控制缝的分布对砌体温度效应的影响

许 筠 郭 宁

(1.湖南轻工研究院，湖南长沙 410000;2.长沙理工大学，湖南 长沙 410000)

0 引言

由于混凝土多孔砖湿胀干缩、线膨胀系数较大，受温度应力的影响，混凝土多孔砖房屋常常出现不同程度的开裂现象，因此对混凝土多孔砖砌体房屋的温度裂缝机理及控制措施进行进一步研究总结。

砌体建筑设计中，除按我国现行规范设置抗震缝、沉降缝及变形缝外，还应在温度集中处加设控制缝(变形缝)。控制缝的设置主要是针对混凝土材料干缩变形的特性，将过长的墙体分段，以避免墙体内部干缩变形的过度积累，而引起墙内过大的内应力，造成墙体的裂缝。国内的大量工程实例证明，在建筑立面、结构抗震防风和嵌缝材料的变形能力满足要求的前提下，设置控制缝是解决墙体因温度开裂较为有效的方法。

因此，本文通过ANSYS软件模拟出砌体结构中不同间距控制缝对结构温度应力的影响，以此总结出若干防止砌体结构温度裂缝的方法，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 顶层裂缝形成机理

考虑到顶层温度应力较大，受温度应力的影响，砌体结构顶层墙体往往容易产生温度裂缝。屋面板在长时间受到阳光辐射的情况下，屋面温度是墙体温度的两倍左右。受温度影响，屋面板纵墙方向的形变大于横墙方向形变，在对外横墙产生垂直推力的同时对外纵墙产生较大的水平推力。由于屋面板形变产生的推力和屋盖、挑檐或女儿墙的垂直压力构成墙体双向压力，当主拉应力大于墙体的抗拉强度时，墙体就会出现裂缝［1］。顶层墙体在顶板的水平拉力和顶层屋面正压力的作用下就会出现如图1所示的八字裂缝。

图1 外纵墙八字裂缝和端部开间窗角斜裂缝

经有限元及弹性力学近似法计算发现，顶层外纵墙的水平剪力从中间向两端部呈逐渐增大趋势，两端部水平剪力最大，而中间部位相对较小;墙体顶部的水平位移也是从中间向端部逐渐增大，在剪应力达到最大的区域其水平位移也明显较大。

2 计算模型概况

2.1 温度参数取值

采用任何方法计算砌体结构的温度效应，均与温差的合理取值有密切关系。

组合温差综合考虑了年温差和日温差(有的根据正晒面温度峰值的计算公式来计算，有的根据有限差分法来计算［2，3］，也有根据《建筑气候区划标准》采用日平均温差)对温度应力的影响，由于年温差的变化是缓慢的，经历的时间长，可以认为它对结构的作用相对要小，考虑到混凝土材料在此期间会发生徐变和应力松弛等现象，在考虑共同作用的时候，在年温差前乘以一蠕变系数0.85。即组合温差=日温差+0.85×年温差。

本文通过中国南部地区的全年温度情况，结合文献［4］通过对杭州地区一试点建筑近一年的现场实测，得到了年温差和日温差，最后计算得到的组合温差如表1所示。

表1 墙体、屋面温差表 ℃

2.2 单元类型和计算模型

计算模型中楼板等配筋构件均应采用分布式模型，即采用了含筋的Solid65单元，认为钢筋是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单元来进行模拟。

在结构刚度允许的条件下，控制缝的设置能有效降低应力集中，本文模型中的控制缝设置在容易产生应力集中的窗洞角，各模型开间均为3.6 m，共15个开间，房屋纵向长度为3.6 m×15=54 m。分别对设置不同间距及数量的控制缝的多孔砖砌体房屋模型W1～W6进行有限元分析(模型具体数据见表2)。

表2 模型具体数据 m

3 模型演算结果及对比分析

在不设置控制缝时，顶层端部开间外墙主拉应力分布如图2所示，按间距18 m设置控制缝后，顶层端部开间外墙主拉应力分布如图3所示。

图2 不设控制缝时主拉应力分布

图3 设置控制缝后主拉应力分布（间距18 m）

由图2，图3可见，在不设置控制缝时，窗洞右下角有明显的应力集中现象，墙体最大主拉应力为0.254 MPa，增设控制缝后，应力集中现象得到明显的缓解，且墙体的最大主拉应力降至0.203 MPa。这说明了:控制缝合理的设置可以对结构的温度应力进行释放，从而有效的控制温度裂缝发生。

表3及图4，图5为控制缝间距对外纵墙温度应力及层间位移的影响。由此可见，随着控制缝间距的减小，墙体的最大主拉应力逐渐减小，顶层层间位移也呈减小趋势，当控制缝间距小于20 m时，对降低墙体温度应力的效果较为明显，当控制缝间距大于27 m后，对墙体温度应力的影响很小，这说明控制缝间距超过一定长度则不能有效改善应力集中的问题，失去了设置控制缝的意义。

GB 50003-2001砌体结构设计规范对墙体设控制缝以释放应力避免开裂的措施持慎重态度，主要是担心降低墙体刚度对抗震不利，这方面国内研究尚不太充分，所以暂时只提当房屋刚度较大时设置控制缝［5］。

哈尔滨建筑大学曾做过砌块墙片设控制缝的抗侧试验，试验及有限元分析结果表明［6］:墙体中间设置控制缝后，抗侧刚度的降低程度随墙片宽高比的增大而减小，认为顶层设置控制缝至少在7度区对7层砌块房屋抗震性能影响不大。

表3 控制缝间距对外纵墙温度效应的影响

图4 控制缝的间距与外纵墙最大主应力之间的关系

图5 控制缝的间距与层间位移的关系

基于以上分析，在外墙易出现应力集中处设置控制缝是解决温度裂缝的有效措施，兼考虑到不过度降低墙体抗侧刚度而影响房屋的抗震性能，对于混凝土多孔砖砌体房屋，在适当设置伸缩缝后，还应在顶部两层合理设置控制缝，控制缝的最大间距不应大于20 m。同时还应当指出，外墙中设置控制缝是客观实际提出的要求。

4 结语

从ANSYS软件模拟结果不难发现，在外墙易出现应力集中处设置控制缝能有效降低应力集中，降低温度裂缝发生的几率。对于混凝土多孔砖砌体房屋，在适当设置伸缩缝后，还应在顶部两层合理设置控制缝，控制缝最大间距不应大于20 m。其结论可作为混凝土多孔砖砌体结构设计及施工的指导。

［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，2007，33(29):155-156.

［2］艾 兵.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［D］.杭州:浙江大学博士学位论文，2003.

［5］唐岱新，龚绍熙，周炳章.砌体结构设计规范理解与应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［6］翟希梅，唐岱新，张玉红.控制缝对砌块建筑抗震性能的影响与分析［J］.低温建筑技术，2001(4):16-18.