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砌體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度裂縫的主要原因是屋面長時間受陽光輻射，其溫度較墻體要高，且鋼筋混凝土屋面的線膨脹系數(shù)為10×10-6，墻體如磚砌體的線膨脹系數(shù)為5×10-6，因此屋面溫度膨脹變形遠大于墻體。屋面變形受到場體的約束，屋面板對墻體頂端會產(chǎn)生一定的水平推力，使墻體與屋蓋的接觸面受剪，剪力與屋蓋挑檐或女兒墻的垂直壓力構(gòu)成了墻體雙向應(yīng)力，當(dāng)主拉應(yīng)力大于墻體的抗拉強度時，墻體便開裂。沿墻體分布的剪力大致為兩端大，中部為零，所以常在端部開間的窗上口，內(nèi)橫墻與外縱墻交接處及某些內(nèi)縱墻出現(xiàn)“八”字形斜裂縫。由于屋面板膨脹，山墻給檐口圈梁以較大的推力，再加上檐口梁內(nèi)外溫差產(chǎn)生外拱或內(nèi)凹變形使圈梁底面與墻體產(chǎn)生水平裂縫。屋面板的溫度變形，也使外縱墻上應(yīng)力集中處的門窗洞口上角產(chǎn)生水平裂縫。
由于規(guī)范沒有明確規(guī)定溫度應(yīng)力的計算方法，許多設(shè)計僅作了有限元分析。文獻給出了墻體端部最大剪應(yīng)力近似計算公式。
凝土的彈性模量，αT=α2T2-α1T1，其中α1為墻體的線膨脹系數(shù)，T1為墻體的溫差，α2為頂板線膨脹系數(shù)，T2為頂板的溫差，L為長度。這種簡化算法方便易行，但難以反應(yīng)溫度應(yīng)力在砌體內(nèi)的實際分布。對于溫度應(yīng)力較為精確的計算方法有有限差分法，有限元法等，其中最為有效的是有限元法。有限元法通過將整體結(jié)構(gòu)劃分有限個單元進行分析，從而大大減少了在局部分析時由于簡化假設(shè)引起的誤差，隨著有限元分析軟件的迅速發(fā)展，利用有限元法計算結(jié)構(gòu)整體溫度應(yīng)力能夠較為簡便的得到實現(xiàn)。
某工程為5層3單元磚砌體住宅樓，橫向尺寸為12 m，縱向尺寸為45 m，層高2.9 m，總高14.5 m。該工程竣工入住兩年后，頂層外縱墻端部出現(xiàn)斜裂縫，窗口處裂縫寬度較大向兩邊逐漸減少，最大裂縫寬度達到3.5 mm，該裂縫通過窗口的兩對角并沿墻體裂通。頂層部分房間的內(nèi)縱墻上部也有正八字形的斜裂縫。四層墻體端部稍有開裂，裂縫寬度在1 mm以內(nèi)，三層以下墻體未見開裂。經(jīng)檢測，砌體強度符合規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)也沒有相對沉降的跡象，結(jié)合以上觀測的裂縫特點，認為該裂縫為溫度裂縫。
為了較精確的了解該工程的溫度應(yīng)力情況，本研究利用大型有限元通用軟件ANSYS對該工程進行了有限元分析。有限元計算模型見圖。模型的墻體、屋面板和樓板采用殼單元SHELL63，每個有限元單元有4個節(jié)點，有6個自由度，圈梁、構(gòu)造柱采用梁單元BEAM188，每個有限元單元有2個節(jié)點，有6個自由度。板與梁、柱之間通過線面耦合，共用節(jié)點。整個模型共8655個單元，其中SHELL63單元5274個、BEAM188單元3381個。本模型考慮了門窗洞口的削弱作用，忽略陽臺的影響，模型底部簡化為固結(jié)。溫差根據(jù)實測數(shù)據(jù)并結(jié)合參考文獻按組合溫差計算，組合溫差=日溫差+0.85×年溫差。溫差荷載作為體荷載施加于有限元模型上。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設(shè)計│有限元分析│強度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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