基于温度荷载的加气混凝土填充墙裂缝研究

愿具有共同使命和责任的6000多名微友和同仁为AAC发展而努力！同时欢迎大家来稿！

基于温度荷载的加气混凝土填充墙裂缝研究

姜安民  唐齐  董彦辰

湖南城建职业技术学院，湖南大学土木工程学院，

中南林业科技大学土木工程与力学学院

加气混凝土填充墙在框架结构中应用较为广泛，可用于外墙、内隔墙等部位。由于自然环境和人为因素的共同作用导致填充墙裂缝问题凸显，形式主要以宏观裂缝为主。外墙的美观及渗漏问题受裂缝的直接影响。解决填充墙裂缝问题不但满足了使用功能的要求，提高建筑产品质量，还可以减少业主与施工单位之间的矛盾，具有一定的现实意义。以往人们多采用整体式模型对加气混凝土填充墙温度裂缝进行模拟，虽然能对裂缝产生的位置在一定程度上进行判断，但无法确定墙体破坏位置为砂浆部分还是砌块部分，这就给我们防治过程中带来了很大难题；本文在一定理论研究基础上采用分离式建模，这样可以对裂缝出现的位置进行相对较为准确的判断，从而制定一些相应防治措施。

1  温度裂缝的理论分析

结构内部约束应力在结构变形受到抑制时产生，温度就是引起结构变形的一个主要因素。如某悬臂梁长￡，一端自由、一端固定，在均匀温差t0(升温)作用下，梁自由伸长△L，内部无应力产生，伸长量△L=αt0L，ε=△L/L=αt0。将梁自由端固定，在温度作用下其变形受到抑制，无位移产生，梁内约束应变为：

ε=△L/L=αt0

将一弹性约束施加在自由端，约束施加后产生δ1大小变形量。梁内约束应力为：

如在夏季由于温度作用屋面与顶层墙体有较大变形差，屋面变形受到抑制产生内力反作用于墙体，使得墙体开裂。这种情况产生的裂缝主要为墙体顶部的八字形裂缝。可利用一维问题模型对此种情况进行计算，将填充墙体看作地基，把顶板当作地基上的弹性板，可由板的内力而反算出墙体内的应力，根据结构相互约束的基本假定：

其中，Cx为水平阻力系数；负号为剪应力的方向与位移方向相反；f为墙体上边缘的剪应力；u为剪应力处的墙体与顶板的相对位移。

通过对顶板取微体，列平衡方程并求解得：

相对于墙体来说，τ的方向和u是一致的，故取正号；

当墙体与顶板材料不同时，αT=α2T2-α1T1。

其中，α为膨胀系数；α1为墙的膨胀系数；α2为顶板的膨胀系数；T为温度差；T1为墙的温差；T2是为顶板的温差；L为墙体长度； t为墙体厚度，E为混凝土弹性模量，b为一面墙负担的楼板宽度，h为顶板的厚度。

当在墙体端部x=L／2处，有最大剪应力：

当知道墙厚t，墙体长度L，顶板厚h及墙板温等参数时，便可以求出墙体端部最大剪切应力。

2  墙体温度裂缝的有限元分析

本文采用有限元软件ANSYS对温度进行分析，春夏交替时填充墙裂缝频发，随着夏季到来天气炎热，阳光直射外墙，很多住户采取制冷设施，这样使得墙体两侧有较大的温度差异。墙体外侧温度较高，同时内侧相对较低，这样直接导致了墙体温度变形不均，应力集中，最终在墙体的薄弱处产生破坏，产生裂缝。综合考虑以上因素，本文对平砌法和斜砌法两片墙体两侧分别施加20℃/25℃，20℃/30℃,20℃/35℃,20℃/25℃，20℃/40℃，20℃/45℃，20℃/50℃六种温度荷载，观察墙体的应力、应变情况，判断裂缝可能出现位置及开展情况。

2.1  一些基本假定

本文主要基于以下一些基本假定进行有限元分析：

1)材料性质不随温度变化而发生改变。2)引起填充墙裂缝的因素很多，本文目前主要研究温度作用对其的影响。3)假定基础与墙体底端刚性连接，考虑到填充墙受到框架结构的约束，假定填充墙左右和上表面均不产生位移，墙体前后两个面可产生位移。4)在本文中砌块与砂浆接触面考虑相对滑移。5)按线性关系施加温差荷载。6)对结构整体的应力影响因素中附属设施的影响在本文中不予以考虑。

基于以上假定进行模拟，所得结果可能与实际情况有一定偏差，本文主要研究裂缝的开展位置，所以此偏差对本研究影响不大。

2.2  运用ANSYS计算温度荷载

1)分析单元。

本文分析主要使用的单元类型有结构静力分析单元Solid45、热分析单元Solid70。

2)有限元计算模型。

本文采用Solid45单元模拟砌块和砂浆，材料参数及模型尺寸见表1，表2。

运用ANSYS建立分析模型如图1所示。

3)计算结果分析。

加气混凝土填充墙在受20℃/25℃，20℃/30℃,20℃/35℃,20℃/25℃，20℃/40℃，20℃/45℃，20℃/50℃六种温度荷载作用时，墙体温度变化如图2所示。

从图2我们可以看出，当墙体两侧温差达到5℃时，墙体产生的变形在云图中显示比较明显，随着墙体两侧温度差由5℃增大到30℃，变形也随之逐渐增大，由于砂浆材料和砌块材料线膨胀系数的差别，灰缝处变形十分明显，不同温度荷载下墙体最大变形值见表3。

整理表3的温度变形曲线，见图3。

结果分析：由于砂浆线膨胀系数远大于砌块，墙体最大变形值通常出现在灰缝砂浆处，由于加气混凝土填充墙灰缝处砂浆与砌块接触面较为薄弱，砂浆变形增大使得接触面应力集中，所以通常先在墙体灰缝处发生破坏。我们从变形云图中可以看出墙体四周灰缝变形相对较大，沿灰缝可发展成一些竖向裂缝和斜裂缝。

3  防治措施

通过上面模拟结果我们可以得出：加气混凝土填充墙破坏通常产生在砌块与砂浆接触面，填充墙体四周通常先产生裂缝。针对以上结论给出一些相应防治措施，具体如下：

1)增大砂浆的密实、饱满程度。采用专用砂浆进行砌筑，在砌筑时用皮锤从竖直与水平两个方向敲击，挤出部分砌筑砂浆，同时挤压了灰缝内砂浆，让砂浆轻微受压，从而满足砂浆和砌块间有足够的粘结面和粘结强度。2)合理设置拉结筋、构造柱。填充墙应沿框架柱全高每隔500 Him设2φ6拉筋，拉筋伸入墙内的长度，根据抗震等级在6度，7度时不应小于墙长的1／5且不小于700mm，8度，9度时宜沿墙全长贯通；构造柱的设置应根据墙体的长度而定，通常填充墙长度在3 m以上时开始设置，通过拉结筋构造柱控制墙体整体变形。3)对特殊位置进行处理。框架梁、柱与填充墙交界处可采用钢筋网或碳纤维布对灰缝进行加固；顶层楼盖板应做好保温隔热措施。

4  结语

温度作用是引发加气混凝土填充墙裂缝的重要因素之一，在工程应用中多数墙体产生裂缝时砌块材料未产生破坏。针对墙体裂缝防治过程中除考虑裂缝产生的位置、裂缝形式外，还应考虑墙体材料破坏的先后，从而有针对性的从材料角度进行控制；在加气混凝土填充墙裂缝控制中，从材料、设计及施工三方面进行控制仍然是防治裂缝的关键。