设置顶层构造柱对砌体温度效应影响的有限元分析

设置顶层构造柱对砌体温度效应影响的有限元分析

关杰郭宁

中机国际工程设计研究院有限责任公司湖南长沙410007

【摘要】本文对在混凝土多孔砖砌体结构中设置顶层构造柱对砌体温度效应的影响进行了有限元模型模拟分析。运用ANSYS软件模拟出设置不同构造柱形式下温度应力的分布情况，并由此分析出顶层构造柱对砌体温度应力的影响，给出了控制及预防顶层温度裂缝的若干措施，可作为混凝土多孔砖砌体结构设计和施工参考。

【关键词】混凝土多孔砖；砌体结构；构造柱；ANSYS；温度应力；温度裂缝；有限元分析

由于混凝土多孔砖线性膨胀系数较大，受温度影响大，在长期温差影响下，砌体结构顶层墙体易产生裂缝。因此，需要对混凝土多孔砖砌体房屋温度裂缝机理及控制措施进行进一步的研究。本文借助ANSYS软件，模拟设置不同构造柱形式下砌体结构顶层墙体温度应力对结构产生的影响，从而总结出工程设计与施工中关于构造柱设置的若干建议，为混凝土多孔砖砌体结构预防和控制温度裂缝提供科学依据。

1.顶层墙体温度裂缝特点及形成机理

1.1顶层墙体温度裂缝特点

1）温度裂缝通常处于对称状态，一般处于房屋两端位置，第1、2开间墙体更为明显，其特点为背阴轻、向阳重、中间轻、两端重。

2）在房屋顶层相对易出现温度裂缝，裂缝从此处开始，轻裂，较少向下延伸，通常一年左右时间便停止开裂。

3）水平裂缝多发生于山墙，内外纵墙常见水平缝与“八”字斜裂缝两种，屋面板上墙体与板及相邻板缝接触位置饰面表层存在水平缝（鱼鳞样）；内横墙面两端裂缝呈“八”字状态。

4）缝宽一般下部较窄，上部较宽；易受温度影响，砌砖季节会影响到裂缝程度。

1.2顶层墙体温度裂缝形成机理

1）由于房屋顶层温度因素，其对裂缝的影响较大，顶层墙体砌体结构受温度应力影响而出现温度裂缝。在长时间阳光及紫外线辐射下，屋面板温度会升高，经测算通常为墙体温度两倍。在这种温度差下，屋面板横墙方向形变小于纵墙方向，外纵墙受到水平推力、外横墙受到垂直推力。在屋面板变形状态下，女儿墙、挑檐、屋盖的垂直压力会与屋面板变形造成的推理形成双向压力，当墙体抗拉力程度已经不足以抵抗主拉应力时，墙体会开裂。顶层墙体在顶层屋面正压力与顶板水平拉力双重作用下会产生“八”字裂缝。

2）施工周期短也能造成问题裂缝。住宅施工一般周期较短，屋顶保温层不能充分干燥，含水量较高，隔热能力减小，是的建筑物顶层墙体抗剪能力减小而出现裂缝

3）部分砖混房屋设计采用钢筋混凝土挑梁，为了平衡挑板，在室内屋盖部分也要现浇一部分屋盖板在两者之间紧密连接的是外纵墙圈梁，圈梁又往往与墙同宽，这样外挑檐，圈梁以及现浇屋盖部分共同组成刚度较大的现浇连续板，遇温度差变化产生的温度应力较高，导致墙体不能承受而开裂

4）屋面板膨胀山墙给檐口圈梁以较大的推力，加上檐口梁内外温度产生的外拱内凹变形，使圈梁底面与砖墙接触处产生水平缝。屋面板的温度变形，使纵墙上应力集中的门窗洞口上角产生水平裂缝。

5）屋面板由于板面和板底温差作用，产生竖向起伏和水平变形，如果保温效果不好，而导致此种影响更大。产生相邻板缝的开裂，通常是端部最严重。

通过弹性力学与有限元近似法计算不难看出，对于顶层外纵墙而言，从中间向两端方向水平剪力会逐渐增大，因此中间位置剪力相对较小，两端位置水平剪力较大。同理，墙体顶部剪力也是如此，剪应力最大时，其水平位移距离也相对更大。

2.温差计算模型

2.1温度取值参数控制

在砌体结构的温度效应计算方面，无论使用何种计算方式，均需要考虑到温差影响，因此温差取值需谨慎。

组合温差的计算需要注重日温差与年温差，其计算方式可根据《建筑气候区划标准》、有限差分法或是正晒面温度峰值相关公式等方式来计算，从而得出温差影响程度。一般日温差相对重要，这是由于年温差经历时间较长且变化缓慢，对结构的不良影响不及日温差。因此综合考虑年温差影响与混凝土材料在一年中出现的应力松弛及徐变情况，可将年温差通过蠕变系数加以调节（年温差*0.85）。换言之，组合温差为年温差乘0.85后与日温差的和。

本文主要研究了我国中南部区域一年中变化情况，通过对杭州某建筑实测得到真实日温差及年温差数据，其组合温差具体数据见表1.

2.2单元类型和计算模型

计算模型中楼板等配筋构件均采用分布式模型，即采用了含筋的SOLID65单元，认为钢筋以均匀分布的形式含在混凝土中。而混凝土多孔砖墙体采用不含筋的SOLID65单元来模拟。

众所周知，砖砌体中设置构造柱能提高其抗震能力，顶层砖砌体承受的荷载实质上就是顶板与墙体的温差造成的水平温度应力，理论上增设构造柱对其抵抗温度应力也是一种比较有效的措施。为了分析构造柱的设置对温度效应的影响，本节对几种构造柱设置不同的模型在表1组合温差作用下的主拉应力和水平位移进行了比较分析。各模型纵向长度均为50.4m（14个开间，每个开间均为3.6m），其构造形式说明如下：

M1：只设置圈梁不设置构造柱；

M2：在模型M1的基础上在每个端部两个开间设置构造柱（间距36m）

M3：在模型M2的基础上在纵向中部增设1构造柱（间距18m）；

M4：在模型M2的基础上在纵向中部增设2构造柱（间距14.4m）；

M5：在模型M2的基础上在纵向中部增设4构造柱（间距7.2m）；

M6：在模型M2的基础上在纵向中部增设9构造柱（间距3.6m）；

3.模型演算结果及对比分析

通过ANSYS模拟上述模型得出主拉应力云图如下：

图4模型M5主拉应力分布

由图2~4各模型的主拉应力云图可知，最大主应力均出现在顶层墙体端部开间墙体，墙体与构造柱及圈梁交接部位主拉应力较大，在窗洞口端角处应力较为集中，且随着构造措施继续加强，墙体的最大主拉应力呈逐渐减小趋势，这是因为设置构造柱后，应力发生了重分布，虽不能改变洞口处的应力集中，但总体降低了墙体中的应力，高应力集中于构造柱及圈梁内，随着构造措施的加强，墙体内应力分布趋于均匀。文献[5]中试验研究及对粘土砖结构的有限元分析结果与本文分析结果较为相近。这说明构造柱的设置对混凝土多孔砖墙体抵抗温度裂缝的的产生也十分是有效的。

由图5~6及表2可以发现，随着构造措施的加强，墙体端部的最大主拉应力和顶层的最大侧移都有减小的趋势，当不设置构造柱时墙体的主拉应力达到0.36MPa，在端部两开间设置构造柱后，主拉应力降至0.27MPa，可见在端部采用构造柱进行加强，对降低墙体主拉应力效果是十分明显的。当纵向中部构造柱间距小于14.4m时，对墙体主拉应力降低效果较好，当构造柱间距大于14.4m时，对温度应力的影响并不明显，这也说明，当构造柱间距超过一定的长度，则对减小墙体的应力及侧移效果不明显，此时构造柱就不能有效的抵抗墙体的温度裂缝的开展。

基于以上分析，多层混凝土多孔砖砌体结构在顶层端部两个开间应加强构造措施，且在外墙的中部应以不大于14.4m间距设置构造柱用以加强。因此，对于7度设防的多层混凝土多孔砖砌体结构，在按照建筑抗震设计规范（GB50011—2010）设置构造柱后，另外在顶层端部两个开间纵横墙交接处增设构造柱则可起到有效的抵抗温度裂缝的效果，为了避免构造柱有较大的温差变形引起构造柱周围砌体开裂，外墙构造柱不宜外露。

4.结论

由以上模型分析，本文对砖混结构的温度场利用有限元的分析，对建筑物顶层进行了温度裂缝的分析。经过上面计算，主要得到以下结论：

1：对模型的温度作用采取组合温差为年温差乘0.85后与日温差的和。在温度应力下，砌体结构顶层端部开间会产生“八字形”裂缝，影响分布的主要因素有温差、开洞率、构造柱的设置、建筑物长度。定性的分析，还能得出砌体截面垂直压应力和屋面板的刚性对砌体结构墙体温度应力也有一定的影响。

2：由于房屋砌体抗剪强度与抗拉强度较小，造成裂缝的因素较多，因此裂缝应以预防为主。小圈梁、窗洞口加小构造柱、顶层砌体门与建筑物圈梁、构造柱连接为整体状态，需将应力集中情况加以改进，通过变形性能以及强度上的优化提升构件温度应力，从而改善顶层端部位置门窗洞口开裂情况。

3：基本可以确定顶层构造柱的设置对墙体中温度应力的分布有较大影响，随着构造柱措施的加强，墙体中的最大主拉应力将有所降低，部分拉应力将转移至构造柱，从而有效的抑制了端部八字型裂缝的产生。

5.有效措施

通过本文的有限元分析以及建筑抗震设计规范（GB50011—2010）和砌体结构设计规范（GB50003-2011）理解，结合近几年的工程实践，本人觉得可以采取以下几项预防温度裂缝的措施。

1：按本文的有限元分析结果可知，为了提高顶层整体性，抵消部分屋盖传来水平推力或拉力，可在砌体结构的建筑物端部两个开间纵横墙交接处增设构造柱，同时按照建筑抗震设计规范的要求均匀设置构造柱后还可以在薄弱部位单独设置抗裂柱，抗裂柱做法同构造柱，但不需要从基础开始设置，可以只从顶层以下锚固一层，从圈梁插起即可，这样既能解决顶层温度裂缝问题也不会让工程增加太多造价。

2：降低保温层含水量，在施工周期相对较短的情况下，保温层可以采取预制品，使保温材料的隔热性能不会因含水量较大而减弱。

3：在设计上，除按规范规定设置伸缩缝外，也可在屋盖空心板板头及其上刚性层预留10mm缝隙，填一些松散材料，同时挑檐上亦用相同方法断开抵消温度应力。

4：有些设计中砂浆及砖的强度等级越往顶层越低，或整个建筑物的砂浆及砖强度等级不高。为防治顶层墙体温度裂缝，应适当提高顶层砌体强度，砖不宜低于MU7.5，砂浆不宜低于2.5。

5：按规定留置伸缩缝，以减少温度变化对墙体产生的影响。伸缩缝内应清理干净，避免碎砖或砂浆等杂物填入缝内。

参考文献：

[1]张延风.砖混结构房屋温度裂缝的成因和防治[J].山西建筑，2007，29，155-156

[2]艾兵等.砖混结构房屋墙体温度分布规律[J].工业建筑，1996，26（11），36-38.

[3]夏勇，裴若娟.高层剪力墙结构温度应力初探[J].建筑结构，2000，30（2），8-16

[4]叶甲淳.混凝土小型空心砌块建筑裂缝控制的温度效应研究：[博士学位论文].杭州：浙江大学，2003.5

[5]吴文涛.砌体结构温度裂缝的研究：[硕士学位论文].天津：天津大学，2004

[6]李胜春.多层砖混住宅顶层墙体温度裂缝的成因及预防：山西建筑，2002

作者简介：关杰（出生于1982年5月-），男，汉族，本科，工程师，主要从事混凝土结构设计和钢结构设计。郭宁（出生于1989年3月-），男，汉族，硕士，工程师，主要从事结构设计工作。