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基于数值模拟的砌体结构温度裂缝生成机制与防控策略研究

一、引言

1.1研究背景与意义

砌体结构作为一种古老而广泛应用的建筑结构形式，凭借其就地取材、施工简便、造价低廉、保温隔热性能良好以及耐火性强等显著优势，在各类建筑中占据着重要地位，特别是在住宅、办公楼、学校等民用建筑以及部分工业建筑中应用尤为广泛。在我国，砌体结构在建筑领域的应用历史悠久，且目前在建筑总量中仍占有相当大的比例，尤其在一些中小城镇和农村地区，砌体结构房屋更是大量存在。

然而，砌体结构也存在着抗拉与抗剪强度较低的固有缺陷，这使得它在建设和使用过程中容易受到多种因素的影响而出现裂缝。在导致砌体结构开裂的众多因素中，温度应力是一个相当普遍且不容忽视的因素，由此产生的温度裂缝问题长期以来一直困扰着建筑工程技术人员。温度裂缝不仅会影响建筑物的外观，降低其美观度，还会对建筑物的正常使用功能造成影响，例如导致墙体风化腐蚀、渗漏，进而使得抹灰层脱落，降低建筑物的耐久性。更为严重的是，温度裂缝的存在可能会降低结构的整体刚度和抗震性能，在遭遇地震等自然灾害时，极大地增加了建筑物的安全风险，甚至可能导致建筑物的倒塌，对人们的生命财产安全构成严重威胁。

根据相关资料统计，在砌体结构的裂缝问题中，约80%以上是由温度应力引起的。在混凝土平屋盖房屋中，顶层两端的墙体上常常出现如门窗洞边的正八字斜裂缝、平屋顶下或屋顶圈梁下沿砖（块）灰缝的水平裂缝以及水平包角裂缝（包括女儿墙）等典型的温度裂缝形态。这些裂缝的出现，严重影响了建筑物的品质和使用者的居住体验。在住宅商品化的今天，随着人们对居住环境质量要求的不断提高，砌体结构温度裂缝问题日益受到开发商、居民以及建筑行业相关人士的高度关注。

因此，对砌体结构温度裂缝进行深入研究具有极其重要的现实意义和价值。通过对砌体结构温度裂缝的研究，能够揭示其裂缝形成的规律和机理，探究其发展趋势，从而为采取有效的预防和控制措施提供科学依据，提高建筑物结构的稳定性和安全性，延长建筑物的使用寿命，保障人们的生命财产安全，促进建筑行业的可持续发展。

1.2国内外研究现状

砌体结构温度裂缝问题一直是国内外学者和工程技术人员关注的焦点，在过去几十年间，相关研究取得了丰硕成果，但仍存在一些不足。

国外在砌体结构温度裂缝研究方面起步较早，在理论分析、数值模拟和试验研究等方面均有深入探索。在理论分析领域，一些学者通过建立数学模型来研究温度应力的分布和传递规律，如通过热传导方程和力学平衡方程来求解砌体结构在温度变化下的应力和变形。在数值模拟方面，有限元分析方法得到了广泛应用，众多学者利用ANSYS、ABAQUS等大型有限元软件对砌体结构温度裂缝开展模拟研究，通过建立精细的有限元模型，能够较为准确地模拟温度场分布以及温度应力的产生和发展过程，分析不同因素对温度裂缝的影响。在试验研究上，国外进行了大量砌体结构温度裂缝的试验，通过对不同类型砌体结构在不同温度条件下的试验，获取了丰富的试验数据，为理论分析和数值模拟提供了有力支撑。然而，国外的研究成果在某些方面并不完全适用于我国的实际情况，例如，不同国家的气候条件、建筑材料特性、建筑构造和施工工艺等存在差异，使得国外的研究成果在我国的应用受到一定限制。

国内对砌体结构温度裂缝的研究也取得了显著进展。许多学者从不同角度对温度裂缝的成因、发展规律和控制措施进行了研究。在成因分析方面，国内学者深入研究了温度变化、材料特性、结构约束等因素对砌体结构温度裂缝的影响，指出混凝土屋盖与砌体墙体的线膨胀系数差异以及温度梯度是导致温度裂缝产生的主要原因之一。在数值模拟方面，国内学者结合我国实际工程情况，利用有限元软件对各种砌体结构进行温度裂缝模拟分析，取得了一些有价值的成果，为工程设计和施工提供了参考。在试验研究方面，国内也开展了一系列试验，研究不同工况下砌体结构的温度应力和裂缝开展情况。此外，国内学者还对砌体结构温度裂缝的控制措施进行了大量研究，提出了多种有效的控制方法，如设置伸缩缝、加强保温隔热措施、改进结构构造等。然而，目前国内的研究仍存在一些不足之处。部分研究对复杂砌体结构的温度裂缝模拟不够准确，在模型建立和参数选取上还存在一定的主观性；在温度裂缝控制措施方面，虽然提出了多种方法，但在实际工程应用中，由于各种因素的限制，这些措施的实施效果并不理想，缺乏对实际工程中各种复杂因素的综合考虑。

总的来说，国内外在砌体结构温度裂缝研究方面取得了一定成果，但在温度应力计算的准确性、数值模拟的精度和可靠性、试验研究的全面性以及控制措施的有效性等方面仍有待进一步提高。在未来的研究中，需要加强多学科交叉融合，综合考虑各种因素，开展更加深入、系统的研究，以更好地解决砌体结构温度裂缝问题。

1.3研究内容与方法

1.3.1研究内容

本研究聚焦于砌体