温度作用下混凝土砌体结构的构造措施研究.pdf

2 0 1 0年第 3期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 0 N0 3 J u n e 温度作用下混凝土砌体结构 的构造措施研究 李捍无 ， 宁怀 明 ， 艾亿谋 ( 1 洛 阳理 工学 院建 筑工 程 系， 洛 阳 4 7 1 0 2 3 ； 2 苏州 市建 设工 程质 量检 测 中心有 限公 司， 2 1 5 0 0 4 ) 摘要 ： 首先根据某地 区近年的气象资料 和有关规范 ， 计算 出该地 区混凝土砌体结构的组合温差 。在此基础 上建立了某试点 建筑结构足尺的三维有 限元 模型 ， 对其进行温度效应有 限元分析 ， 考虑不 同的构 造措施 ， 得到 了各种构造措施 下砌体 建筑关键部 位的应力和位移等数据。最后对结果进行分析和 比较得出 ， 在顶层墙体与屋顶间设置温度分隔缝是控制裂缝 最有效 的措施 。为该 地区混凝土砌体结构裂缝 的控制提供了有效 的理 论依据 。 关键词 ： 混凝 土砌体结构； 温度作用； 构造措施； 有限单元法 中图分类 号： T U 5 2 2 文献标识 码： A 文章 编号 ： 1 O O O 一 4 6 3 7( 2 0 1 0 ) 0 3 6 3 0 3 O 前言 对于混凝 土砌体结 构温度场 和温度效 应 的分 析 ， 国内外 的学者 都作 了大量 的研究 。M S r i n i v a s a R e d d y & S K r i s h n a mo o r t h y ( 1 9 8 9 ) _ 1 J 通过 一年 的实测 数据研 究 了砖 混结构顶层房屋在非 空调状态下不 同内表面的温 度 分 布 和 热 流 变 化 。 GT s i l i n g i r i d s V S o t i r o p o u l o s ( 1 9 8 9 ) p 通过对多 幢实验楼三年多 的实测数 据的分析 ， 给出了表面温度 和室 内温度 的年 温差 和 日温差变化规 律。国内学者近年来也对温度场 的研究作 了大量的工 作 ，浙江大学金伟 良等人对砌体结构 的温度场进行 了 研究 由通用有 限元软件 S AP AL 0 G0 R的稳态 温度 场 计算结果得 出砌体结构 的温度 分布规律，提出 了简 化 计算方法， 推导 了一维瞬态温度场 的隐式差分公式 1 3 1 。 东南 大学潘建伍 等4 1 采 用 S u p e r S a p有限元程 序 ， 采用 对砖 墙弹性模量折 减 的方法 来考虑 门窗洞 的影响 ， 对 某结构进行温度效应分析 。 目前 ， 有 限元法 已经 比较完善 ， 给结构 的建模 ， 应 力和位移分析等带来 了极大的方便 。但有限元 的计算 主要是单片墙体的研究 ， 对足尺建筑结构 的研究很少 ， 同时对砌块 的研究 主要偏 向于对砌 体进行简 化分析 ， 没有把构造措施运用到建筑模型 中进行有 限元进行计 算 。本文首先依据某地区近年的气象资料和有关规 范 计算 出该地 区混凝 土砌块建筑 的组合温差，根据某试 点建筑建立足尺寸三维模型 ，对足尺寸模型在不 同的 构造措施下进行有 限元分析 ，通过对不 同构造措施下 的应力 、 位移情况进行分析研究 ， 得出控制砌块建筑裂 缝最有效的措施。 1 混凝土砌体结构的温差计算 该试点 建筑为六层混 凝土砌体结构 ， 高 2 0 6 m， 沿 东西 向长为 4 1 5 m， 南北 向长为 1 2 m。屋面做 法 ： 蓝灰 色瓦 、 3 0 m m厚 细石混凝 土找平 层 、 2 5 ra m厚 X P S保温 隔热 层 、 3 0 m m 厚挤 塑板 、 2 0 ra m 厚 水 泥砂 浆 找平层 、 1 2 0 m m厚钢筋 混凝土板 、 2 0 m m 厚混合砂浆 内粉刷 ， 详 见图 l 。 墙体做法 ： 1 0 0 m m厚大理石干挂 ， 1 0 ram厚保温 砂浆抹灰 ， 1 9 0 m m 双排 孔小 型混凝土空 心砌块 ， 2 0 m m 厚混 合砂浆 内粉刷 ， 详见 图 2 。 外 侧 l 一 瓦 ； 2 一 细石 混凝 土 ； 3 一 x P S保 温 隔热层 ； 4 防水层 ； 5 一水 泥 砂浆 找 平 层 ； 6 一 钢筋 混凝 土板 ； 7 一混 合砂 浆 图 1 屋 面结 构 示 意 图 外侧 1 2 内侧 1 E l O O mm厚 大理 石干挂 ； 2 m 1 O mm 厚保 温砂 浆抹 灰 ； 3 一 ? 昆凝 土空心 砌 块 ； 4 2 O m m 厚混 合砂 浆 图 2 墙体结构示意图 分 析某地 区 2 0 0 2年的气象 资料 以及 典型 f3的气 象资料 - 6 。由于引起温度应力变化的原因主要是温差 的变化 ， 温差包括年温差和 日温差 ， 这两个温差都对应 力产生一定 的影响 ， 为了表示它们的综合作用 ， 可 以按 一 63 2 0 1 0年第 3期 混凝 土与水 泥制品 总第 1 7 3 期 照文献【 3 】 和文献 7 】 中的公式 ： 组合 温差=日温差+ 0 8 5 年温差来计算。根据有关数据计算得到的组合温差列 于表 1 。 表 l 墙体 、 屋面 的计算温差 该表为 围护结构 的温差情况 ， 对于 内墙和楼板 ， 由 于室内气温变化不大 ， 可以认 为内墙 、 楼板与室内空气 温度一致 ， 因此不需要考虑 日温差 的变化 ， 可以直接取 组合温差： 年温差。对于 内墙和楼板的年温差计算 ， 在 无空调情况下 ，年温差为夏季室 内气温减去冬季室 内 气温 。即组合温差为 3 2 0 q c 一 3 0 = 2 9 0 。 2 混凝土砌体 结构温度效应有 限元计算与分析 2 1 有限元计算模型和材料参数 运用有限元软件 A B A Q U S 建立数值模型 8 】 ， 分析 试点建筑的各种构造措施在温度场作用下的应 变和应 力变化情况 ，由计算结果分析各种措施对结 构温度效 应的影响。本文对试点建筑建立 了几种不同构造措施 的计算模型 ，整体模型如图 3和图 4所示。模型共有 2 4 5 9 5 4个节点 ， 1 2 6 2 2 2个单元 ， 材料参数见表 2 。 表 2 材料参数 图 3建 筑模 型北 面 意 图 各种措施建立的计算模型说明 ： MI ： 仅有圈梁无其它构造措施的模 型。 M 2 ： 在 M1 模型 的基础上设有构造柱 、 芯柱 、 门窗 四周 设 置混凝土框架 以及 在顶层 端开间纵横墙上 每隔 l m 设置构造柱 等加强措施 的模型。 M3 ： 在 M 2模型 的基础上 ，对南屋顶上部进 行隔热处 4建 筑 模 型 南 面 惹 图 理 ， 将其温度差控制到与北屋顶一致。 M4 ： 在 M 2模型 的基础上 ，在屋顶 与墙 体之间设置温 度分隔缝 ， 使屋顶能在墙体上克服摩擦力之后 ， 可 自由 的热胀变形 。 计算模 型温度参数 的设定，首先假定初 始温度 为 5 ， 再根据组合温差计算出最后达到的温度 ， 见表 3 。 表 3 温度参数 2 2 有限元计算结果分析 2 2 1 温差作用下各计算模 型的位移变化规律 为说 明该混凝土空心砌体结构在不同构造措施 下 的变形情况 ， 对结构顶层墙体( 第六层) 四个角部顶点 的 位移进行分 析 比较 。位移 计算结果见表 4 ( D X、 D Y分 别表示沿东向 、 北 向的位移 ， 负号表示反向) 。 从表 4可 以看出 ， 四种不同构造措施下 ， 结构南侧 X方 向的位移大于北侧 ， 南侧 Y方向的位移小于北侧。 这主要是 因为南坡屋面 比北坡屋面的温差大和北侧结 构形状 的因素导致其刚度小于南侧 。 6 4 表 4顶屋墙体关键部位位移值 m l n 李捍无 ， 宁怀明， 艾亿谋 温度作用下混凝土砌体结构的构造措施研究 随着后三种措施 的加强 ，顶层墙 体 四个角部顶点 在 X方 向和 Y方 向上 的位移均有一 定的减小 。由 M2 模 型位移计算结果可知 ，整体 位移较 M1 模 型减 小了 1 5 左右 ； M 3模型 由于 降低 了南侧屋面 的温 度 ，故南 侧两角点的位移减小 比北 侧明显 ，南侧 位移较 M1模 型减小 2 9 左 右 ， 北侧 位移较 M1 模 型减小 2 1 ； 由于 M4模型中在屋顶 与墙体之 间设 置隔离层 ， 屋 盖的位移 有所增加 ， 但墙体 的位移有 了明显 的减小 ， 其 整体位移 较 M1模型减小了 4 1 左右 。可 以看出 ， 对混凝土空心 砌 体建筑设置构造柱 ，框架等之后对其整体位 移有 一 定 的限制 ，在屋顶设置隔热层对位移 的控制有较好 的 效果 ，墙体位移减小最为 明显 的是在屋顶与墙体 之间 设置温度分隔缝 。 2 2 2温差作用下各计算模型的应力变化规律 经分析 南侧 外纵 墙 的温度 应力 具有 较好 的代 表 性 ， 又 由于东西两侧温差较接近 ， 致使 南外纵墙上 的应 力分布有较好的对称性 ，故 以南侧 外纵墙顶端层西侧 墙体为重点进行分析 比较 。 四种不 同构造措施 下墙体主拉应 力和水平剪应力 分布见图 5 、 图 6 ， 关键部位 的应力值见表 5所示 。 表 5 南纵墙关键部位应力值 MP a 注： 由于有 限元计算 中会出现局部节点应力 集中现象 ， 表 5中 应力取值排除 了应力集 中处 的节点值 ，所 以表中所示应力最大 值 稍小 于云图给 出的值 。 图 5 南纵墙最 大拉应力云 图( MP a ) 3结论 ( 1 ) 设置构造柱 、 框架等措施后 ， 改变 了应力分布 ， 图 6南 纵 墙 水 平 剪 应 力 云 图 ( MP a ) 在构造柱 、 框架部位出现应力集 中现象 ， 但墙体 的应 力 有所降低。 所 以整个建筑 的整体性变好 ， 提高了整个 建 筑的承载力 。但 是该措施对墙体位移 和应力 的改变是 有限的 ， 并 不能完全抑制 裂缝 的产生 。 ( 2 ) 在屋 面设置 隔热层 ， 降低屋面 的温差对 降低墙 体的位移和应力 都有 明显的效 果 ，能够减小裂缝 的发 生 。 ( 3 ) 在屋顶与墙体之 间设置温度分 隔缝 ， 使屋顶能 在 墙体上 克服摩擦力之后 ， 可 自由的热胀变形 。此时 ， 房 顶的位 移增加 ， 但其对墙体 的影响减小 ， 故对墙体位 移和应力 降低都有非常 明显 的效果 ，可大大抑制墙体 裂缝 的产 生。 参考文献： 1 MS r i n i v a s a R e d d y a n d S K r i s h n a mo o r t h y He a t fl u x a n d s u r f a c e t e mp e r a t u r e v a r i a t i o n s i n a n u n c o n d i t i o n e d r o o m o f b ri c k ma s o n r y c o n s t r u c t i o n i n a c o mp o s i t e c l i m a t e啪 E n e r g y a n d B u i l d i n g s ， 1 9 8 9 ， 1 3 ( 2 ) ： 1 5 9 - 1 7 4 2 G T s i l i n g i r i d i s a n d VS o t i r o p o u l o s T h r e e y e a r me a s u r e m e n t s o f a mb i e n t an d i n d o o r a i r t e mp e r a t u r e s i n S o l a r Vi l l a g e -3 ， At h e n s ， Gr e e c e J 1 E n e r g y a n d B u i l d i n g s ， 1 9 9 8 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 2 7 1 3 6 3 】金伟 良， 叶甲淳， 邹道 勤等 考虑太 阳辐射作用 的砌体 结构温度场 浙江 大学学报， 2 0 0 2 ， 3 6 ( 5 ) ： 5 7 7 - 5 8 1 4 】 潘 建伍， 曹 双寅， 曹新 明 砖 混结构现浇 钢筋混凝土楼板温 度应力 分析l J 1 工业建筑，2 0 0 2 ， 3 2 ( 6 ) ：3 3 - 3 5 5 】高海玲 混凝土空心砌块建筑 温度场和温度效应研 究【 D 】 南 京： 河 海 大学， 2 0 0 7 6 艾兵， 原 明昭 房屋结构在 日照作用 下温 度场的数值 计算l J I 建筑 结构， 1 9 9 5 ( 4 ) ： 4 6 - 4 8 【 7 金伟 良， 潘 金龙， 徐铨彪 等 混凝土小 型空心砌块建筑 温度 效应分 析和研究【 J J 工业建筑，2 0 0 2 ， 3 2 ( 4 ) ： 2 4 2 6 【 8 H i b b i t t ， K a r l s s o n S o r e n s e n I n c A B A QU S a n a l y s i s u s e r S manu a l V e r s i o n 6 5 【 M】 U S A ： H KS ， 2 0 0 1 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 7 - 0 4 作者简介 ： 李捍无 ( 1 9 6 6 一) ， 男 ， 副教授。 通讯地址 ： 河南省洛阳市王城大道 9 0号 联 系 电话 ： 1 3 9 3 7 9 0 4 0 4 4 6 5一 一 麟 麟 一 2 9 1 8 2 2 5 3 l 1 O O 1 2 O O 3 l 2 8 2 2 1 O O O O 0 3 5 7 3 5 3 1 l 0 O 0 0 1 2 3 4 M M M M 兰 鳖 监 一 一