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粉煤灰加气混凝土墙体温度及节能效应研究




在改革开放以后,我国从欧美、日本等国大量引进了先进的加气混凝土制品的生产器械以及先进的加气混凝土生产工艺。由于加气混凝土具有良好的保温隔热性能,在我国的严寒和寒冷地区首次使用加气混凝土做外墙围护结构,随着我国对建筑减少能耗的要求越来越高,加气混凝土墙体在南方以及沿海的建筑中开始大量使用,目前我国20多个省、市已经开始大批量的生产加气混凝土制品,这些加气混凝土制品主要以墙体材料为主。我国生产的加气混凝土墙体的保温隔热性能较好,其导热系数一般在0.13W/(m?k)到0.22W/(m?k)之间,远小于粘土砖与混凝土的导热系数[6]。加气混凝土墙体多用于框架结构、剪力墙结构、框剪结构等结构中的填充,由于加气混凝土墙体的自重较小,可减轻整个建筑的自重,增大建筑的自振周期,从而提高建筑的抗震性能。然而在加气混凝土墙体在温度作用下容易产生开裂,针对加气混凝土墙体的温度效应研究[7],目前来说,国内的研究的温度场以及温度效应的研究,主要集中混凝土大坝、混凝土桥梁等大体积混凝土方面。对于工业、民用建筑结构的温度效应研究也逐渐多起来[8]。加气混凝土墙体在温度作用下的影响,更多注重的是其保温隔热性能研究,往往不重视在温度效应对墙体的应力、位移的研究。通过加气混凝土墙体的稳态传热试验测试其应变的大小结合采用有限单元法及有限元软件分析单片墙的温度效应是有效可行的。

1.3研究的背景和意义

为了促进粉煤灰蒸压加气混凝土砌块建筑在安徽省的应用与推广,安徽省开始了一系列墙体材料的改革工作,在国家、省市相关的墙改政策的指导下和安徽省政府的直接领导下,推进应用新型墙体材料的研究与应用。在粉煤灰蒸压加气混凝土砌块应用于实际的建筑工程中过程出现了不同程度的填充墙体裂缝等问题,以至于开发商以及住户对粉煤灰蒸压加气混凝土砌块建筑有较大的疑问。如果粉煤灰蒸压加气混凝土砌块建筑中的墙体裂缝问题不能有效的解决[9],势必会影响加气混凝土墙体的推广,直接阻碍加气混凝土墙体的发展,近些年以来在安徽建筑市场上,无论是居住建筑上还是公共建筑上,加气混凝土墙体推广受到一定的影响,这些影响是客观的反映[10]。为了对加气混凝土墙体的裂缝问题能到有效的解决,促进加气混凝土的墙体的发展,本课题的研究应运而生,并把主要方向温度作用对加气混凝土墙体的影响温上。本研究课题的目的就是分析加气混凝土墙体在温度作用下,对墙体的传热性能的影响、以及墙体的温度应力的产生,并提出温度应力的相关的计算与分析方法,由定性到定量发展,并将研究成果运用于实际工程之中,使所加气混凝土墙体在实际的工程中做到经济合理而又有明显成效。因此通过本课题的研究,其成果将能有效揭示加气混凝土墙体在温度作用下的产生的应力机理以及温度应力导致墙体裂缝的原因,为加气混凝土砌块的设计、施工以及温度应力的控制提供有效的理论,进一步起到推广粉煤灰蒸压加气混凝土砌块应用以及对墙体改革起到一定的作用,同时也为我国砌体结构设计理论的完善提供相应的理论依据[11]。

1.4本文研究方法和内容

1.4.1研究方法

本课题的研究方法采用理论研究分析与试验分析相结合。在理论方面融合了传热学、热力学、弹性力学、材料力学、结构力学、有限单元法等基本理论重点分析加气混凝土墙体在温度作用下的产生应力机理。在试验上,采用合适的物理模型进行试验,得到试验的数据来验证理论分析的结果。为我国(特别是安徽省及南方地区)的加气混凝土墙体的温度应力及其产生裂缝提出一套简便、可行、有效的理论分析与技术研究。

1.4.2研究内容

针对加气混凝土墙体在温度作用下的影响,采用理论研究分析与试验研究相结合,本文主要做了以下几个主要方面的工作:

1、本文论述了约束概念,对结构构件之间以及材料内部有关约束的概念进行了阐述。对建筑结构中的温度场做了相应总结,并从理论上分析了对温度场影响的因素,相应的给出了计算方法,同时并介绍了经典的温度场计算方法。

2、通过加气混凝土墙体的稳态传热试验,得出在温度与湿度不同的条件下,加气混凝土墙体的不同位置应变值,由试验数据分析结果。并通过试验得出加气混凝土墙体的传热系数。

3、进一步研究探讨加气混凝土墙体温度应力形成的原因。采用相对应的物理模型,对加气混凝土的温度应力进行了理论计算,使用大型通用有限元软件ANSYS进行了数值模拟分析。

4、在夏热冬冷地区的节能标准下,对加气混凝土墙体的传热系数进行了计算,结合试验的数据,进行了分析。采用工程实例分析了加气混凝土的墙体的节能效应。


第二章温度作用及温度场基本理论

2.1约束的基本概念

加气混凝土墙体的变形裂缝是由受力变形、温度变形等众多变因素下在引起墙体的裂缝,墙体裂缝出现与相应的开展机理,可以通过墙体与其他构件之间关系及其材料自身内部有关的一些概念进行解释[12]。从而,约束、约束力、约束力产生的应力与应变的概念是墙体产生变形裂缝的核心理论。

相互连接的结构构件之间在变形的过程相互制约或者结构组成的内部不同的材料之间在变形过程中的相互制约,最后在界面上的变形达到协调被称为约束。当两种结构构件相互连接或者一种结构构件由不同材料组成,以及结构构件在不同的温度、湿度条件下,这是约束存在的必要条件之一,另外一个必要条件则在结构构件之间相互连接或者相互支持。约束存在的充分条件是,结构构件或者材料发生了相应的变形。结构构件受到相互的制约,即外部约束,结构构件由不同的材料组成,这些不同的材料相互制约,被称为内部约束。
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2.1.1外部约束

结构构件之间制约各自的变形被称为外部约束,有上部结构对下部结构的变形约束以及下部结构对上部结构的约束;支承结构对附属结构的变形的约束,如主梁受柱子的约束,次梁受主梁的约束,板受次梁的约束,墙体(填充墙)受到柱、梁对其变形的约束。结构外部约束按其约束程度大小分为:约束很小(即自由变形)、约束较大(弹性约束)以及约束很大(全约束)[13]。2.1.1.1外部约束很小结构构件在各种载荷作用下,支承结构对被支承结构的变形其不到制约作,接近于自由体,这种条件下最有利于温度、收缩等变形作用。作为这种约束情况的工程实例有:如高温水池,为使水池在高温作用下能自由变形,沿水池长度方向设置滚动钢轴,如图2-1所示。

图2-1设钢滚轴的高温混凝土水池

2.1.1.2外部约束较大

结构构件在各种载荷作用下,支承结构对被支承结构的变形起不到完全的制约作,有一部分能自由的变形,另外一部分受到约束,其约束力仍然较大,不可忽略不计。图2-2为未经特别处理的刚性防水屋面板块、预制构件台面板块以及地基上的长墙或长梁;图2-3、图2-4分别为弹性排架和框架结构。地基对长墙或长梁的约束为连续式的约束,此时约束力的大小不仅与构件的长度、正压力有关,而且还与其滑动摩擦系数有关;柱对横梁或纵梁的约束则为集中式的约束,约束力的大小主要与柱子的刚度及纵、横向排架长度有一定关系。

图2-4框架结构

2.1.1.3外部约束很大结构构件在各种载荷作用下,结构构件的收缩不能自由完成,结构构件变形得不到满足,可视为固嵌或完成约束状态。这种情况在实际工程的例子并不少见。为与柱子整体浇筑的连续地基梁等。

图2-5与柱子整体浇筑的连续地基梁
混凝土结构的混凝土收缩是体积收缩,混凝土结构的不同材料的组成部分,向各自中心进行收缩,由于两头的混凝土体积量很大,它的体积收缩量,致使中间混凝土收缩变形不仅不能得到满足,还要承受两头体量较大的混凝土向各自中心的收缩变形[14]。因此这种结构体系约束,中间部分可以视其两端为完全约束或完全固嵌的结构构件。这种情况下的约束力大小直接与温度、湿度有关。

2.1.2内部约束

结构构件在各种载荷作用下,由于结构构件由不同的材料组成,结构构件的变形不能得到协调变形,不同材料相互制约的各自的变形被称为自约束。如混凝土内部石子部分对水泥石的变形约束,墙体中砖对砌筑砂浆变形的约束,相应的在温度作用下同一个结构构件不同的温度场之间的约束以及不同湿度条件相互的约束分别如图2-6、图2-7所示。