多层砌体结构顶层裂缝的竖向荷载差作用机理研究及数值分析

摘要

砌体结构历史悠久，是一种量大面广的结构型式，具有取材方便、施工简捷，建造造价相对较低的特点，世界各国对砌体结构的理论及实践进行了广泛而深入的研究，国内的研究也随国民经济的发展而不断深入。其中，砌体结构在使用过程中的裂缝控制研究是文献资料中见得最多最广的。地基不均匀沉降、温度变化、干缩变形及砌体承载力等原因已成为公认的裂缝产生和发展的主要影响因素。国外的研究除针对上述成因外，还对砌体结构竖向徐变也开展了深入持久的研究，相关成果已列入北美发达国家的设计规范中，然而国内在砌体竖向变形方面的研究还极其有限，尤其针对在正常施工及使用荷载条件下砌体顶层墙体出现裂缝的研究，尚无研究成果。1995 年5 月湖南省建设厅及长沙市建委下达了“多层砌体房屋顶层裂缝机理研究”这一课题，课题组成员及作者在国内首次从试验及理论两方面对竖向荷载差引起的多层砌体结构房屋顶层裂缝进行了系统深入的研究，并取得了一定的研究成果，具体如下： 1、本文通过对不同龄期砌体结构受压力学性能试验研究，在试验数据的基础上，量化确证了受压状态下龄期与砌体强度及抗裂性能关系，为控制裂缝提供了施工进度的指导性时间参数。 2、通过对砌体应力应变本构关系、破坏准则及国外对砌体荷载徐变关系的综合分析，首次提出了砌体房屋顶层最大剪应力公式，并首次采用试验手段对公式参数进行确定。 3、为验证提出的公式的正确性，根据实验室条件设计并构建了三个新的足尺实体模型，通过变换砌块类型、砂浆强度等参数，探讨了砌体顶层在竖向荷载差作用下的开裂规律。试验结果表明，所设计构建的试验模型真实反映了房屋实际工作状况，实体模型在试验过程中所表现的裂缝规律与理论分析的规律相吻合。同时也证明所设计构建的理论模型及所提出的理论公式具有创新性和适用性。 4、为进一步分析及论证砌体顶层在竖向荷载差作用下产生裂缝的规律，作者根据砌体结构应力应变关系的特点，选取并采用了ANSYS 有限元程序对试验墙体进行了弹塑性数值模拟分析，其结果与试验中裂缝产生、发展的规律相吻合。基于理论分析及试验研究，本文对砌体结构在裂缝控制的设计过程中提出了参考方法，并结合实例进行了分析，为补充与完善《砌体结构设计规范》中裂缝控制方法提供了重要的理论指导和试验依据。 5、为了对已出现的由竖向荷载差引起的裂缝进行修补与处理。作者结合无机、有机材料研究成果及工程实践应用，提出了相应的方法，同时也提出了在此研究的基础上后续研究工作开展的思路及预期成果。 总之，该研究不仅有助于提高砌体结构设计的可靠性、施工的安全性和高效性以及砌体结构的稳定性并延长其使用寿命，而且有助于增强我国在砌体结构竖向变形方面的基础研究，具有理论价值和现实社会意义。