司偉龍
新疆建筑設(shè)計(jì)研究院(830002)
橫孔砌塊力學(xué)性能和熱工性能分析
司偉龍
新疆建筑設(shè)計(jì)研究院(830002)
橫孔連鎖混凝土空心砌塊這一新型墻體材料,有效地解決了豎孔易開裂、保溫隔熱性能差、防滲性能差、不方便布置橫向管道等幾個(gè)方面的問題,且其施工簡(jiǎn)單,砌筑質(zhì)量也容易保證。這里借助有限元軟件ANSYS10.0對(duì)砌塊的的力學(xué)性能和熱工性能進(jìn)行了分析,為橫孔砌塊的推廣引用提供了理論支持。
橫孔連鎖混凝土空心砌塊;ANSYS;力學(xué)性能;熱工性能
目前,我國全國各地都基本上禁止了黏土實(shí)心磚的使用,新型墻體材料的研究是必要的,目前我國正在大力推行墻體材料的改革,改革的目標(biāo)是要用新型墻體材料取代傳統(tǒng)的黏土實(shí)心磚,以達(dá)到保護(hù)耕地、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、科學(xué)可持續(xù)發(fā)展的目的。[1-2]混凝土空心砌塊是新型墻體材料改革、發(fā)展的重要方向。
目前世界上常用的混凝土空心砌塊為豎孔形式,如單排孔、雙排孔和多排孔混凝土空心砌塊等。豎孔空心砌塊砌體的研究一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)課題,研究較多亦較深入。傳統(tǒng)的豎孔空心砌塊具有節(jié)能、節(jié)地、環(huán)保、輕質(zhì)等優(yōu)點(diǎn),但在使用過程中也發(fā)現(xiàn)了一系列的缺點(diǎn),主要體現(xiàn)在易開裂、保溫隔熱性能差、防滲性能差、芯柱施工困難和不方便布置橫向管道等幾個(gè)方面。[3]筆者研究發(fā)明了一種新型的橫孔空心混凝土砌塊,在一定程度上解決了以上問題。
橫孔連鎖混凝土空心砌塊(如圖1所示)將傳統(tǒng)空心砌塊的豎孔(如圖2所示)改變?yōu)闄M孔,不僅具有一般豎孔空心砌塊節(jié)能、節(jié)地、環(huán)保、輕質(zhì)等優(yōu)點(diǎn),還克服了豎孔空心砌塊存在的裂、熱、滲等問題。
1)橫孔砌塊砌筑時(shí)按照錯(cuò)縫搭接,避免通縫,“橫平豎直”的砌筑要求,將下皮磚的凸肋插入上皮磚的下凹槽即可,由于凸肋和下凹槽具有良好的咬合作用,即使不用砂漿砌筑也可滿足框架結(jié)構(gòu)填充墻的強(qiáng)度、穩(wěn)定性等各方面要求,因此當(dāng)使用該砌塊砌筑框架結(jié)構(gòu)的填充墻時(shí)可干砌。
2)采用該砌塊砌筑,工序簡(jiǎn)單、施工快捷,且對(duì)工人的技術(shù)要求較低,可以很大程度地降低施工成本,提高施工速度。
3)該砌塊的上部凹槽內(nèi)可以布置水平鋼筋混凝土帶,提高了墻體的抗震和抗裂性能。
4)該砌塊橫孔內(nèi)可以插入保溫塊,減少墻體熱傳導(dǎo),且空洞交錯(cuò)布置,隔斷了熱橋,提高了墻體保溫隔熱的性能。
5)該砌塊墻體中上皮砌塊的下部凹槽與下皮砌塊的上部凸肋咬合,使上下皮砌塊連鎖砌筑,形成整體防水構(gòu)造,防滲性能優(yōu)良。
該砌塊墻體施工簡(jiǎn)單、性能好、速度快、造價(jià)低,符合墻體材料改革方向和國家節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。
圖1 砌塊橫截面
圖2 豎孔砌塊
與一般豎孔砌塊相比,橫孔連鎖混凝土空心砌塊砌體受壓時(shí)的力學(xué)性能完全不同。對(duì)于橫孔砌塊而言,其最大承載力取決于豎肋,但其實(shí)際承載力在于豎肋能不能充分發(fā)揮其作用,利用ANSYS有限元軟件,對(duì)橫孔砌塊砌體作受壓分析,觀察其在壓力作用下的力學(xué)性能。
2.1 參數(shù)設(shè)置
試驗(yàn)采用SOLID65對(duì)砌塊進(jìn)行分析,SOLID65單元是專為混凝土、巖石等抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力的非均勻材料開發(fā)的單元。它可以模擬混凝土中的加強(qiáng)鋼筋(或玻璃纖維、型鋼等),以及材料的拉裂和壓潰現(xiàn)象。在分析中必須考慮混凝土材料性能的影響,混凝土本構(gòu)關(guān)系對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的非線性分析有重大的影響。依據(jù)文獻(xiàn)[4]混凝土采用Sargin本構(gòu)關(guān)系,使用Mises屈服條件、等向強(qiáng)化的多線性材料模型輸入,[5]如圖3所示?;炷恋钠茐臏?zhǔn)則輸入?yún)?shù)為:[6]張開裂縫剪力傳遞系數(shù)為0.35,閉合裂縫剪力傳遞系數(shù)設(shè)為1(即沒有剪力損失),單軸抗壓強(qiáng)度設(shè)為-1(即不考慮混凝土的壓碎)。計(jì)算分析采用混凝土C30,其參數(shù)見表1。
表1 C30混凝土數(shù)據(jù)表
圖4 Mises應(yīng)力
通過規(guī)范方法和ANSYS對(duì)其熱工性能進(jìn)行分析,混凝土砌塊的邊界條件比較復(fù)雜,用解析的方法計(jì)算其溫度場(chǎng)比較困難,現(xiàn)取一砌塊為計(jì)算單元進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算,計(jì)算時(shí)假設(shè)如下:
1)砌塊在砌體中處于穩(wěn)定溫度場(chǎng)內(nèi),故采取穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問題進(jìn)行分析。
2)由于砌體的長度遠(yuǎn)大于砌體的厚度,故將問題簡(jiǎn)化為二維平面問題進(jìn)行分析。
3)每層砌塊的邊界條件相同,假設(shè)砌塊與相鄰砌塊間無熱交換。
圖3 sargin本構(gòu)關(guān)系
2.2 計(jì)算結(jié)果分析
從圖形可知,在僅豎向荷載作用下,砌塊各豎肋在遠(yuǎn)離橫肋連接的部位有向外鼓出的變形,在橫肋的作用線,各豎肋應(yīng)力分布均勻,可充分發(fā)揮混凝土材料的受力性能,在橫豎肋交接出現(xiàn)應(yīng)力集中,可做成倒角。
圖5 位移變形圖
4)砌塊與保溫材料接觸良好,接觸面具有相同的溫度。
表2 計(jì)算參數(shù)
圖5 溫度分布圖
圖6 流量分布圖
表3 計(jì)算結(jié)果
1)與豎孔砌塊比較,橫孔連鎖砌塊的防滲性能、抗裂性能好,易砌筑,砌筑質(zhì)量好。
2)對(duì)砌塊進(jìn)行有限元分析,其在豎向力作用下砌塊各部分受力均勻,材料性能發(fā)揮充分,可滿足規(guī)范要求。
3)通過規(guī)范方法和有限元分析可知,砌塊通過交叉空洞布置和填充保溫材料,隔斷了熱橋,其傳熱性能有所提高,與有限元計(jì)算的傳熱系數(shù)相較,規(guī)范方法計(jì)算值較大。
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