混凝土小型空心砌块建筑温度场与温度裂缝分析
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摘要
混凝土小型空心砌块建筑在推广和应用过程中，顶层墙体上温度裂缝问题已成为迫切需要解决的问题，因此，开展混凝土小型空心砌块建筑的温度裂缝分析是十分必要的，并且具有理论和实际意义。本文在混凝土小型空心砌块建筑裂缝控制技术研究课题基础上进行了砌块建筑温度场和单片墙体、整体建筑顶层墙体温度裂缝的模拟分析工作。
首先介绍了试点建筑跟踪监测内容。总结了混凝土小型空心砌块建筑温度场分布规律，包括屋面和各方位墙体日变化和平均温度的年变化规律，介绍了试点建筑裂缝情况的观测结果。
本文结合试点建筑温度场监测结果，理论分析了影响建筑物温度场的各种因素，包括：大气温度、太阳辐射、空气对流以及天空辐射、地表环境辐射、建筑物自身辐射等因素，总结了实用计算公式，采用有限元数值方法，借助有限元软件ANSYS进行了屋面和各方位墙体在自然环境作用下的温度场模拟分析，与实测结果比较吻合。
其次，对在水平和垂直荷载作用下的足尺寸砌块墙体进行了裂缝模拟分析。将砌块砌体材料做匀质、各向同性处理，采用浙江大学结构工程研究所推荐的砌块砌体非线性本构关系，利用ANSYS中的混凝土单元Solid65模拟砌块砌体和钢筋混凝材料，共对八种类型墙体进行了非线性有限元模拟分析，分别得出了各种墙体的初裂、破坏荷载、裂缝开展情况、应力、位移等结果，初裂、破坏荷载和实测值相差不大，模拟的初始裂缝位置、形式以及裂缝开展情况与实验结果比较吻合。说明采用有限元方法分析砌块砌体结构、模拟裂缝情况是可行的。
最后建立了砌块建筑简化的整体有限元模型，并对其进行了日变化、年变化温度场下的裂缝模拟分析，真实、可靠地模拟出了砌块建筑顶层及次顶层的裂缝情况，包括南、北纵墙窗角斜裂缝和东、西山墙与内纵墙结合处裂缝以及端开间内纵、横墙斜裂缝等。分析表明，砌体建筑顶层墙体的裂缝主要是墙体、屋面板内外表面温度差异和屋面板、墙体之间的温度差异所致，因此如果墙体和屋面的保温隔热措施合适，砌体建筑的温度裂缝问题是可以解决的。
本文对混凝土小型空心砌块建筑温度场、温度裂缝非线性有限元模拟分析方面进行了探索和实践，希望能为砌块建筑温度裂缝问题的解决及砌块建筑的推广、应用有所帮助。
In the course of popularizing and application of the concrete small cavity block building (CSCBB), the issue of temperature cracks on top floor's walls has become urgent to solve. So analyzing, calculating or simulating the cracks is essential and has theory and actual meaning. On the basis of the task of CSCBB's controlling technique, this paper deals with simulation and analyzing on CSCBB's temperature field and temperature cracks.
Field test on experimental building was described at first. The distribution law of roof and walls's temperature field was summarized including their day changing and year changing. The cracks location and form on them were also introduced in detail.
Confirming building's temperature field is the premise to solve crack issue. In this paper, some factors influencing its temperature field have been synthetically analyzed including the ambient temperature, solar radiation, air convection and sky radiation, ground radiation and so on. The hourly temperature of the roof and walls of the tested building in summer and winter was calculated with the finite element software-ANSYS. The results from calculation had well consistent with the experimental results.
Block wall is supposed as a uniform material and having same properties in every direction, and its relation of stress-strain adopts the model of Zhejiang University Structure Lab. Aided by ANSYS, eight types of walls under level load have been nonlinear analyzed and achieved the cracking, extreme load, cracks location and form respectively. The simulation results show great agreement with experiment results. And it can be concluded that simulating cracks on CBCBB by finite element method (FEM) is feasible and reasonable.
Finally, simplified experimental model was built and analyzed by ANSYS under day changing and year changing temperature field. The typical cracks on top floor's walls were achieved, so the simulation method is reliable. And it can be concluded that cracks on top floor's walls are caused by the temperature difference between floor or wall's inner and outer surface and the temperature difference between floor and walls. If the floor and wall's thermal resistance is appropriate, the cracks issue on CSCBB can be solved.
In this paper, temperature field and temperature cracks on CSCBB was probed and practiced aided by nonlinear FEM. It hopes that the work can be helpful to CSCBB's popularizing and application.
首先介绍了试点建筑跟踪监测内容。总结了混凝土小型空心砌块建筑温度场分布规律，包括屋面和各方位墙体日变化和平均温度的年变化规律，介绍了试点建筑裂缝情况的观测结果。
本文结合试点建筑温度场监测结果，理论分析了影响建筑物温度场的各种因素，包括：大气温度、太阳辐射、空气对流以及天空辐射、地表环境辐射、建筑物自身辐射等因素，总结了实用计算公式，采用有限元数值方法，借助有限元软件ANSYS进行了屋面和各方位墙体在自然环境作用下的温度场模拟分析，与实测结果比较吻合。
其次，对在水平和垂直荷载作用下的足尺寸砌块墙体进行了裂缝模拟分析。将砌块砌体材料做匀质、各向同性处理，采用浙江大学结构工程研究所推荐的砌块砌体非线性本构关系，利用ANSYS中的混凝土单元Solid65模拟砌块砌体和钢筋混凝材料，共对八种类型墙体进行了非线性有限元模拟分析，分别得出了各种墙体的初裂、破坏荷载、裂缝开展情况、应力、位移等结果，初裂、破坏荷载和实测值相差不大，模拟的初始裂缝位置、形式以及裂缝开展情况与实验结果比较吻合。说明采用有限元方法分析砌块砌体结构、模拟裂缝情况是可行的。
最后建立了砌块建筑简化的整体有限元模型，并对其进行了日变化、年变化温度场下的裂缝模拟分析，真实、可靠地模拟出了砌块建筑顶层及次顶层的裂缝情况，包括南、北纵墙窗角斜裂缝和东、西山墙与内纵墙结合处裂缝以及端开间内纵、横墙斜裂缝等。分析表明，砌体建筑顶层墙体的裂缝主要是墙体、屋面板内外表面温度差异和屋面板、墙体之间的温度差异所致，因此如果墙体和屋面的保温隔热措施合适，砌体建筑的温度裂缝问题是可以解决的。
本文对混凝土小型空心砌块建筑温度场、温度裂缝非线性有限元模拟分析方面进行了探索和实践，希望能为砌块建筑温度裂缝问题的解决及砌块建筑的推广、应用有所帮助。
In the course of popularizing and application of the concrete small cavity block building (CSCBB), the issue of temperature cracks on top floor's walls has become urgent to solve. So analyzing, calculating or simulating the cracks is essential and has theory and actual meaning. On the basis of the task of CSCBB's controlling technique, this paper deals with simulation and analyzing on CSCBB's temperature field and temperature cracks.
Field test on experimental building was described at first. The distribution law of roof and walls's temperature field was summarized including their day changing and year changing. The cracks location and form on them were also introduced in detail.
Confirming building's temperature field is the premise to solve crack issue. In this paper, some factors influencing its temperature field have been synthetically analyzed including the ambient temperature, solar radiation, air convection and sky radiation, ground radiation and so on. The hourly temperature of the roof and walls of the tested building in summer and winter was calculated with the finite element software-ANSYS. The results from calculation had well consistent with the experimental results.
Block wall is supposed as a uniform material and having same properties in every direction, and its relation of stress-strain adopts the model of Zhejiang University Structure Lab. Aided by ANSYS, eight types of walls under level load have been nonlinear analyzed and achieved the cracking, extreme load, cracks location and form respectively. The simulation results show great agreement with experiment results. And it can be concluded that simulating cracks on CBCBB by finite element method (FEM) is feasible and reasonable.
Finally, simplified experimental model was built and analyzed by ANSYS under day changing and year changing temperature field. The typical cracks on top floor's walls were achieved, so the simulation method is reliable. And it can be concluded that cracks on top floor's walls are caused by the temperature difference between floor or wall's inner and outer surface and the temperature difference between floor and walls. If the floor and wall's thermal resistance is appropriate, the cracks issue on CSCBB can be solved.
In this paper, temperature field and temperature cracks on CSCBB was probed and practiced aided by nonlinear FEM. It hopes that the work can be helpful to CSCBB's popularizing and application.
引文
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[8] 陶有生：对我国建筑砌块发展的几点思考，建筑砌块与砌块建筑，2002，1。
[9] 王有为，庞宝根：发展我国砌块建筑的若干思虑，建筑机械化，2001，5。
[10] 严理宽：为实现建筑砌块行业“十五”发展规划建议而奋斗，建筑砌块与砌块建筑，2001，6。
[11] 金伟良等：混凝土小型空心砌块建筑裂缝控制技术与发展，混凝土小型空心砌块设计与施工技术研讨会，2003，11。
[12] 徐铨彪：基于抗裂性能的混凝土小型空心砌块建筑试验研究及结构设计方法，浙江大学博士学位论文，2002，1。
[13] 郝进锋，张永益等：砌块建筑裂缝的成因及防治措施．建筑砌块与砌块建筑，2001，6。
[14] 钱义良：砼小砌块建筑裂缝的主要形态成因分析和预防措施，建筑砌块与砌块建筑，2000，1，20-24。
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