的研究[D].天津大學，2004.

作者簡介：關杰（1982-），男，中機國際工程設計研究院有限責任公司工程師，研究方向：混凝土結構設計和鋼結構設計；郭寧（1989-），男，中機國際工程設計研究院有限責任公司工程師，碩士，研究方向：結構設計。

（責任編輯：黃銀芳）