（材料学专业论文）混凝土空心砌块建筑温度场和温度效应研究.pdf

摘要 混凝土空心砌块具有节土、节能、功能良好等优点，是一种新型的墙体材料，具有广 泛的应用前景，但是现阶段的混凝土空心砌块建筑的裂缝问题严重地阻碍了它的进一步发 展。因此，对混凝土空心砌块建筑的裂缝问题研究是十分必要的。混凝土空心砌块建筑产 生裂缝的原因是多方面的，研究表明温度裂缝是砌块建筑裂缝的最主要形式。 本文结合南京市墙体材料革新与建筑节能科研项目“非粘士墙体材料建筑的裂缝机理 及防治对策研究”，就控制混凝土空心砌块建筑温度裂缝的几个具体措施展开了研究。 首先通过调研，总结了现有的混凝土空心砌块建筑出现裂缝的形式、部位，分析了裂 缝产生的原因，得出温度裂缝是混凝土空心砌块建筑温度裂缝的主要形式。 其次对影响混凝土空心砌块建筑温度分布的各种传热方式及影响因素进行了分析，发 现太阳辐射对温度场的分布有很大的影响，建筑围护结构的导热是混凝土空心砌块建筑的 主要传热方式。根据导热情况得出了混凝土空心砌块建筑的导热形式，介绍了导热微分方 程。 然后对南京近年的气象资料和规范比较，计算出了年温差，由南京气象资料计算出了 混凝土砌块建筑不同方位的墙体和屋面的只温差。根据组合温差计算方法，计算出了南京 地区混凝土砌块建筑的组合温差，得出试点建筑温度场的具体分布规律。 根据南京八卦洲地区一试点建筑建立建筑模型，并考虑了不同构造措施对建筑的影 响，对建筑模型进行了温度效应有限元分析，得出了各种构造措施下建筑的位移、应力和 层间相对位移情况，并对结果进行分析研究。可以看出增加构造柱对位移的改变有一定的 影响，在窗口周围设置小框架对减低窗口处的应力比较明显，在项层每隔l m 处设置构造 柱，并在端开间墙体中部设置圈梁，对整个应力的降低效果不好，设置伸缩缝效果不是特 别理想，降低南坡屋面的温差是控制温度裂缝的最有效的措施。 关键词：混凝土空心砌块，混凝土空心砌块建筑，温度裂缝，温度场，温度效应 a b s t r a c t c o n c r e t eh o l l o wb l o c k , an e w l y - d e v e l o p i n gb u i l d i n gm a t e r i a l ，w i t hag r e a tv a r i e t yo f a d v a n t a g e sl i k es a v i n gt h ec o n s u m i n go fs p a c e ，e n e r g y , a n dw e l lf u n c t i o n s ，h a saw i d e l y i m p l e m e n tp r o s p e c t h o w e v e r , t h et h e r m a lc r a c k si nc o n c r e t eh o l l o wb l o c kc o n s t r u c t i o ni s b a d l yr e s t r i c t e di t sd e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oh a v ear e s e a r c ho nt h et h e r m a l c r a c k sp r o b l e mi nc o n c r e t eh o l l o wb l o c kb u i l d i n g g e n e r a l l y , t h ec r a c k sa r ec a u s e db yl o t so f f a c t o r s f u r t h e rr e s e a r c hd e m o n s t r a t e st h a tt h et e m p e r a t u r ec r a c k si nb l o c kc o n s t r u c t i o na r ct h e m o s tp o p u l a rf o r mo f c r a c k s b a s e do n ”c o n s t r u c t i o nc r a c k sm e c h a n i s ma n dp r e v e n t i o nm e t h o d so fn o n - c l a yw a l l ”a w a l lm a t e r i a l si n n o v a t i o na n dc o n s t r u c t i o ne n e r g y s a v i n gs c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c ti nn a n j i n g ， t h ei r l a i nr e s e a r c ho ft h i sp a p e ra r ec o n c r e t eh o l l o wb l o c kc o n s t r u c t i o no ft h et e m p e r a t u r e ， t e m p e r a t u r es t r e s sa n dt e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o n m e a n w h i l e ，t h i st h e s i sa n a l y z et h em a i nf o r m s a n dc a u s e so ft e m p e r a t u r ec r a c k s ，a n dt h ee f f e c to fs t r u c t u r a lm e a s u r e so nt h ei m p a c to f t e m p e r a t u r es t r e s s f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h , w ew o u l df i n do u tt h ef o r ma n dt h el o c a t i o n so f c r a c k si n e x i s t i n gc o n c r e t eh o l l o wb l o c kc o n s t r u c t i o n ，s ot h a ta n a l y z et h ec a n s e so f t h e c r a c k s s e c o n d l y , t h r o u g ht h er e s e a r c ho fv a r i o u st e m p e r a t u r es p r e a d i n gw a y sa n dt h ep o s s i b l e i m p a c tf a c t o r so ft h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fc o n c r e t eh o l l o wb l o c kc o n s t r u c t i o n ，w ec a n f o u n dt h a tt h es o l a rr a d i a t i o nh a v eag r e a ti m p a c to nt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，a c c o r d i n gt o t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yp h e n o m e n o no fc o n c r e t eh o l l o wb l o c k sc o n s t r u c t i o n ，t h ep a p e r s u m n l a r yt h ef o r mo f t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n di n t r o d u c et h et h e r m a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n s c o m p a r e dw i t hm e t e o r o l o g i c a ld a t aa n ds t a n d a r ds a m p l e so f n a n j i n g i nr e c e n ty e a r s ，a n n u a l t e m p e r a t u r ed i s p a r i t y i sc a l c u l a t e d m e a n w h i l e ，t h r o u g ht h en a n j i n gm e t e o r o l o g i c a ld a t a a n a l y s i s ，w ec a l lc a l c u l a t et h ed i f f e r e n td i r e c t i o n so f t h ew a l la n dr o o f s d a yt e m p e r a t u r ed i s p a r i t y a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o nm e t h o do f t h ec o m b i n e dt e m p e r a t u r e ，t h ec o m b i n e dt e m p e r a t u r eo f c o n c r e t eh o l l o wb l o c kc o n s t r u c t i o ni nn a n j i n gr e g i o nw i l lb ec a l c u l a t e d a c c o r d i n gt oap i l o tb u i l d i n gi nt h en a n j i n gb a g u a z h o ur e g i o nt oe s t a b l i s haa r c h i t e c t u r a l m o d e l s 。w i mt h ec o m b i n e dt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo b t a i n e df r o mf i e l dt e s t s ，al o to f c a l c u l a t i o n s h a v eb e e n d o n eb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，c o n s i d e r i n go f d i f f e r e n ts t r u c t u r a lm e a s u r e s c o n s t r u c t i o nd i s p l a c e m e n t ，s t r e s sa n dt h em l m i v ed i s p l a c e m e n ti nav a r i e t yo f s t r u c t u r a lm e a s u r e s c a l lb ec o m p a r e da n da n a l y z e d 1 蚵w o r d s ：c o n c r e t eh o l l o wb l o c k ，c o n c r e t eh o l l o wb l o c kc o n s t r u c t i o n ，t e m p e r a t u r ec r a c k s ， i m p a c to f t e m p e r a t u r e 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意如不实，本人负全 部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 年月日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ； 年月 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 混凝土空心砌块的发展及前景 混凝土空心砌块起源于美国，自1 8 6 6 年哈契逊首次获得专利以来，混凝土空心砌块 的发展已有1 0 0 多年的历史“1 。1 8 7 4 年开始用混凝土和其它材料在塑性状态下制成多种形 状不同的空心砌块。1 8 9 0 年h s p a l m a r 首次以商业形式生产混凝土空心砌块，并于18 9 7 年建成了一幢砌块建筑房屋瞳。在1 9 3 3 年加利福尼亚长滩大地震后，美国推出了配筋混 凝土砌块结构体系，并建造了大量的多层和高层配筋砌体建筑。如1 9 5 2 年建成的2 6 栋6 1 3 层的美退伍军人医院，1 9 6 6 年建成的8 层海纳雷旅馆和洛杉矶的1 9 层公寓等。1 9 9 0 年5 月在内华达州拉斯维加斯建造了4 栋2 8 层的配筋砌块旅馆，这是目前世界上最高的砌块 建筑。1 。目前美国的混凝土空心砌块产量约占墙体材料的5 0 以上“1 。经过1 0 0 多年的不 断发展，混凝土空心砌块已经在一百多个国家中生产和使用，其生产和应用技术已经比较 成熟。在一些工业发达的国家，建筑砌块已经成为主要的墙体材料，在德国、波兰、r 本 等国家建筑砌块占墙体材料的l 3 以上，在加拿大、意大利、英国、法国、比利时等国家， 砌块年产量在墙体材料中也占有很大的比重。 我国发现最早的混凝土空心砌块建筑是在上海，房屋建于1 9 2 3 年，位于延安中路铜 仁路路口的2 5 幢两层别墅建筑，这些混凝土砌块建筑已使用8 0 多年，建筑物仍然完好无 损。但是当时中国还不具备生产混凝土空心砌块的能力，所以这批房屋应该是由外国人建 造的。 抗战胜利以后，我国从国外引进一批混凝土砌块成型机用于砌块生产，当时主要分布 在北京、杭州、上海、南京等地。6 0 年代初，广西河池、贵州都匀等地区采用简易振动成 型机生产空心砌块，并建造了一批三、四层住宅。同时，吉林延边丌发了浮石混凝土空心 砌块，并得到了推广与应用。7 0 年代后，混凝土空心砌块得到了迅速发展，特别是十一届 三中全会后，各地大力开展基础建设。混凝土空心砌块在产量、品种、规格方面进入了新 的发展阶段，砌块成型机及辅助设备的技术水平有了很大的提高。广西、贵州、四川、广 东、安徽、湖南等省生产一大批空心砌块，并建造了一大批砌块房屋。浙江绍兴在1 9 8 2 1 9 8 9 年这八年中砌块建筑累计愈1 0 万立方米，该市的砌块建筑多为六层住宅楼，辽宁 本溪也兴建了一批砌块住宅楼，其中还有一些为8 一l o 层的中高层砌块承重试点建筑。 进入9 0 年代，混凝土空心砌块开始应对未来建筑新体系并进入高品质时代，其应用 对象也由低层转向中高层及大开间建筑。上海市在1 9 9 4 年两个住宅小区共开工建筑4 5 l 河海大学硕士学位论文 万立方米，并将混凝土砌块列入重点发展的新型建筑材料。1 9 9 7 年在盘锦建成了一幢1 5 层配筋砌块住宅建筑晤( 图1 1 ) ，1 9 9 8 年底在上海建成了1 8 层配筋砌块住宅是我国目前 最高的小砌块建筑( 图1 2 ) 。 l ! | 1 1 盘锦市1 5 层砌块大楼幽i 2 上海1 8 层配筋砌块楼 进入2 1 世纪，混凝土砌块建筑更是蓬勃发展。浙江杭州建成了一系列的试点住宅建 筑( 图1 3 ) ，这些建筑为浙江大学工程结构研究所研究裂缝问题起了重要的作用。为了促 进混凝土空心砌块建筑在南京地区的应用，南京市在八卦洲建成了小高层试点砌块建筑。 图1 3 杭州潮呜小区试点住宅 2 0 0 0 年我国的混凝土砌块产量已达4 8 0 0 万m 3 ，可以覆盖近1 亿l n 3 的建筑面积，占 墙体材料总量的5 ，到2 0 1 0 年砌块产量预测达到1 5 0 0 0 万m 3 ，砌块建筑可达3 0 0 0 0 力m 3 。上世纪9 0 年代起我国的砌块年生产量及砌块建筑年建造量及未来的发展趋势见图 1 4 、1 5 1 7 1 。 第一章绪论 1 9 9 0 1 鲴31 钾61 9 9 71 9 9 82 伽o2 0 噼2 0 1 0 图1 4 近年全国砌块年总产量 万i i ) 3 0 0 0 0 2 5 湘 2 1 5 舶o l o s 帅 加 同时，国家为了节约黏土，大面积的推广砌块建筑，出台了一系列的法规和政策，在 建材行业“十五”规划中已明确把实现1 7 0 个大中城市禁止使用实心黏土砖作为规划目标 的重中之重喀。随着禁止使用实心黏土砖的墙体改革的全面铺开，墙材绿化进程全面提速， 2 0 0 4 年全国绿色墙材占墙材总量的3 5 ，应用率达到4 0 ，其中1 7 0 个城市的应用率达到 4 5 ；到2 0 0 4 年底，已有7 8 个城市提前实现“禁实”目标。多种新型墙体材料也如雨后 春笋般出现，其中，又以混凝土空心砌块的应用最为广泛，随着“禁实限粘”措施的逐渐 实施，混凝土空心砌块的生产和使用必将逐渐增多。 1 2 混凝土空心砌块及混凝土空心砌块建筑的优缺点 混凝土空心砌块这种新型墙体材料和新型建筑材料在我国蓬勃发展，一方面是由于国 民经济发展的大趋势，国家相关部门在墙体材料改革上作了大量工作；另一方面则是混凝 土空心砌块及砌块建筑本身具有一系列技术经济优势。实践证明，混凝土砌块及砌块建筑 适合我国国情，具有强大的生命力、竞争力和广阔的发展前景9 。 混凝土砌块与混凝土砌块建筑的优点主要体现在以下几个方面： 1 1 混凝土空心砌块的使用可避免烧砖毁用，保护耕地。传统的黏土制品，要消耗大量的 黏土原料。众所周知，我国的人均耕地在世界上属相当低的，而耕地是难以再生的资源， 目前国家为保护耕地采取的过渡措施是生产黏士空心砖和黏土多孔砖，但这样只能节约一 部分土地，最彻底的办法是发展完全不用黏土的新型墙体材料。混凝土空心砌块就是其中 之一，它具有产量大，使用功能总体良好，价格便宜等优点。 2 1 混凝土空心砌块的生产能耗低。我国是能源相对贫乏的国家，能源是制约我国经济发 展的重要因素之一。所以，对能源必须开发和节约并重。黏土制品在生产过程中要烧结， 能耗较高。混凝土砌块即使采用蒸汽养护也比黏土砖节能约三分之二左右。 3 ) 混凝土空心砌块能充分利用地方资源和工业废渣。混凝土空心砌块的主要材料为水泥 河海大学硕b 学位论文 和骨料。这两种材料的资源相对较为丰富。而且生产混凝土空心砌块还可大量掺加工业废 渣，如高炉矿渣、煤渣、煤矸石和粉煤灰等。这些材料的性能完全可以满足混凝土空心砌 块的生产需要。综合利用这些工业废渣对环境保护极为有利。 4 ) 混凝土空心砌块的用途多，功能良好。混凝土空心砌块是由塑性混凝土加工而成，其 形状、大小均可随模具不同而异，所以说混凝士空心砌块既是一种新型墙体材料，又是一 种多用途的新型建筑材料。 5 1 混凝土空心砌块生产企业投资少、周期短、见效快。混凝土空心砌块生产工艺较简单， 生产设备较少，土建工程量不大，无需专有原料矿产。生产混凝土空心砌块单位产品的建 设投资约为黏土制品单位产品的6 0 左右，这对提高投资效益是非常重要的。 6 ) 混凝土空心砌块劳动生产率高、成本低。混凝土空心砌块的生产工艺较简单。原料处 理简便，砌块成型机操作方便，半成品及成品的转运均可采用轻便机械来完成。劳动生产 率高，混凝土空心砌块的原料不仅来源广泛，而且价格较低，加工生产设备少，劳动生产 率高，固定资产投资少等因素，使混凝土砌块生产成本较低。 7 ) 砌块建筑有多方面的经济效益。混凝土空心砌块的块体比黏土大，砌块工效高，另外 节约砌筑砂浆，墙体轻，房屋实用面积较大。 当然，混凝土空心砌块建筑也存在一些弱点，主要表现在以下几个方面 1 0 i 1 ) 墙体裂缝问题 混凝土空心砌块建筑墙体裂缝主要是顶层和次顶层端开间及楼梯间的纵、横墙裂缝。 引起裂缝的原因主要是砌块块体高、空洞率大、砌筑时灰缝很难得到保证。而且砌块的抗 压强度高，而沿齿缝截面弯曲抗拉强度、沿通缝截面弯曲抗拉强度、抗剪强度比砖砌体又 低很多，砌块的热膨胀系数和干缩也比黏土砖大，这些都是产生裂缝的主要内在原因，墙 体与屋面的温差过大以及它们两者的热膨胀系数不同和砌块上墙后二次干缩的影响是产 生裂缝的外部因素。 2 ) 热工性能差 与实心粘土砖相比，普通单排孔砌块保温隔热性能相当于1 5 0 厚砖墙，双排孔砌块保 温性能相当于2 0 0 厚砖墙，隔热性能相当于1 7 5 厚砖墙，三排孔砌块保温性能相当于2 4 0 厚砖墙，隔热性能相当于2 0 0 厚砖墙。对于常见的单排孔和双排孔砌块，若不采取保温隔 热措施，其热工性能是不能满足要求的。 3 1 雨水渗漏问题 混凝土砌块抗渗性较差，容易发生渗漏，在外墙裂缝部位都会引起渗漏，而且卫生间、 4 第章绪论 厨房等地方也会发生渗漏现象。 4 ) 二次装修困难 由于砌块壁薄，开洞比较谨慎，对于二次装修带来很大的困难。 上述这些问题严重制约了混凝土空心砌块建筑的推广，随着我国经济条件的快速发 展，人们对生活环境的要求不断提高，对居住环境也有了更高的要求，这样对建筑物墙体 裂缝的控制也更为严格，建筑物的裂缝已成为住户评定建筑物安全的一个非常直观、敏感 和首要标准。因此，对混凝土空心砌块在施工和使用过程中出现的温度裂缝进行调查和研 究是大势所趋。 1 3 研究背景、研究意义和研究思路 1 3 1 研究背景和研究意义 近年来，世界会议通过“2 1 世纪议程”宣言，确认了“可持续发展”的战略方针，传统的 黏土墙体材料必须向节能、节地、利废、环保、绿色、高强、轻质、保温、隔声、高效省 工等可持续方向发展。由于我国的砖石砌体材料普遍存在着自重大、强度低、生产能耗高、 毁田严重、施工机械化水平较低等原因。因此采用非黏土墙体材料代替黏土砖是大势所趋， 也是我国墙体材料改革的措施之一。目前非粘土墙材中使用最广泛的墙体材料是混凝土空 心砌块。但是国内许多混凝土空心砌块试点建筑在使用过程中都出现了不同程度的裂缝， 使得开发商和住户对混凝土空心砌块等非黏土墙体建筑有了一些顾虑，极大地阻碍了非黏 土墙体材料的广泛使用。解决混凝土空心砌块建筑墙体裂缝问题是一个刻不容缓的问题， 而温度裂缝是混凝土空心砌块建筑裂缝的主要形式，因此，要解决混凝土空心砌块建筑的 裂缝问题要把主要目标放在温度裂缝的控制技术上。 本文就是揭示混凝土空心砌块建筑温度裂缝产生机理，并根据资料的调查研究提出温 度裂缝的主要形式，易形成部位及产生原因，同时对试点建筑模型从定性的分析转为定量 分析，使得抗裂措施更为有效和合理。其成果将进一步完善空心砌块建筑的设计理论和技 术要求，对混凝土空心砌块推广应用和墙体改革起了十分重要的作用。 1 3 2 研究思路 本文采用有限元数值分析方法，运用热力学、弹性力学、气象学等基本理论，重点研 究混凝土空心砌块建筑的温度裂缝机理和控制技术，为南京的混凝土空心砌块建筑的温度 裂缝控制提供参考。本文采用的技术路线如图1 6 所示。 论文首先结合文献调查和实地调研，找出混凝土空心砌块建筑温度裂缝的主要形式、 产生部位以及出现时间等，总结国内外已有的防范温度裂缝的措施。其次，结合气象资料 河海大学硕士学位论文 得出温度场，给出混凝土砌块建筑的温度场分布情况。然后，建立合适的建筑模型，进行 有限元温度效应分析，根据计算结果总结出应力和变形规律，得出最有效的抗裂措施。 图1 6 研究思路 1 4 国内外研究现状 为了解决混凝土空心砌块建筑的温度裂缝问题，国内外的许多科研机构、高等院校及 设计施工单位都作了大量的研究，这些研究涉及到材料学、热学、力学等多种学科。研究 内容主要包括两个方面：混凝土砌块建筑抗侧力性能研究，温度场和温度效应的研究。 对于温度场和温度效应的研究，大部分的研究资料集中于研究混凝土桥梁和大体积混 凝土方面，对于混凝土空心砌块建筑，这方面的研究比较少，更偏重于对保温隔热性能的 研究，由此也得到了砌块墙体的温度场分布( 1 1 - 1 3 1 。 对于温度场的研究，国内外的学者都作了大量的研究。m s r i i l i v 嬲a t e d d y & s k r i s h n a m o o r t h y ( 1 9 8 9 ) “4 通过一年的实测数据研究了砖混结构顶层房屋在非空调状态下 不同内表面的温度分布和热流变化。g t s i l i n g i r i d s ，v s o t i r o p o u l o s ( 1 9 8 9 ) “5 通过对多幢实 验楼三年多的实测数据的分析，给出了表面温度和室内温度的年温差和日温差变化规律。 p a u lm i l l m a n ( 1 9 8 0 ) “鄱研究了外表面为第三类边界，内表面为第一类边界的墙体温度场， 并提出了等效温度的概念用于墙体温度应变的计算。m a l c o l mj s h i r s t ( 1 9 8 4 ) “”结合现场 实测数据采用了简化的理论方法一一等效温度，考虑了由太阳辐射引起的温度变化对屋面 板的内力影响。d u e nh o ( 1 9 9 5 ) “鄱通过对一个混凝土模型建筑房屋3 个夏季的现场实测研 6 n儿v一嘴一 回囤 第一章绪论 究了墙体和屋面顶板的温度分布规律，并提出了影响表面温度的各种主要因素。国内学者 近年来也对温度场的研究作了大量的工作，1 9 8 1 年大连理工大学和镇江设计院对镇江某四 层砖混住宅进行了实测1 9 ) 01 9 9 0 年西北工业大学和连云港港务局对连云港一栋六层砖混 住宅楼进行了为期一年多的温度实测，获得了大量的数据，具体分析了温度裂缝产生原因 t 2 0 。2 2 1 0 以上研究主要是对黏土墙材建筑温度场的研究，同样非黏土墙材的温度场也进行了 大量的研究。如：1 9 8 2 年合肥工业大学肖亚明等晓3 埘对一幢四层小砌块学生宿舍进行了 为期一年多的现场温度、应力和位移测试。1 9 9 9 年浙江大学结构工程研究所对杭州市三塘 小区的一幢6 层小砌块的住宅建筑进行了现场温度实测幢5 筇，给出了砌块墙体在夏季和冬 季的温度场分布。2 0 0 1 年浙江大学结构工程研究所在杭州市潮呜小区- 4 , 砌块试点工程从 施工阶段到使用阶段进行了全程的跟踪监测，建立了比较完整的温度场，为以后的温度应 力计算提供了可靠的依据“0 1 。 对于温度效应的研究，浙江省建筑设计院益德清垃7 就工程中的一些边界条件给出了结 构温度应力计算内力计算表达式。中南设计院樊小卿幢勤就温度作用计算中温度参数的取 值及内力计算提出一些建议。肖小松和吕西林就砌体结构的温度效应计算提出了一些 看法。肖亚明根据混合结构房屋构件之间的相互约束以及协同工作的关系，提出了温度收 缩应力和变形的近似计算方法1 3 0 1 。 温度效应主要指的是温度应力，目前主要有弹性力学方法、近似计算方法及有限单元 法。1 9 6 0 年以色列科学家s r o s e n h a u p t 、a k o f m a n 、i r o s e n t h a l 提出了一篇定量分析温度 应力及试验的研究报告由于楼板与不同热膨胀引起的温度应力，共分两大部分：理论 计算方法的研究和通过实验室及现场实测验证计算理论。该文对混合结构的理论应用的研 究颇有参考价值，只是在计算模型中忽略了地基对墙体的约束并假定顶板和墙体具有相同 的热膨胀系数。 国内最常用的近似计算方法是王铁梦o ”的采用弹性地基梁的假定，将墙体当成地基， 把顶板当成基础上的弹性板，同时根据变形协调原理得到温度作用下砌体结构墙体内的最 大剪应力的近似计算公式，但是只是假定顶板温差比墙体温差高的情况下得到的墙体丌裂 的公式。 随着计算机技术的发展和有限元法的广泛使用，有限元法成为结构分析的有效手段。 1 9 7 9 年w s a m a r a s i n g h e & a w h e n d r y 首次采用了弹性有限元法分析混凝土空心砌块 砌体双剪试件，并且根据砌体、砂浆实际应力分布推出砌体抗剪强度公式，同时h a m i d 也 采用弹性有限元法分析得到砌体沿水平灰缝受剪面上的抗剪强度t 3 2 , 3 3 ) o9 0 年代初，广西 7 河海大学硕士学位论文 建筑科学研究设计院马文等1 对带插筋芯柱的开孔砌块墙体作为非均质弹性体在弹性工 作范围内用有限单位元法进行了分析，得到了在平面双向荷载作用下芯柱、圈梁和低梁的 协同工作情况以及各部分对墙体受力形态的影响。9 0 年代中期，合肥工业大学肖亚明等b 邹 采用美国g t o s t r u d l 有限元程序对合肥工业大学四层小砌块宿舍楼简化模型在两个特定 时间的温度作用下进行分析，通过有限元分析出整体结构各个节点的三个方向的位移，以 及各个单元的应力与应变情况，并将有限元计算结果与实测值和近似计算法所得的结果进 行比较。东南大学潘建伍等。们采用三维有限元方法，应用s u p e rs a p 有限元程序，混凝土 现浇板和墙体都采用板单元，假定结构在弹性范围内工作，且混凝土不开裂，对某实际工 程建立模型，但是未考虑门窗洞口，只是采用对砖墙弹性模量折减的方法来考虑门窗洞的 影响，在边界条件模拟上简化了墙与地基的固接，地基无温度变形，不考虑混凝土楼板和 砖墙之自j 的相对滑移，并假设两者相连且变形协调。浙江大学潘金龙等b 7 以试点建筑为 模型，采用s a p 程序进行分析，考虑将墙体和屋面板作为平面4 节点板单元，将圈梁、构 造柱、芯柱考虑为梁单元，模型网格划分时采用平面4 节点矩形单元，针对三种不同的构 造措施进行应力和位移的对比分析，总结了应力和变形的基本规律。目前国内对温度效应 的研究大部分是在弹性情况下进行的，国外已对砌体在塑性情况下的有限元分析，a d r i a n w p a g e ( 1 7 8 ) 旧引考虑了砌体结构材料的非线性，对单片墙体在平面受压状态及给定破坏准 则下通过有限元模拟出裂缝出现的位置，并与试验作了对比；近年来，国内许多学者对砌 块的非线性进行有限元计算分析较少：四川大学建筑学院熊峰等。们利用非线性有限元法 对预应力砌体墙结构进行了模拟分析。目前，有限元法已经比较完善，对结构的建模，分 析，计算应力，位移等带来了极大的方便。对于有限元的计算主要是单片墙体的研究，对 足尺寸建筑模型的研究很少，同时对砌块的研究主要偏向于对砌体进行分析，没有把构造 措施运用到建筑模型中进行有限元进行计算。本文在现有的基础上根据试点建筑建立足尺 寸模型，对足尺寸模型在不同的构造措施下进行弹性有限元分析，通过对不同构造措施下 的应力、应变情况进行分析总结，得出控制砌块建筑裂缝最有效的措施。 1 5 本文的主要工作 在已有研究工作的基础上，本文主要进行了以下几个方面工作： 1 ) 通过文献资料和实地考察，总结出温度裂缝的主要形式，产生部位和形成原因。 2 ) 通过理论分析和计算，得到温度场的分布规律。 3 ) 对气象资料进行分析，计算出试点建筑的温度场分布。 4 ) 对不同构造措施进行有限元分析研究，得出最优措施。 8 第二帝砌块建筑温度裂缝的主要形式、形成部位及产生原冈 第二章砌块建筑温度裂缝的主要形式、形成部位及产生原因 当前，混凝土空心砌块已被国家墙体材料革新和建筑节能“九五”计划和2 0 1 0 年发展 规划列为重点发展主导墙体材料之一 4 0 19 具有节能、节土、利废、减少环境污染、保持生 态平衡等多方面的优点，但混凝土空心砌块建筑的裂缝严重阻碍了混凝土空心砌块的使用 和推广。为了推进混凝土空心砌块的发展，就必须通过对裂缝的形成机理和裂缝的特征进 行研究，总结出墙体开裂的原因、主要形式和容易形成的部位，从而有效的控制裂缝的开 展。 调查研究表明混凝土空心砌块建筑裂缝主要有两大类：一类是由外荷载应力引起的裂 缝，称为“荷载裂缝”：另一类是由温度、收缩和膨胀、不均匀沉降等因素引起的裂缝， 称为“变形裂缝”。根据国内外的资料，由变形引起的变形裂缝约占8 0 以上，由荷载引 起的荷载裂缝约占2 0 左右1 4 1 1 0 温度裂缝的研究是一个长期的问题，早在1 9 6 2 年中国土木工程学会曾在上海召开一次 结构裂缝会议。虽然中国还没有混凝土空心砌块，但是有大量的砖砌体建筑，当时发现砖 砌体建筑顶层出现规律性的八字缝，最后被证明是温度裂缝，这是我们第一次对砌体建筑 温度裂缝的认识m 。 2 1 工程实例 根据资料显示，杭州市六塘小区的四幢混凝土空心砌块住宅试验楼经过两年的时自j ， 5 群、6 拌楼几乎每间纵、横墙都出现裂缝，仅是南外纵墙端部窗角裂缝较少。裂缝最长的约 为1 0 个踏步，每步按砌块尺寸2 0 厘米左右，开裂在水平和垂直灰缝旱，宽度约o 5 , - 0 8 毫米，贯穿整个墙体厚度，是典型的南内纵墙两端阶梯形斜裂缝、八字形裂缝。同样北外 纵墙和横墙也有水平裂缝和斜裂缝。7 样楼主要裂缝集中在南北内纵墙两端部，成阶梯形斜 裂缝，约有1 0 个踏步，自顶层到次项层，还有南、北外纵墙窗下角存在细而短的斜裂缝。 8 拌楼南内纵墙顶层两端部有斜裂缝，每片横墙南部有斜裂缝，据观测，裂缝冬天较少，夏 天较多；在夏天可以明显的看到：白天裂缝开展大，夜里变细或闭合，这样周期性的反复 变化。最后经过分析发现裂缝主要是温度变化引起的裂缝。可以看出在这四幢建筑中温 度裂缝主要包括水平裂缝、斜裂缝两种形式。 代表绍兴混凝土空心砌块建筑最高水平的乐宛新村、快阁宛小区在建设过程中采用了 较好的抗裂措施，竣工两年后，基本上没有出现温度裂缝，只在快阁宛小区阳容房1 2 幢 出现一些细微裂缝，主要还是端开间的外纵墙窗角八字缝、横墙端部水平裂缝和斜裂缝。 9 河海丈学硕上学位论文 可以看出这些裂缝仍然是温度裂缝。 从上述事例中可以看出温度裂缝是砌块建筑裂缝的主要形式。 2 2 温度裂缝出现的部位和表现形式 通过具体的实例和大量文献的查阅，可以看出：温度裂缝通常发生在砌块墙体和水平 狄缝的交接处，主要有八字裂缝、水平裂缝、竖向裂缝等三种形式( 图2 1 ，2 2 ) 。八字裂 缝又称斜裂缝，多发生在房屋顶层屋面的两端，而且多发生在门窗洞口上下，呈八字形。 主要表现为一端宽，一端细，或中间宽，两端细这两种形式。水平裂缝多发生在混凝土构 件和砌体的结合处，主要表现为梁板与砌体的接触处产生一条横向贯通的水平裂缝，同样 水平裂缝也可发生在屋面底板和顶层圈梁与砌体接触处，多数呈断续状，中间宽两端细， 缝宽比较大。竖向裂缝多存在现浇的钢筋混凝土梁端处墙面上，当现浇梁长度较长时，易 出现这种裂缝。在这三种裂缝形式中最常见的是八字形裂缝，其次是水平裂缝，最后是竖 向裂缝1 。温度裂缝一般在竣工后一年后出现，通常在夏季或冬季出现。经过一年四季的 温度变化，裂缝逐渐增多扩大，随着气温的变化而变化，在温度最高或最低时，裂缝宽度、 长度最大，裂缝数量最多，但是不会无限制的恶化，一般经过几个温度交替循环后，裂缝 趋于稳定，不在发展，裂缝的宽度会随着温度的变化而变化。温度裂缝不仅在位置、形态、 分布具有一定的规律，同样还表现在阴阳面上，一般表现为阳面的裂缝比阴面多，端部山 墙比内横墙多，纵墙端部比中间多，纵墙裂缝比横墙多。 图2 1 外墙八字形裂缝图2 2内墙斜裂缝 有些设有女儿墙的建筑上，同样也有温度裂缝，主要表现为：女儿墙外侧沿女儿墙墙 根和屋盖顶板处出现水平环行封闭裂缝：女儿墙压顶出现不规则裂缝等。 2 3 温度裂缝形成原因 产生墙体出现温度裂缝的原因是多方面的，归纳起来主要有四个方面：( 1 ) 设计方面的 原因；( 2 ) 砌块质量的原因；( 3 ) 施工质量的原因； ( 4 ) 内在因素。 1 0 第二章砌块锉筑温度裂缝的主要形式、形成部位及产生原阂 对于前三种原因，可以人为的控制，本文不作过多简述。内在因素主要是温度的变化 引起内力的变化，从而使得墙体产生裂缝。内在因素引起温度裂缝主要包括两个方面： 1 ) 屋面与墙体处于两个不同的部位，受太阳辐射的程度不同。结构的顶端墙体之所以产 生温度裂缝，是由于房屋的混凝土屋面受太阳长时间的照射，温度急剧升高，温度比墙体 的温度要高很多，这样屋面板的变形比墙体要大，但是屋面板与墙体彼此约束，使得屋面 板膨胀受到限制，而墙体要阻止屋面板的膨胀，这样墙体受剪，屋面板受压，当两者之间 的温差过大时，墙体受到的剪力大于墙体的抗剪能力，就会出现裂缝，这种裂缝一般为水 平裂缝。墙体受剪必然会出现主拉应力，当主拉应力大于砌块墙体的极限抗拉强度时就会 产生八字形裂缝。 2 ) 因时间变化引起的温度变化。由于墙体本身受到年温度变化和昼夜温度变化的作用， 产生较大的伸缩变形，受到上下墙体或地基的约束而引起开裂，这不仅与墙体的长度有关， 还与墙体的朝向有关。 河海大学硕上学位论文 第三章混凝土空心砌块建筑温度场的基本理论 3 1 传热基本理论 传热学是一门研究热传递规律的科学。热力学第二定律指出，作为能量之一的热，总 是自发的从高温处向低温处传递。由于物体中存在温差比较普遍，因此热传递过程是一种 普遍的自然现象。传热现象包括三种基本形式，即热传递、热交换、热辐射。在实际工程 应用中，热传递现象往往是由几种基本形式复合作用的结果。但是热辐射与热对流、热交 换之间有本质的区别。热辐射不需要物体间的直接接触，也不需要介质来传播。其次，热 辐射在能量传递过程中伴随着能量形式的转换，即发射时从热量转换为辐射能，而被吸收 时又从辐射能转换为热能。 3 1 1 热传导 当相互接触的物体之间或物体内部存在温度差时，热量就会在温差交界处自发的从高 温处向低温处转移，直到达到共同温度，这种现象称为热传导现象。导热的微观机理与微 观粒子的运动密切相关，一般被认为是依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动导致 的热扩散现象，它没有明显的物质转移或物体运动。物质处于固态、液态、气态中，导热 过程都能发生。导热现象与物体的温度分布密切相关，物体的温度根据时间、空间的变化 而变化。单位时白j 内通过某一给定面积的热量称为热流量，记为m ，单位为w 。单位时间 内通过单位面积的热量称为热流密度，记为q ，单位为w m 2 ，通常设厚度为d ，两侧表面 积均为a 的大平壁( 详见图3 1 ) ，两侧表面分别维持均匀的 温度t w l 和t w 2 ，且t w l t w 2 ，则通过大平壁的热量m 可以用下 式来表示 m = x a a t d( 3 - 1 ) 式中：九为导热系数，单位为w ( m k ) ： a t = t w l - - t w 2 ，单位为k 。 可以看出热量跟平壁两侧的温度差、导热系数、平壁的表面 积成正比，跟平壁的厚度成反比。单位面积的热流量为 q = * a = a a t d ( 3 - 2 ) 3 1 2 热交换 图3 1 通过平壁的导热 温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递现象叫热对流。对流仅发生 在流体中，而热对流一般伴随着导热现象。在工程中主要是流体流过固体壁面时所发生的 1 2 第二三章混凝土窄心砌块建筑温度场的摹奉理论 对流和导热共存的热量传递过程，称为对流换热。对流换热根据流动的不同原因，可以区 分为自然对流换热和强制对流换热两大类。自然对流是流体自身在重力的作用下引起的相 对运动，强制对流是由于外在的力量引起流体产生相对运动。对流换热过程的热交换一般 用牛顿冷却公式来计算 o = h a a t( 3 - 3 ) 式中：a t = i t w - - t d t w 表示物体表面温度，单位为o c ； t r 表示流体温度，单位为o c ； a 表示物体参与换热的表面积，单位为m 2 ； h 为表面换热系数，单位为w ( m 2 o c ) ，它表征了对流换热的能力，不同情况的表 面换热系数h 相差很大。 表面换热的强弱不仅跟流体流动状态有关，还跟受热面的几何形状，大小及受热面的 位置有关。 3 1 3 热辐射 物体通过电磁波传递能量的现象称为辐射。物体因热的原因而发出辐射能的现象称为 热辐射。任何物体只要其温度在o k 以上就能不断的向外界发出热辐射能。物体的辐射能 力与物体的温度、辐射表面积有直接的关系，但是同一温度下物体的辐射与吸收能力也因 物体而异，一般认为绝对黑体的辐射能力和吸收能力最大。黑体在单位时白j 内发出的热辐 射量与物体温度的四次方成j 下比，即 o=aal4(3-4) 式中：a 为辐射表面积，单位为m 2 ； t 为物体表面的热力学温度，单位为k ； o 为黑体辐射常量，其值为5 6 7 x 1 0 w ( m 2 o k 4 ) 由于一切实际物体的辐射能力都要低于同温度下黑体的辐射能力，所以计算辐射热流 量一般采用斯忒藩一玻耳兹曼定律的经验修正公式佴”： o = e a 0 1 r 4( 3 5 ) 式中：称为该物体的发射率，值总小于1 ，表示物体辐射能力接近黑体辐射能力的程度。 物体在温度大于o k 时，物体不断地向周围空间发出热辐射能，并被周围物体吸收，同 时，物体也不断地吸收周围物体辐射给它的热辐射能，这样的过程形成的热量传递通常称 为辐射换热，对于两无限接近的平面黑体平壁( 图4 1 2 ) ，它们之间的辐射换热量为 河海大学硕士学位论文 m = a a ( t 1 4 一t 2 4 ) ( 3 - 6 ) 实际工程中，物体对流换热常常伴随着辐射换热，这两种换 热过程同时存在时称为复合换热。 当热辐射的能量投射到物体表面上时，和可见光一样，会发 生吸收、反射、穿透现象。在外界投射到物体表面上的总能量 q 中，一部分q 。被物体吸收，另一部分q 。被物体反射，其余 部分q f 穿透物体，可以看出 或 图4 2 两无限接近的平 行黑体平壁间的辐射换热 ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) 定义各能量百分数告、告和告分别为该物体的吸收比卧反射比p 和穿透比b 即 a + o + f = 1 ( 3 9 ) 大量的实验表明