控制縫的分布對砌體溫度效應的影響

許 筠 郭 寧

(1.湖南輕工研究院，湖南長沙 410000;2.長沙理工大學，湖南 長沙 410000)

0 引言

由于混凝土多孔磚濕脹干縮、線膨脹系數較大，受溫度應力的影響，混凝土多孔磚房屋常常出現不同程度的開裂現象，因此對混凝土多孔磚砌體房屋的溫度裂縫機理及控制措施進行進一步研究總結。

砌體建筑設計中，除按我國現行規范設置抗震縫、沉降縫及變形縫外，還應在溫度集中處加設控制縫(變形縫)。控制縫的設置主要是針對混凝土材料干縮變形的特性，將過長的墻體分段，以避免墻體內部干縮變形的過度積累，而引起墻內過大的內應力，造成墻體的裂縫。國內的大量工程實例證明，在建筑立面、結構抗震防風和嵌縫材料的變形能力滿足要求的前提下，設置控制縫是解決墻體因溫度開裂較為有效的方法。

因此，本文通過ANSYS軟件模擬出砌體結構中不同間距控制縫對結構溫度應力的影響，以此總結出若干防止砌體結構溫度裂縫的方法，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 頂層裂縫形成機理

考慮到頂層溫度應力較大，受溫度應力的影響，砌體結構頂層墻體往往容易產生溫度裂縫。屋面板在長時間受到陽光輻射的情況下，屋面溫度是墻體溫度的兩倍左右。受溫度影響，屋面板縱墻方向的形變大于橫墻方向形變，在對外橫墻產生垂直推力的同時對外縱墻產生較大的水平推力。由于屋面板形變產生的推力和屋蓋、挑檐或女兒墻的垂直壓力構成墻體雙向壓力，當主拉應力大于墻體的抗拉強度時，墻體就會出現裂縫［1］。頂層墻體在頂板的水平拉力和頂層屋面正壓力的作用下就會出現如圖1所示的八字裂縫。

圖1 外縱墻八字裂縫和端部開間窗角斜裂縫

經有限元及彈性力學近似法計算發現，頂層外縱墻的水平剪力從中間向兩端部呈逐漸增大趨勢，兩端部水平剪力最大，而中間部位相對較小;墻體頂部的水平位移也是從中間向端部逐漸增大，在剪應力達到最大的區域其水平位移也明顯較大。

2 計算模型概況

2.1 溫度參數取值

采用任何方法計算砌體結構的溫度效應，均與溫差的合理取值有密切關系。

組合溫差綜合考慮了年溫差和日溫差(有的根據正曬面溫度峰值的計算公式來計算，有的根據有限差分法來計算［2，3］，也有根據《建筑氣候區劃標準》采用日平均溫差)對溫度應力的影響，由于年溫差的變化是緩慢的，經歷的時間長，可以認為它對結構的作用相對要小，考慮到混凝土材料在此期間會發生徐變和應力松弛等現象，在考慮共同作用的時候，在年溫差前乘以一蠕變系數0.85。即組合溫差=日溫差+0.85×年溫差。

本文通過中國南部地區的全年溫度情況，結合文獻［4］通過對杭州地區一試點建筑近一年的現場實測，得到了年溫差和日溫差，最后計算得到的組合溫差如表1所示。

表1 墻體、屋面溫差表 ℃

2.2 單元類型和計算模型

計算模型中樓板等配筋構件均應采用分布式模型，即采用了含筋的Solid65單元，認為鋼筋是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單元來進行模擬。

在結構剛度允許的條件下，控制縫的設置能有效降低應力集中，本文模型中的控制縫設置在容易產生應力集中的窗洞角，各模型開間均為3.6 m，共15個開間，房屋縱向長度為3.6 m×15=54 m。分別對設置不同間距及數量的控制縫的多孔磚砌體房屋模型W1～W6進行有限元分析(模型具體數據見表2)。

表2 模型具體數據 m

3 模型演算結果及對比分析

在不設置控制縫時，頂層端部開間外墻主拉應力分布如圖2所示，按間距18 m設置控制縫后，頂層端部開間外墻主拉應力分布如圖3所示。

圖2 不設控制縫時主拉應力分布

圖3 設置控制縫后主拉應力分布（間距18 m）

由圖2，圖3可見，在不設置控制縫時，窗洞右下角有明顯的應力集中現象，墻體最大主拉應力為0.254 MPa，增設控制縫后，應力集中現象得到明顯的緩解，且墻體的最大主拉應力降至0.203 MPa。這說明了:控制縫合理的設置可以對結構的溫度應力進行釋放，從而有效的控制溫度裂縫發生。

表3及圖4，圖5為控制縫間距對外縱墻溫度應力及層間位移的影響。由此可見，隨著控制縫間距的減小，墻體的最大主拉應力逐漸減小，頂層層間位移也呈減小趨勢，當控制縫間距小于20 m時，對降低墻體溫度應力的效果較為明顯，當控制縫間距大于27 m后，對墻體溫度應力的影響很小，這說明控制縫間距超過一定長度則不能有效改善應力集中的問題，失去了設置控制縫的意義。

GB 50003-2001砌體結構設計規范對墻體設控制縫以釋放應力避免開裂的措施持慎重態度，主要是擔心降低墻體剛度對抗震不利，這方面國內研究尚不太充分，所以暫時只提當房屋剛度較大時設置控制縫［5］。

哈爾濱建筑大學曾做過砌塊墻片設控制縫的抗側試驗，試驗及有限元分析結果表明［6］:墻體中間設置控制縫后，抗側剛度的降低程度隨墻片寬高比的增大而減小，認為頂層設置控制縫至少在7度區對7層砌塊房屋抗震性能影響不大。

表3 控制縫間距對外縱墻溫度效應的影響

圖4 控制縫的間距與外縱墻最大主應力之間的關系

圖5 控制縫的間距與層間位移的關系

基于以上分析，在外墻易出現應力集中處設置控制縫是解決溫度裂縫的有效措施，兼考慮到不過度降低墻體抗側剛度而影響房屋的抗震性能，對于混凝土多孔磚砌體房屋，在適當設置伸縮縫后，還應在頂部兩層合理設置控制縫，控制縫的最大間距不應大于20 m。同時還應當指出，外墻中設置控制縫是客觀實際提出的要求。

4 結語

從ANSYS軟件模擬結果不難發現，在外墻易出現應力集中處設置控制縫能有效降低應力集中，降低溫度裂縫發生的幾率。對于混凝土多孔磚砌體房屋，在適當設置伸縮縫后，還應在頂部兩層合理設置控制縫，控制縫最大間距不應大于20 m。其結論可作為混凝土多孔磚砌體結構設計及施工的指導。

［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，2007，33(29):155-156.

［2］艾 兵.磚混結構房屋墻體溫度分布規律［J］.工業建筑，1996，26(11):36-38.

［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):8-16.

［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］.杭州:浙江大學博士學位論文，2003.

［5］唐岱新，龔紹熙，周炳章.砌體結構設計規范理解與應用［M］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

［6］翟希梅，唐岱新，張玉紅.控制縫對砌塊建筑抗震性能的影響與分析［J］.低溫建筑技術，2001(4):16-18.