横孔砌块力学性能和热工性能分析

司伟龙

新疆建筑设计研究院（830002）

横孔砌块力学性能和热工性能分析

司伟龙

新疆建筑设计研究院（830002）

横孔连锁混凝土空心砌块这一新型墙体材料，有效地解决了竖孔易开裂、保温隔热性能差、防渗性能差、不方便布置横向管道等几个方面的问题,且其施工简单,砌筑质量也容易保证。这里借助有限元软件ANSYS10.0对砌块的的力学性能和热工性能进行了分析，为横孔砌块的推广引用提供了理论支持。

横孔连锁混凝土空心砌块；ANSYS；力学性能；热工性能

目前，我国全国各地都基本上禁止了黏土实心砖的使用，新型墙体材料的研究是必要的，目前我国正在大力推行墙体材料的改革,改革的目标是要用新型墙体材料取代传统的黏土实心砖,以达到保护耕地、节约能源、保护环境、科学可持续发展的目的。[1-2]混凝土空心砌块是新型墙体材料改革、发展的重要方向。

目前世界上常用的混凝土空心砌块为竖孔形式,如单排孔、双排孔和多排孔混凝土空心砌块等。竖孔空心砌块砌体的研究一直是国内外学者关注的热点课题,研究较多亦较深入。传统的竖孔空心砌块具有节能、节地、环保、轻质等优点,但在使用过程中也发现了一系列的缺点,主要体现在易开裂、保温隔热性能差、防渗性能差、芯柱施工困难和不方便布置横向管道等几个方面。[3]笔者研究发明了一种新型的横孔空心混凝土砌块，在一定程度上解决了以上问题。

1 横孔砌块的优点

横孔连锁混凝土空心砌块(如图1所示)将传统空心砌块的竖孔(如图2所示)改变为横孔,不仅具有一般竖孔空心砌块节能、节地、环保、轻质等优点,还克服了竖孔空心砌块存在的裂、热、渗等问题。

1）横孔砌块砌筑时按照错缝搭接，避免通缝,“横平竖直”的砌筑要求，将下皮砖的凸肋插入上皮砖的下凹槽即可,由于凸肋和下凹槽具有良好的咬合作用,即使不用砂浆砌筑也可满足框架结构填充墙的强度、稳定性等各方面要求,因此当使用该砌块砌筑框架结构的填充墙时可干砌。

2）采用该砌块砌筑,工序简单、施工快捷,且对工人的技术要求较低，可以很大程度地降低施工成本，提高施工速度。

3）该砌块的上部凹槽内可以布置水平钢筋混凝土带,提高了墙体的抗震和抗裂性能。

4）该砌块横孔内可以插入保温块,减少墙体热传导,且空洞交错布置，隔断了热桥，提高了墙体保温隔热的性能。

5）该砌块墙体中上皮砌块的下部凹槽与下皮砌块的上部凸肋咬合,使上下皮砌块连锁砌筑,形成整体防水构造,防渗性能优良。

该砌块墙体施工简单、性能好、速度快、造价低,符合墙体材料改革方向和国家节能减排、可持续发展战略。

图1 砌块横截面

图2 竖孔砌块

2 砌块力学性能分析

与一般竖孔砌块相比，横孔连锁混凝土空心砌块砌体受压时的力学性能完全不同。对于横孔砌块而言，其最大承载力取决于竖肋，但其实际承载力在于竖肋能不能充分发挥其作用，利用ANSYS有限元软件，对横孔砌块砌体作受压分析，观察其在压力作用下的力学性能。

2.1 参数设置

试验采用SOLID65对砌块进行分析,SOLID65单元是专为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元。它可以模拟混凝土中的加强钢筋(或玻璃纤维、型钢等),以及材料的拉裂和压溃现象。在分析中必须考虑混凝土材料性能的影响,混凝土本构关系对混凝土结构的非线性分析有重大的影响。依据文献[4]混凝土采用Sargin本构关系,使用Mises屈服条件、等向强化的多线性材料模型输入,[5]如图3所示。混凝土的破坏准则输入参数为:[6]张开裂缝剪力传递系数为0.35,闭合裂缝剪力传递系数设为1(即没有剪力损失)，单轴抗压强度设为-1(即不考虑混凝土的压碎)。计算分析采用混凝土C30,其参数见表1。

表1 C30混凝土数据表

图4 Mises应力

通过规范方法和ANSYS对其热工性能进行分析，混凝土砌块的边界条件比较复杂，用解析的方法计算其温度场比较困难，现取一砌块为计算单元进行数值分析计算,计算时假设如下:

1）砌块在砌体中处于稳定温度场内,故采取稳态热传导问题进行分析。

2）由于砌体的长度远大于砌体的厚度,故将问题简化为二维平面问题进行分析。

3）每层砌块的边界条件相同,假设砌块与相邻砌块间无热交换。

图3 sargin本构关系

2.2 计算结果分析

从图形可知，在仅竖向荷载作用下，砌块各竖肋在远离横肋连接的部位有向外鼓出的变形，在横肋的作用线，各竖肋应力分布均匀，可充分发挥混凝土材料的受力性能，在横竖肋交接出现应力集中，可做成倒角。

3 热工分析

图5 位移变形图

4）砌块与保温材料接触良好,接触面具有相同的温度。

表2 计算参数

图5 温度分布图

图6 流量分布图

表3 计算结果

4 结语

1）与竖孔砌块比较,横孔连锁砌块的防渗性能、抗裂性能好，易砌筑，砌筑质量好。

2）对砌块进行有限元分析，其在竖向力作用下砌块各部分受力均匀，材料性能发挥充分，可满足规范要求。

3）通过规范方法和有限元分析可知，砌块通过交叉空洞布置和填充保温材料，隔断了热桥，其传热性能有所提高，与有限元计算的传热系数相较,规范方法计算值较大。

[1]苑振芳.混凝土空心砌块建筑发展现状及展望[J].墙材革新与建筑节能,1999,16(5):131～134.

[2]严理宽.试论我国混凝土空心砌块的发展战略[J].建筑砌块与砌块建筑,2003,(2):3～6.

[3]孙惠镐,王墨耕,李俊民.小砌块的建筑设计与施工[M].北京:中国工业出版社,2000.

[4]何春林,龚成中.不同本构关系的小型混凝土砌块的模拟试验[J].混凝土,2007,(10):42～45.

[5]叶裕明,刘春山,沈火明,等.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

[6]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2011.