加气混凝土砌体墙片裂缝有限元分析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 2年第 3期( 总第 1 6 5期 ) 加气混凝土砌体墙片裂缝有限元分析 王俊皓 ， 程才渊 ( 同济大学结构工程与防灾研究所 。 上海2 0 0 0 9 2) 【 摘要】 对加气混凝土砌体墙片裂缝形成的影响因素进行了探讨 ， 主要考虑了温度荷载、 收缩应力、 砌块 强度及边界约束等因素对墙片裂缝开展的影响。采用有限元软件 A b a q u s 对不同条件下的裂缝开展进行了数值模 拟 ， 总结了裂缝形成的规律， 为研究加气混凝土砌体墙片的裂缝开展提供参考。 【 关键词】 砌体墙片； 温度裂缝； 有限元； 加气混凝土砌块 【 中图分类号】 T U 3 7 5 6 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 5 2 0 3 F I Nl TE ELEMENT ANALYS I S OF CRACK I N AERA r ED CoNCRETE M AS oNS Y W ALL S WA NG J u n h a o， C HE NG Ca i y u a n ( R e s e a r c h I n s t i t u t e o f S t mc t u r a l E n g i a n d D i s a s t e r R e d u c t i o n ， T o n g j i U n i v ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th e a r t i c l e i s d i s c u s s i ng t h e i n flu e nc e f a c t o r s o f c r a c k s i n ma s o n s y wa l l s Th e f a c t o r s i n fl u e n c i n g c r a c k s a r e t e mp e r a t u r e d i f f e r e c e， s h r i n k a g e s t r e s s ， b l o c k s t r e n g t h a n d b o u n d a r y c o n d i t i o n Th r o u g h a na l y z i n g d i f f e r e n t mo d e l s o f a ma s o n s y wa l l b y Ab a q u s， s u mma r i z i ng t h e l a w o f f o r mi n g c r a c k s i n o r d e r t o p r o v i d e r e f e r e n c e f o r c o n t i n u e r e s e a r c h Ke y wo r d s ： ma s o n ry wa l l s ； t e mp e r a t u r e c r a c k； f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s ； a e r a t e d c o n c r e t e b l o c k 目前国内的大部分住宅为砌体结构， 砌体结构具有保 温性好 、 耐热、 耐火等诸多优点， 但同时也存在易开裂漏水 等缺点。砌体结构在温度或收缩应力下产生墙体裂缝是工 程中的普遍现象， 对结构的耐久性和房屋的使用功能有较 大影响。温度或收缩应力是导致墙体开裂的重要原因之 一 ，本文采用有限元软件 A b a q u s 对加气混凝土砌体墙片在 温度或干缩应力下的裂缝产生和开展进行了数值模拟， 为 研究加气混凝土砌体墙片的裂缝开展提供参考。 1 裂缝成 因 根据现有研究成果表明： 由于砌体墙片内砌块和粘接 剂的干缩率不同， 线膨胀系数差别较大， 在温度改变和材料 收缩时， 砌块与粘接剂之间变形的不协调会使砌体墙片内 产生较大的应力 ， 当产生的拉应力大于材料本身的最大拉 应力时， 将引起墙体开裂。在砌体墙片较长或边界约束较 强时， 产生的墙体裂缝会更加明显。 2 计算模型 ( 1 ) 模型的建立。建立长 6 m、 高 2 8 5 m、 厚 0 1 5 m的 墙片模型， 建模时粘接剂与砌块采用分离式建模， 其 中砌块 长度为6 0 0 m m， 厚度为 1 5 0 ra m， 高度为 2 5 0 m m， 粘接剂层厚 度为 3 ram。粘接剂与砌块交界处采用共节点方法处理。采 用 A b a q u s 中的损伤塑性模型分别建立粘接剂与砌块的本构 关系， 通过弹塑性分析模拟墙体裂缝的开展。材料参数见 表 1 。 目前对粘接剂的研究较为有限， 根据现有资料所得出 的粘接剂材料参数如表 1 所示 粘接剂本构与加气混凝土 表 1 材料参数 砌块本构关系采用同济大学金勇硕士论文中的本构模型。 粘接剂本构数学表达式如下： 曲线的上升段方程为： s l 曲线的下降段方程为： = ( 1 1 0 1 0 ) 其中， 取 G O ： O 0 0 2 = 5 M P a 。 加气混凝土砌块本构数学表达式如下： 当 占 。 时， IT =E 。 当 占 占 时， = 其中， 为加气混凝土峰值应变； s 为加气混凝土极限 应变 为峰值应力。 取值为 8 ： 0 。 0 0 2 ， s =0 0 0 3 。 A 2 5砌块 ： E =1 1 8 0 MP a ， =1 8 MP a A 5 0砌块： E = 2 2 0 0 MP a ， = ： 3 5 M P a ( 2 ) 温度参数的取值。主要考虑长期温差对墙体的 影响， 在我国北方地区， 夏季时外墙在阳光照射下温度可达 5 4 低温建筑技术 2 0 1 2年第 3j 9 】 ( 总第 1 6 5期) 0 4 r n m m时该 裂缝 形 成 第 一条 竖 向 通缝 ； 砌 块 干 缩 0 4 8 m m m时第二条竖向通缝形成于原墙体的左侧 ； 继续干 缩后无新的通缝形成 ， 但在墙体内产生破碎性裂缝。 分析可知， 温度或干缩荷载作用下， 加气混凝土砌体墙 片的裂缝形成分为两个阶段： 第一阶段是墙体通缝的形成 阶段， 墙体内产生的应力因通缝的形成得到释放； 第二阶段 是破碎性裂缝的形成阶段， 破碎性裂缝的形成表明墙体开 裂已经较为严重。 实际工程中可针对墙体内应力产生的原因采取抗裂措 施。可以通过提高砌块质量、 控制墙体的温度变化等， 预防 或减少墙体裂缝的产生。 3 2 砌块强 度对裂缝 的影 响 为了研究不同的砌块强度对砌体墙片开裂的影响， 在 其他条件不变的情况下 ， 分别采用强度等级为 A 2 5 ( 抗拉强 度0 1 6 MP a ) 和 A 5 0 ( 抗拉强度0 3 1 MP a ) 的两种砌块进行 计算。计算模型中墙体降温 1 7 0 ( 其中全年温差 8 0 、 干 缩值 0 7 2 m m m的换算温差为 9 0 ) ， 墙体中粘接剂与砌块 的界面粘接强度为 0 2 MP a ， 底面采用固结约束、 其它三个侧 面采用约束 1 。砌块强度等级为 A 2 5时的计算结果如图 6 所示， 砌块强度等级为A 5 0时的计算结果如图 7 所示。 图 7 如图6 、 图7所示， 温度和干缩荷载共同作用下( 全年温 差 8 0 C、 干缩值 0 7 2 mm m的换算温差为 9 0 ) ， 砌块等级 为 A 2 5的墙体中产生两条竖向通缝和一条到达墙体 中部 的裂缝， 并且产生大量的破碎性裂缝； 将砌块强度等级提高 为 A 5 0后 ， 墙体的竖向裂缝及破碎性裂缝均明显减少。但 在检查粘接剂损伤情况时发现： 砌块强度等级为 A 5 0的墙 体粘接剂损伤情况更严重， 即当粘接剂与砌块的界面粘接 强度介于两种砌块强度( 0 1 6 MP a和 0 3 1 M P a ) 之间时， 单 纯提高砌块强度减少了砌块本身裂缝， 但可能使粘接剂开 裂更 为严 重。 3 3 约束强度对裂缝的影响 为了研究不同的约束强度对砌体墙片开裂的影响 ， 在 其他条件不变的情况下， 分别采用约束 1 和约束 2两种边界 约束进行计算。计算模型中砌块强度等级为 A 2 5 ， 砌块抗 拉强度0 1 6 M P a ， 墙体中粘接剂与砌块的界面粘接强度为 0 2 M P a ， 墙体 降温 1 7 0 ( i ( 其 中全 年 温差 8 0 、 干 缩值 0 7 2 n mt m的换算温差为9 0 ) ， 底面采用固结约束。采用 约束 1时的计算结果如图6所示， 采用约束 2时的计算结果 如图 8所示。 如图6 、 图8所示 ， 边界约束为约束 1时， 砌块墙体中产 生两条竖向通缝和一条到达墙体中部 的裂缝， 并且产生大 量的破碎性裂缝； 降低约束强度采用约束 2时， 墙体的竖向 裂缝及破碎性裂缝均有所减少， 可知， 在保证墙体稳定的情 况下， 适当降低墙体周边约束强度， 可以改善墙体的开裂情 况。实际工程中对墙体的约束不要求完全固结 ， 可以采用 柔性连接以增大墙片的变形空间， 降低裂缝出现的可能性。 图 8 4结语 ( 1 ) 加气混凝土砌体墙片裂缝的产生与干缩和温度 变化有直接关系。提高砌块质量 ， 减少墙体内产生的干缩 应力， 做好墙体的保温隔热工作， 减少墙体内产生的温度应 力， 对墙体抗裂具有重要意义。 ( 2 ) 由本模型计算结果分析可知， 当粘接剂与砌块的 界面粘接强度( 0 2 M P a ) 介于两种砌块强度 ( 0 1 6 MP a和 0 3 1 MP a ) 之间时 ， 单纯将砌块的强度提高， 有可能导致粘接 剂应力增大， 引起粘接剂开裂。 ( 3 ) 墙体周边约束过强， 变形受到较大限制时墙体较 易开裂。在保证墙体稳定的情况下， 适当降低墙体周边约 束强度， 采用柔性连接可以改善墙体的开裂情况。 ( 4 ) 有限元软件 A b a q u s 对砌体墙片温度裂缝的数值 模拟， 较为方便直观， 具有一定的实用价值， 可为研究加气 混凝土砌体墙片的裂缝开展提供参考。 参考文献 1 杨伟军， 等 混凝土多孔砖砌体温度应力有限元分析 J 建筑 结构 ， 2 0 0 6 ， 4 o ( 1 ) ： 7 7 7 8 2 史华， 焦玉琳 混凝土多孔砖砌体结构温度应力有限元分析 J 河南科学 ， 2 0 0 9， 2 7 ( 8 ) ： 9 6 7- 9 7 0 3 李朝红 ， 徐 光兴 ， 董 淑温 砌 体结 构 温度 应力 的有 限 元分 析 J 石家庄铁道学院学 报， 2 0 0 4， 1 7 ( 4 ) ： 4 2 4 -4 4 江治宇 砌体结构温度应力有限元分析 J 福建建筑， 2 0 0 4 ， ( 3 ) ： 4 2 4 3 5 金勇 蒸压加气混凝土砌块墙体干缩裂缝的研究及控制 D 上海： 同济大学 ， 2 0 0 9 6 朱伯龙 砌体结构设计原理 M 上海： 同济大学 出版社 ， 1 9 91 7 王铁梦 工程结构裂缝控制 M 北京： 中国建筑工业出版社， 】 9 9 8 收稿日 期 2 0 1 l 一 1 1 1 5 作者简介 王俊皓( 1 9 8 7一) ， 男 ， 河北承德 人 ， 硕 士， 研究 力 向 ： 砌体与混凝 土。