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用混凝土空心砖代替黏土砖作为墙体材料,不仅提高了房屋的有效使用面积,更重要的是节约了能源,保护了环境。
墙体材料改革工作的不断推进,黏土类墙体材料越来越多地被非黏土类墙体材料所替代。
近年来,用得最多的非黏土墙体材料是混凝土空心砖,该产品是以水泥为胶结材料,以沙子、碎石为主要集料,加水搅拌、成型、养护制成的一种多排孔的混凝土砖。
它的质量的好坏,直接关系到建筑工程的百年基业,由于存在原材料、设备及生产管理影响等问题,混凝土空心砖质量存在诸多问题,再加上不规范施工上墙,导致产生诸多问题。
尽管混凝土空心砖具有很多的优越性,但是它的不足之处也十分明显,如墙体容易开裂、施工工艺较难控制、二次装修受到限制等等。
正是由于混凝土空心砌块的上述不足,所以应采取一些有效、必要的措施加以防范。
因此,混凝土空心砖会越来越被广泛使用,为此,深入研究和探讨这种新型材料在施工和使用时出现的一些问题是十分必要的。
空心砖样板如图(图1-1)。
1.2国内外砌体裂缝控制研究问题的研究情况
自1897年美国建成第一栋小砌块建筑以来,砌块结构已经历了百年的发展,成为一个获得广泛应用、独具特色的完整的结构体系?
配筋混凝土砌块(配筋砌体)结构体系。
配筋砌体结构体系源自美国,1933年加里福尼亚长滩大地震以后,美国总结了无筋砌体的震害严重,推出配筋砌体结构体系,建造了大量的多层和高层配筋砌体建筑,经过强烈地震的考验,证明配筋砌块建筑的抗震性能良好。
1990年在内华达州拉斯维加斯(7度地震区)建成了4栋28层的配筋砌块建筑,是目前世界上最高的小砌块建筑。
我国混凝土砌块结构的应用也有了30多年的历史。
80年代后期,混凝土小砌块的推广应用出现了新局面,完成四大转变:
一是由农村进入城市;
二承重小砌块建筑的质量大幅提高;
三是承重小砌块建筑向高层发展;
四是小砌块逐步成为一种多功能的新型建筑材料。
近十多年以来,小砌块产量和小砌块建筑的年递增都在20%以上,发展势头迅猛。
1997年辽宁盘锦建成15层配筋砌体建筑,1998年上海市建成18层配筋砌体建筑,1999年辽宁抚顺建成12层配筋砌体建筑。
北京、上海、大庆等地在小砌块建筑的应用技术方面积累了大量的实践经验,已经具备了大面积推广应用的技术条件。
引起砌体结构墙体裂缝的因素很多,既有地基、温度、干缩,也有设计上的疏忽、施工质量、材料不合格及缺乏经验等。
根据工程实践和统计资料这类裂缝几乎占全部可遇裂缝的80%以上。
而最为常见的裂缝有两大类,一是温度裂缝,二是干燥收缩裂缝,简称干缩裂缝,以及由温度和干缩共同产生的裂缝。
长期以来人们一直在寻求控制砌体结构裂缝的实用方法,并根据裂缝的性质及影响因素有针对性的提出一些预防和控制裂缝的措施。
从防止裂缝的概念上,形象地引出“防”、“放”、“抗”相结合的构想,这些构想、措施有的已运用到工程实践中,一些措施也引入到《砌体规范》中,也收到了一定的效果,但总的来说,我国砌体结构裂缝仍较严重。
我认为这是最为重要的原因。
《砌体规范》GBJ3-88的抗裂措施主要有两条,一是第5.3.1条:
对钢砼屋盖的温度变化和砌体的干缩变形引起的墙体开裂,可采取设置保温层或隔热层;
采用有檩屋盖或瓦材屋盖;
控制硅酸盐砖和砌块出厂到砌筑的时间和防止雨淋。
未考虑我国幅原辽阔、不同地区的气候、温度、湿度的巨大差异和相同措施的适应性。
二是第5.3.2条:
防止房屋在正常使用条件下,由温差和墙体干缩引起的墙体竖向裂缝,应在墙体中设置伸缩缝。
从规范的温度伸缩缝的最大间距可见,它主要取决于屋盖或楼盖的类别和有无保温层,而与砌体的种类、材料和收缩性能等无直接关系。
可见我国的伸缩缝的作用主要是防止因建筑过长在结构中出现竖向裂缝,它一般不能防止由于钢砼屋盖的温度变形和砌体的干缩变形引起的墙体裂缝。
由此可见,《砌体规范》的抗裂措施,如温度区段限值,主要是针对干缩小、块体小的粘土砖砌体结构的,而对干缩大、块体尺寸比粘土砖大得多的砼砌块和硅酸盐砌体房屋,基本是不适用的。
因为如果按照砼砌块、硅酸盐块体砌体的干缩率0.2~0.4mm/m,无筋砌体的温度区段不能越过10m;
对配筋砌体也不能大于30m。
在这方面,国外已有比较成熟的预防和控制墙体开裂的经验,值得借鉴:
一是在较长的墙上设置控制缝(变形缝),这种控制缝和我国的双墙伸缩缝不同,而是在单墙上设置的缝。
该缝的构造既能允许建筑物墙体的伸缩变形,又能隔声和防风雨,当需要承受平面外水平力时,可通过设置附加钢筋达到。
这种控制缝的间距要比我国规范的伸缩缝区段小得多。
如英国规范对粘土砖为10-15m,对砼砌块及硅酸盐砖一般不应大于6m;
美国砼协会(ACI)规定,无筋砌体的最大控制缝间距为12-18m,配筋砌体控制缝间距不超过30m。
二是在砌体中根据材料的干缩性能,配置一定数量的抗裂钢筋,其配筋率各国不尽相同,从0.03%~0.2%,或将砌体设计成配筋砌体,如美国配筋砌体的最小含钢率为0.07%,该配筋率又抗裂,又能保证砌体具有一定的延性。
我国《砌体规范》中抗裂措施存在局限《砌体结构设计规范》(4)GBJ3-88的抗裂措施主要有两条。
一是第5.3.1条:
对钢砼屋盖的温度变化和砌体的干缩变形引起的墙体开裂,可采取设置保温层或隔热层;
采用有檩屋盖或瓦材屋盖;
控制硅酸盐砖和砌块出厂到砌筑的时间和防止雨淋。
而这一条未考虑我国幅原辽阔、不同地区的气候、温度、湿度的巨大差异和相同措施的适应性。
二是第5.3.2条:
防止房屋在正常使用条件下,由温差和墙体干缩引起的墙体竖向裂缝,应在墙体中设置伸缩缝。
在这一条中所规定设置的伸缩缝的作用主要是防止因建筑时间过长在结构中出现竖向裂缝,而它一般不能防止由于钢砼屋盖的温度变形和砌体的干缩变形引起的墙体裂缝。
因此,为了使混凝土空心砖得到更大的推广应用,必须加大墙体改革解决这些问题。
1.3本文的主要工作
针对砌体裂缝控制研究问题,主要采用有限元分析的方法,本文主要做以下几个内容的工作:
1.进一步探讨砌体裂缝控制研究的相关问题,总结和归纳砌体裂缝变化。
2.总结砌体裂缝控制问题的弹性基本理论
3.基于有限元的基本原理,运用ANSYS12.0软件对砌体裂缝控制进行模拟。
4.结合相关规范,提出解决裂缝控制问题的合理措施。
第二章墙体框架填充混凝土空心砖裂缝问题的弹性基本理论
2.1有限单元法的基本理论和发展
2.1.1弹性力学的基本理论
1.平面问题的基本理论
(1)平衡微分方程:
(2-1)
(2)几何方程在平面问题中的简化形式:
(2-2)
(3)平面应力问题中的物理方程:
(2-3)
(4)平面问题的位移边界条件:
(2-4)
(5)平面问题的相容方程:
(2-5)
2.空间问题的基本理论
(1)空间问题的平衡微分方程:
(2-6)
(2)弹性体的应力边界条件:
(2-7)
(3)空间问题物理方程的基本形式:
(4)空间问题的几何方程
(2-8)
(2-9)
2.1.2有限元方法的发展
有限单元法最初是在二十世纪五十年代作为处理固体力学问题的方法出现
的,在1945~1955这十年间发展起来的结构分析矩阵(位移)法可以说是它的
雏形。
“有限单元法”这一名称是克拉夫(Clough)在1960年首先引用的,第一
个成功的尝试是对于飞机结构的分析。
1956年Turner、Clough把刚架位(直接刚度法)应用到弹性力学平面应力问题中去,他们把结构划分成一个个三角形和矩形的“单元”。
与矩阵法相
同,每一单元的特性用单元刚度矩阵来表示;
所不同的是,矩阵法分析中每一结
构构件的力与位移之间的关系是精确推导出来的,而有限单元法的解则是利用每
一单元中近似的位移函数。
因此,有限单元法是一种近似的数值方法。
初期的有限(单)元法是建立在虚功原理的基础上。
1963~1964年
Besseling、Melosh和Jones等人证明了有限元法是基于变分原理的里兹(Ritz)
法的另一种形式,确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法,扩大了
有限元法的应用范围。
从20世纪60年代后期开始,进一步利用加权余量法,主要是伽辽金
(Galerkin)法,来确定单元特性和建立有限元求解方程,使之应用于已知问题的
微分方程和边界条件、但变分的泛函尚未找到或者根本不存在的情况,进一步扩
大了有限元法的应用领域。
1967年首次出版有限元专著《结构与连续力学的有限元法》(5),由Zienkiewicz
与Y.K.Cheung(张佑启)合作。
当时关于有限元法的研究论文几乎按指数规律增
加,公开发表近8000篇,内部报告就更多。
该书成为名著后,更名为《有限元
法》,国内出版过第三版的中译本,1990年出版过第四版。
Zienkiewicz认为,难以确定有限元法的起源及发明它的准确时间[13]。
把
复杂结构的计算问题转化为简单单元的分析和集合问题,许多经典的数学近似方
法以及工程中所用的各直接近似方法都属于这一范畴。
有限单元这术语的出现,
意味着直接应用可用于离散系统的标准研究方法。
四十年来,有限单元法蓬勃发展,不仅已经成为结构分析中必不可少的工具,
而且成为现象分析的一种手段。
其应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、
板壳问题,由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。
分析的对象
从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等,从固体力学扩展到流体
力学、渗流与固结理论、热传导与热应力问题、磁场问题以及建筑声学与噪音问
题。
不仅涉及稳态场问题,还涵盖材料非线性、几何非线性、时间维问题和断裂
力学等。
已出现多种新单元(先后有等参元、高次元、不协调元、拟协调元、杂交元、样条元、边界元、罚单元,还有半解析的有限条等不同单元)和求解方法(如
带宽与变带宽消去法、超矩阵法、波前法、子结构法、子空间迭代法等)。
能解
决各种复杂耦合问题的软件和软件系统不断涌现。
对网格自动剖分和网格自适应
过程的研究,大大加强了有限元法的解题能力,使有限单元法逐渐趋于成熟.有限元法作为一种离散化的数值解法,也已成为应用数学的一个新的分支。
有限元法的基本思想是将结构离散化,用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象,单元之间通过有限个节点相互连接,然后根据变形协调条件综合求解。
由于单元的数目是有限的,节点的数目也是有限的,所以称为有限元法(FEM,FiniteElementMethod)。
有限元法是最重要的工程分析技术之一。
它广泛应用于弹塑性力学、断裂力学、流体力学、热传导等领域。
有限元法是60年代以来发展起来的新的数值计算方法,是计算机时代的产物。
虽然有限元的概念早在40年代就有人提出,但由于当时计算机尚未出现,它并未受到人们的重视。
随着计算机技术的发展,有限元法在各个工程领域中不断得到深入应用,现已遍及宇航工业、核工业、机电、化工、建筑、海洋等工业,是机械产品动、静、热特性分析的重要手段。
早在70年代初期就有人给出结论:
有限元法在产品结构设计中的应用,使机电产品设计产生革命性的变化,理论设计代替了经验类比设计。
目前,有限元法仍在不断发展,理论上不断完善,各种有限元分析程序包的功能越来越强大,使用越来越方便。
20世纪50年代,飞机设计师们发现无法用传统的力学方法分析飞机的应力、应变等问题。
波音公司的一个技术小组,首先将连续体的机翼离散为三角形板块的集合来进行应力分析,经过一番波折后获得前述的两个离散的成功。
20世纪50年代,大型电子计算机投入了解算大型代数方程组的工作,这为实现有限元技术准备好了物质条件。
1960年前后,美国的R.W.Clough教授及我国的冯康教授分别独立地在论文中提出了“有限单元”,这样的名词。
此后,这样的叫法被大家接受,有限元技术从此正式诞生,并很快风靡世界。
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