基于空调效应的砖混结构墙体在新型材料下的开裂研究

一、引言

1.1 研究背景

砖混结构因材料来源广泛、施工简便、成本较低等优势，在多层住宅、学校、医院等建筑中仍被广泛应用。但其抗拉与抗剪强度低、结构自重大等固有缺点，导致在温度变化等因素作用下易产生裂缝。近年来，随着空调普及率和使用频率的显著提高，室内外形成长期稳定的温差（夏季可达 40℃以上），这种“空调效应”引发的新型温度裂缝逐渐成为工程难题。

蒸压加气混凝土砌块和秸秆-粉煤灰保温砖作为新型砌体材料，已在建筑市场推广应用。蒸压加气混凝土砌块具有较低的导热系数、轻质高强、施工简易快速等优点；秸秆-粉煤灰保温砖可以将墙体与保温层合二为一，能利用当地农业废弃物，较其它自保温砌体材料更加经济环保。然而，其在空调效应产生的持续温差荷载下的抗裂性能尚未明确，亟需开展针对性研究。

1.2 国内外研究现状

国外学者较早关注温度应力对砌体结构的影响，上世纪三十年代前苏联学者提出砌体受压本构关系表达式；70 年代Hegemier 通过弹性有限元法得出砌体抗剪强度公式，Hamid 通过类似方法获得水平灰缝受剪面的抗剪强度[1]。国内研究中，王铁梦提出“抗”与“放”的裂缝控制原则，其裂缝控制计算公式已获工程界广泛认同[2]；金伟良、叶甲淳等结合实际监测数据，运用有限元软件进行建模分析，为温度场模拟提供了参考[3]。但针对新型材料的研究仍属空白。

1.3 研究意义

鉴于此，本项目研究的主题为基于 墙体在新型材料下的开裂研究，具体来说，是以湖南湘潭地区夏季气温为例，选择 析 ，获得仿真计算结果与实验结果相符的数值分析模型， 研究对象的不同新型材料的砖混结构墙体在空调效应下 ，改变墙体刚度，分析新型材料在不同室内刚度下的温度应力 界条件时，墙体的温度应力分布和裂缝开展情况，为改善在实际工程施 墙体裂缝提供理论依据。

二、研究方法

2.1 模型建立

本研究选用SAP2000 软件进行有限元分析根据湘潭市某住宅楼顶层建筑平面图，进行1：1 整层模型建立，考虑最不利因素，本次的研究对象为西面室内隔墙（图中紫色墙体），其三维视图模型如下图2-1 所示：

图2.1 有限元模型图

2.1 材料参数与性能

参考现有研究及规范，两种材料的关键参数及性能见表2.1：

表2.1 材料参数表

2.2 温度梯度参数设置

结合湖南省湘潭地区某商住楼夏季（7-8 月）采集数据，并参考叶甲淳 的实测数据，本次研究的室内温度统一为20℃，不同位置处的墙体的温度梯度参数设置见表2.2：

表2.2 温度梯度参数表

2.3 工况设定

虽然通常室内隔墙厚度采用的为120-180mm，但是考虑到空调效应的影响，240mm 墙体可通过增加保温材料层厚度，提升热阻值，减少热量传递，使室内温度更稳定，降低空调系统的运行负荷，符合节能和环境控制要求。故为为分析新型材料在不同室内刚度下的温度应力变化规律，本次研究共设立了空调效应在四种不同情况下的工况，具体见表2.3：

表2.3 空调效应工况表

三、结果与分析

3.1 温度应力分布规律及最大拉应力分析经过有限元计算，其不同工况下的应力云图如下图：

根据工况 1-4 的温度应力云图可知，与外墙相邻的室内隔墙其最大拉应力值均出现在角点处，但由于材料性能的不同，其最大拉应力值各有不同，具体见表3.1：

表3.1 不同工况下的最大拉应力值

有限元模拟显示，两种材料的最大拉应力均出现在内墙与外墙交接的角点处，但是考虑其纵横墙交接处存在构造柱与圈梁，且构造柱与墙体有设置φ6@250 的拉结钢筋，因此，纵横墙交接处虽然应力值较大，但是角点处出现裂缝的可能性相对较小。秸秆-粉煤灰保温砖的最大拉应力为 0.47MPa，低于蒸压加气混凝土砌块的1. 05MPa ，更接近其抗剪强度限值。这与秸秆-粉煤灰保温砖较低的线膨胀系数和较高的弹性模量有关，使其在温度变化时产生的变形较小，应力积累较少。

结合笔者关于空调效应在普通砖混结构的有限元研究可知，当室内隔墙在使用了蒸压加气混凝土砌块及秸秆-粉煤灰保温砖两种新型材料以后，不论是隔墙厚度在 120mm 厚或者 240mm 厚，其最大应力都有较大幅度的下降，具体下降幅度，详见表3.2：

表3.2 室内隔墙最大拉应力值幅度变化表

四、结论与建议

4.1 研究结论

（1）新型材料优势显著：在空调效应导致的温差环境中，相较于传统烧结普通砖，蒸压加气混凝土砌块和秸秆-粉煤灰保温砖展现出明显优势。以120mm 厚墙体为例，蒸压加气混凝土砌块的最大拉应力从烧结普通砖的1.66MPa 降至 1.05MPa，下降了 0.61MPa；秸秆-粉煤灰保温砖更是低至 0.47MPa，降幅达 1.19MPa。当墙体厚度增至 240mm 时，蒸压加气混凝土砌块最大拉应力从1.09MPa 降至 0.42MPa，降低了0.67MPa；秸秆-粉煤灰保温砖则降至 0.22MPa，降幅为 0.87MPa。这主要是因为新型材料具备独特的物理力学性能。秸秆-粉煤灰保温砖的线膨胀系数较低，在温度变化时，其变形量相对较小，从而有效减少了因变形不协调而产生的应力集中现象。同时，其内部微观结构使其在力学性能上与温度应力的作用模式更为适配，能够更好地抵抗拉应力，降低开裂风险。蒸压加气混凝土砌块虽然在抗裂性能上稍逊一筹，但相较于传统烧结普通砖，也因其轻质、多孔等特性，对温度应力有一定的缓冲和分散作用，从而降低了最大拉应力。

（2）墙体刚度影响关键：对于三种材料，增大墙体厚度均可降低最大拉应力。烧结普通砖厚度从 120mm 增至 240mm，最大拉应力从 1.66MPa 降至 1.09MPa；蒸压加气混凝土砌块从 1.05MPa 降至 0.42MPa；秸秆-粉煤灰保温砖从0.47MPa 降至0.22MPa。说明增加墙体厚度能提升墙体抗裂性能，且新型材料在厚度变化时，应力降幅更明显，秸秆-粉煤灰保温砖240mm 厚相较于120mm 厚，应力下降幅度达53.19%，结构刚度优化对其抗裂增益效果突出。

（3）综合抗裂性能明晰：空调效应产生的持续温差是砖混结构墙体开裂的关键因素。新型材料中，秸秆-粉煤灰保温砖凭借更低的线膨胀系数、 优的力学性能匹配度，抗裂性能优于蒸压加气混凝土砌块，在温差环境下的建筑隔墙应用中更具优势。而蒸压 气混凝土砌块在面对同样的温度应力时，由于其线膨胀系数相对较大，在变形协调方面不如秸秆- 煤灰保温砖，因此抗裂性能相对较弱。

4.3 展望

建议优先选用秸秆-粉煤灰保温砖作为空调房间内隔墙材料，尤其是夏季温差大、对墙体抗裂要求高的区域，可最大程度减少温度裂缝风险；蒸压加气混凝土砌块也可作为替代烧结普通砖的次优选择，用于对抗裂要求相对适中的场景。

本次研究还有许多未考虑之处，后续可深化研究新型材料长期徐变、不同温湿度循环下的性能衰减规律，以及复合墙体在空调效应下的抗裂机制，为建筑墙体可持续设计与应用，提供更全面理论支撑。

参考文献

[1] Priestley M J N. Design of Concrete Bridges for Temperature Gradient[J]. ACI Journal， 1978.

[2] 金伟良， 叶甲淳. 混凝土小型空心砌块建筑温度效应分析[J]. 工业建筑， 2002（4）：24-26.

[3] 王铁梦. 工程结构裂缝控制[M]. 北京：中国建筑工业出版社， 1997.