加气混凝土砌体墙片裂缝形成的影响因素

加气混凝土砌体墙片裂缝形成的影响因素

目前，中国大多数房屋都是混凝土砖结构。混凝土砖结构具有良好的耐寒性、耐热性和耐火性等优点，但也存在易开裂和漏水等缺点。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Abaqus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墙体墙片内应力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墙体应力分析(1)模型的建立。建立长6m、高2.85m、厚0.15m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600mm，厚度为150mm，高度为250mm，粘接剂层厚度为3mm。粘接剂与砌块交界处采用共节点方法处理。采用Abaqus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:曲线的下降段方程为:其中，取ε0=0.002,fm=5MPa。加气混凝土砌块本构数学表达式如下:其中，εcy为加气混凝土峰值应变;εcu为加气混凝土极限应变;fc为峰值应力。取值为εcy=0.002，εcu=0.003。A2.5砌块:Ec=1180MPa,fc=1.8MPaA5.0砌块:Ec=2200MPa,fc=3.5MPa(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到60℃，冬季时外墙温度可降到-20℃，全年最大温差可达到80℃。(3)收缩应力的取值。材料收缩会使墙体内产生较大的应力，导致墙体开裂。收缩产生的效应可以采用“收缩当量温差法”转化为温度荷载，加载到墙片上。规范《蒸压加气混凝土砌块》规定砌块通过标准法测定的干燥收缩值不应大于0.50mm/m，采用“收缩当量温差法”转化后的等效温差为62.5℃。实际工程中砌块质量较差时，收缩值变大，可能大于规范要求，模型计算中取干燥收缩值为0.72mm/m，大于规范中规定的干缩值应小于0.5mm/m,0.72mm/m干缩值换算为温度荷载约为90℃。(4)边界条件的模拟。墙片的边界条件对墙体裂缝的开展有较大影响，模型中对墙体底面采用刚性固结约束，其他三个侧面采用弹簧单元对墙片施加边界约束。弹簧系数的取值可通过下式计算:其中，E为所模拟的约束材料的弹性模量;A为墙体侧面积，这里为2850mm×150mm;n为侧面积上弹簧的个数;L为弹簧初始长度，本模型中是100mm;k为弹簧的弹性系数。只需调节弹簧的弹性系数，即可对砌块墙体模型施加不同强度的周边约束。文中定义了两种弹簧约束，约束1的约束强度与M10砂浆的约束强度相同，约束2的约束强度与M5砂浆的约束强度相同。3有限分析中的墙裂缝3.1抗裂构造的一般过程为研究不同的温度变化对砌体墙片开裂的影响，对墙片施加温度荷载170℃(其中全年温差80℃、干缩值0.72mm/m的换算温差为90℃)，提取结果中不同的时间步进行分析。计算模型中砌块强度等级为A2.5，砌块抗拉强度0.16MPa，墙体中粘接剂与砌块的界面粘接强度为0.2MPa，底面采用固结约束、其它三个侧面采用约束1。计算过程中不同时间步下墙体裂缝发展过程如图3～图6所示。计算结果可按两种工况分析:(1)无干缩，有温度荷载，即墙体裂缝单纯由温度作用引起。温度荷载作用下，当降温25℃时墙体出现裂缝，裂缝产生于墙体偏右侧，在墙体底面产生并由下向上扩展;降温48℃时该裂缝形成第一条竖向通缝，第一条竖向通缝的形成，将原墙体分成两片，温度应力因裂缝的形成得到释放;降温60℃时第二条竖向通缝形成，由于第一条通缝将原墙体分成左右两部分，左侧墙体较右侧长，第二条通缝形成于原墙体的左侧，第二条通缝的形成使新产生的应力得到释放;继续降温后无新的通缝形成，但在墙体内产生破碎性裂缝。此处还注意到，原墙体长度为6m，第一条贯通裂缝产生时降温25℃，第一条贯通裂缝产生后，裂缝左侧墙体长度约为4m，较原墙体短，所以产生第二条裂缝时温差较第一条裂缝产生时大，为60℃-25℃=35℃。(2)无温度荷载，有干缩，即墙体裂缝单纯由干缩引起。干缩作用下，当砌块干缩0.2mm/m时墙体出现裂缝，产生于墙体偏右侧底面，并由下向上扩展;砌块干缩0.4mm/m时该裂缝形成第一条竖向通缝;砌块干缩0.48mm/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墙体抗剪强度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A2.5(抗拉强度0.16MPa)和A5.0(抗拉强度0.31MPa)的两种砌块进行计算。计算模型中墙体降温170℃(其中全年温差80℃、干缩值0.72mm/m的换算温差为90℃)，墙体中粘接剂与砌块的界面粘接强度为0.2MPa，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A2.5时的计算结果如图6所示，砌块强度等级为A5.0时的计算结果如图7所示。如图6、图7所示，温度和干缩荷载共同作用下(全年温差80℃、干缩值0.72mm/m的换算温差为90℃)，砌块等级为A2.5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A5.0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A5.0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(0.16MPa和0.31MPa)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墙体约束强度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A2.5，砌块抗拉强度0.16MPa，墙体中粘接剂与砌块的界面粘接强度为0.2MPa，墙体降温170℃(其中全年温差80℃、干缩值0.72mm/m的换算温差为90℃)，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。4结果分析和讨论(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(0.2MPa)介于两种砌块强度(0.16MPa和0.31MPa)之间时