加氣混凝土砌體墻片裂縫形成的影響因素

目前，中國大多數房屋都是混凝土磚結構。混凝土磚結構具有良好的耐寒性、耐熱性和耐火性等優點，但也存在易開裂和漏水等缺點。砌體結構在溫度或收縮應力下產生墻體裂縫是工程中的普遍現象，對結構的耐久性和房屋的使用功能有較大影響。溫度或收縮應力是導致墻體開裂的重要原因之一，本文采用有限元軟件Abaqus對加氣混凝土砌體墻片在溫度或干縮應力下的裂縫產生和開展進行了數值模擬，為研究加氣混凝土砌體墻片的裂縫開展提供參考。1墻體墻片內應力根據現有研究成果表明:由于砌體墻片內砌塊和粘接劑的干縮率不同，線膨脹系數差別較大，在溫度改變和材料收縮時，砌塊與粘接劑之間變形的不協調會使砌體墻片內產生較大的應力，當產生的拉應力大于材料本身的最大拉應力時，將引起墻體開裂。在砌體墻片較長或邊界約束較強時，產生的墻體裂縫會更加明顯。2墻體應力分析(1)模型的建立。建立長6m、高2.85m、厚0.15m的墻片模型，建模時粘接劑與砌塊采用分離式建模，其中砌塊長度為600mm，厚度為150mm，高度為250mm，粘接劑層厚度為3mm。粘接劑與砌塊交界處采用共節點方法處理。采用Abaqus中的損傷塑性模型分別建立粘接劑與砌塊的本構關系，通過彈塑性分析模擬墻體裂縫的開展。材料參數見表1。目前對粘接劑的研究較為有限，根據現有資料所得出的粘接劑材料參數如表1所示。粘接劑本構與加氣混凝土砌塊本構關系采用同濟大學金勇碩士論文中的本構模型。粘接劑本構數學表達式如下:曲線的上升段方程為:曲線的下降段方程為:其中，取ε0=0.002,fm=5MPa。加氣混凝土砌塊本構數學表達式如下:其中，εcy為加氣混凝土峰值應變;εcu為加氣混凝土極限應變;fc為峰值應力。取值為εcy=0.002，εcu=0.003。A2.5砌塊:Ec=1180MPa,fc=1.8MPaA5.0砌塊:Ec=2200MPa,fc=3.5MPa(2)溫度參數的取值。主要考慮長期溫差對墻體的影響，在我國北方地區，夏季時外墻在陽光照射下溫度可達到60℃，冬季時外墻溫度可降到-20℃，全年最大溫差可達到80℃。(3)收縮應力的取值。材料收縮會使墻體內產生較大的應力，導致墻體開裂。收縮產生的效應可以采用“收縮當量溫差法”轉化為溫度荷載，加載到墻片上。規范《蒸壓加氣混凝土砌塊》規定砌塊通過標準法測定的干燥收縮值不應大于0.50mm/m，采用“收縮當量溫差法”轉化后的等效溫差為62.5℃。實際工程中砌塊質量較差時，收縮值變大，可能大于規范要求，模型計算中取干燥收縮值為0.72mm/m，大于規范中規定的干縮值應小于0.5mm/m,0.72mm/m干縮值換算為溫度荷載約為90℃。(4)邊界條件的模擬。墻片的邊界條件對墻體裂縫的開展有較大影響，模型中對墻體底面采用剛性固結約束，其他三個側面采用彈簧單元對墻片施加邊界約束。彈簧系數的取值可通過下式計算:其中，E為所模擬的約束材料的彈性模量;A為墻體側面積，這里為2850mm×150mm;n為側面積上彈簧的個數;L為彈簧初始長度，本模型中是100mm;k為彈簧的彈性系數。只需調節彈簧的彈性系數，即可對砌塊墻體模型施加不同強度的周邊約束。文中定義了兩種彈簧約束，約束1的約束強度與M10砂漿的約束強度相同，約束2的約束強度與M5砂漿的約束強度相同。3有限分析中的墻裂縫3.1抗裂構造的一般過程為研究不同的溫度變化對砌體墻片開裂的影響，對墻片施加溫度荷載170℃(其中全年溫差80℃、干縮值0.72mm/m的換算溫差為90℃)，提取結果中不同的時間步進行分析。計算模型中砌塊強度等級為A2.5，砌塊抗拉強度0.16MPa，墻體中粘接劑與砌塊的界面粘接強度為0.2MPa，底面采用固結約束、其它三個側面采用約束1。計算過程中不同時間步下墻體裂縫發展過程如圖3～圖6所示。計算結果可按兩種工況分析:(1)無干縮，有溫度荷載，即墻體裂縫單純由溫度作用引起。溫度荷載作用下，當降溫25℃時墻體出現裂縫，裂縫產生于墻體偏右側，在墻體底面產生并由下向上擴展;降溫48℃時該裂縫形成第一條豎向通縫，第一條豎向通縫的形成，將原墻體分成兩片，溫度應力因裂縫的形成得到釋放;降溫60℃時第二條豎向通縫形成，由于第一條通縫將原墻體分成左右兩部分，左側墻體較右側長，第二條通縫形成于原墻體的左側，第二條通縫的形成使新產生的應力得到釋放;繼續降溫后無新的通縫形成，但在墻體內產生破碎性裂縫。此處還注意到，原墻體長度為6m，第一條貫通裂縫產生時降溫25℃，第一條貫通裂縫產生后，裂縫左側墻體長度約為4m，較原墻體短，所以產生第二條裂縫時溫差較第一條裂縫產生時大，為60℃-25℃=35℃。(2)無溫度荷載，有干縮，即墻體裂縫單純由干縮引起。干縮作用下，當砌塊干縮0.2mm/m時墻體出現裂縫，產生于墻體偏右側底面，并由下向上擴展;砌塊干縮0.4mm/m時該裂縫形成第一條豎向通縫;砌塊干縮0.48mm/m時第二條豎向通縫形成于原墻體的左側;繼續干縮后無新的通縫形成，但在墻體內產生破碎性裂縫。分析可知，溫度或干縮荷載作用下，加氣混凝土砌體墻片的裂縫形成分為兩個階段:第一階段是墻體通縫的形成階段，墻體內產生的應力因通縫的形成得到釋放;第二階段是破碎性裂縫的形成階段，破碎性裂縫的形成表明墻體開裂已經較為嚴重。實際工程中可針對墻體內應力產生的原因采取抗裂措施。可以通過提高砌塊質量、控制墻體的溫度變化等，預防或減少墻體裂縫的產生。3.2墻體抗剪強度為了研究不同的砌塊強度對砌體墻片開裂的影響，在其他條件不變的情況下，分別采用強度等級為A2.5(抗拉強度0.16MPa)和A5.0(抗拉強度0.31MPa)的兩種砌塊進行計算。計算模型中墻體降溫170℃(其中全年溫差80℃、干縮值0.72mm/m的換算溫差為90℃)，墻體中粘接劑與砌塊的界面粘接強度為0.2MPa，底面采用固結約束、其它三個側面采用約束1。砌塊強度等級為A2.5時的計算結果如圖6所示，砌塊強度等級為A5.0時的計算結果如圖7所示。如圖6、圖7所示，溫度和干縮荷載共同作用下(全年溫差80℃、干縮值0.72mm/m的換算溫差為90℃)，砌塊等級為A2.5的墻體中產生兩條豎向通縫和一條到達墻體中部的裂縫，并且產生大量的破碎性裂縫;將砌塊強度等級提高為A5.0后，墻體的豎向裂縫及破碎性裂縫均明顯減少。但在檢查粘接劑損傷情況時發現:砌塊強度等級為A5.0的墻體粘接劑損傷情況更嚴重，即當粘接劑與砌塊的界面粘接強度介于兩種砌塊強度(0.16MPa和0.31MPa)之間時，單純提高砌塊強度減少了砌塊本身裂縫，但可能使粘接劑開裂更為嚴重。3.3墻體約束強度為了研究不同的約束強度對砌體墻片開裂的影響，在其他條件不變的情況下，分別采用約束1和約束2兩種邊界約束進行計算。計算模型中砌塊強度等級為A2.5，砌塊抗拉強度0.16MPa，墻體中粘接劑與砌塊的界面粘接強度為0.2MPa，墻體降溫170℃(其中全年溫差80℃、干縮值0.72mm/m的換算溫差為90℃)，底面采用固結約束。采用約束1時的計算結果如圖6所示，采用約束2時的計算結果如圖8所示。如圖6、圖8所示，邊界約束為約束1時，砌塊墻體中產生兩條豎向通縫和一條到達墻體中部的裂縫，并且產生大量的破碎性裂縫;降低約束強度采用約束2時，墻體的豎向裂縫及破碎性裂縫均有所減少，可知，在保證墻體穩定的情況下，適當降低墻體周邊約束強度，可以改善墻體的開裂情況。實際工程中對墻體的約束不要求完全固結，可以采用柔性連接以增大墻片的變形空間，降低裂縫出現的可能性。4結果分析和討論(1)加氣混凝土砌體墻片裂縫的產生與干縮和溫度變化有直接關系。提高砌塊質量，減少墻體內產生的干縮應力，做好墻體的保溫隔熱工作，減少墻體內產生的溫度應力，對墻體抗裂具有重要意義。(2)由本模型計算結果分析可知，當粘接劑與砌塊的界面粘接強度(0.2MPa)介于兩種砌塊強度(0.16MPa和0.31MPa)之間時