王若愚， 陳旭東， 邵 葉， 陸 也， 王運思， 劉 陟

(1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230601，2.安徽晶宮綠建集團(tuán)有限公司,安徽 阜陽 236001)

0 引 言

預(yù)制混凝土夾芯保溫墻板由內(nèi)、外葉混凝土墻板、保溫層和連接件組成，由于可以做到承重、圍護(hù)、保溫一體化，具有優(yōu)秀的防火和抗腐蝕性能，并且可以顯著降低建筑耗能，是未來建筑圍護(hù)體系的發(fā)展方向[1-3]。連接件的作用是將內(nèi)、外葉混凝土墻板和中間保溫層連接在一起，是影響夾芯保溫墻體結(jié)構(gòu)性能和保溫性能的重要因素。目前常用的連接件主要有金屬連接件和非金屬連接件，金屬連接件連接牢固，抗剪性能好。但是金屬材料熱傳導(dǎo)率較高，容易形成“冷熱橋”，從而增大建筑耗能。非金屬熱傳導(dǎo)較低但抗剪性能差，造價普遍較高[4]。隨著復(fù)合材料研究的不斷深入，新型FRP連接件的研發(fā)取得良好的進(jìn)展，并且得到了逐步應(yīng)用[5]。FRP連接件具有耐腐蝕性能優(yōu)秀和強(qiáng)度較高的特點，使其成為連接件的理想材料。我國的預(yù)制復(fù)合墻體的研究剛處于起步階段，尤其是對FPR連接件的各種力學(xué)性能的研究尚不充分[6]。另外，夾芯保溫墻板在工作時受到室內(nèi)外溫差的作用，墻體溫度分布不均勻，同時由于墻體內(nèi)、外葉墻和保溫層之間材料性能的差異，各層墻體之間會出現(xiàn)不同程度的膨脹或者收縮，產(chǎn)生溫度應(yīng)力。在墻體全壽命過程中，這種溫度應(yīng)力的變化會對使連接件產(chǎn)生疲勞，強(qiáng)度降低，甚至存在斷裂的風(fēng)險。研究不同材料連接件對墻板溫度場和應(yīng)力場產(chǎn)生的影響，對確定我國未來連接件的發(fā)展方向具有重要的意義。通過ABAQUS有限元軟件對采用鋼筋連接件、不銹鋼連接件和GFRP連接件的非組合式墻體進(jìn)行研究，得到不同材料的連接件對墻體保溫性能和溫度應(yīng)力水平的影響，并依據(jù)得到的結(jié)果提出復(fù)合夾芯保溫墻板的設(shè)計建議。

1 工況分析

冬季，室外溫度較低，往往需要在室內(nèi)采取供暖措施。在這個過程中，由于連接件的存在，會將屋內(nèi)的熱度逐漸傳遞到室外，造成能源的浪費。用abaqus有限元軟件，對采用三種不同材料連接件的墻體建立三維瞬態(tài)熱耦合模型，計算其溫度場和溫度應(yīng)力場。

2 模型建立

運用abaqus有限元分析軟件建立四個夾芯墻板模型，4個模型的尺寸均為1000mm×1000mm×300mm，其中內(nèi)墻板厚度200m,保溫層材料為XPS(擠塑聚苯乙烯泡沫板)，厚度為50mm,墻板為厚度50mm的鋼筋混凝土板。

將不設(shè)連接件的墻體命名為SW-1,分別將布置鋼筋連接件，合金金屬連接件，GFRP連接件以及無連接件的夾芯保溫墻體命名為SW-2,SW-3,SW-4。每個模型連接件的數(shù)量為4根，即按照每4根/m2的標(biāo)準(zhǔn)布置，連接件的長度為120mm，直徑為8mm。

《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》[7]GB50176規(guī)定了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最低設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)總熱阻大于1.13m2·K/W為合格，使用規(guī)范中的計算方法對4個墻體的熱阻進(jìn)行計算，均滿足規(guī)范要求。具體計算結(jié)果參見表2。

2.1 材料參數(shù)

模型采用材料屬性按照表1設(shè)定。

表1 材料熱工以及熱力學(xué)參數(shù)表

2.2 溫度場設(shè)置

在冬季室內(nèi)長時間使用供暖設(shè)施的情況下，室內(nèi)可達(dá)溫度25℃，室外環(huán)境溫度-5℃，在此條件下保持72h，模擬不同材料連接件在長時間供暖情況下對墻體溫度場和溫度應(yīng)力場的影響。設(shè)置墻體初始溫度為0℃。墻體內(nèi)外表面與空氣存在“對流換熱”，據(jù)《民用熱工設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，設(shè)置外墻外表面空氣換熱系數(shù)為8.7 W·m-2·℃-1，外墻內(nèi)表面換熱系數(shù)為23W·m-2·℃-1。

2.3 網(wǎng)格和邊界條件

墻體四周添加約束限制墻體長、寬兩個方向的位移?；炷羶?nèi)外葉墻板和保溫層采用六面體溫度-位移耦合單元，網(wǎng)格大小為25mm，設(shè)置網(wǎng)格單元屬性為四面體溫度位移耦合。

(a)SW-2溫度分布圖 (b)SW-3溫度分布圖 (c)SW-4溫度分布圖

圖2 沿墻體方向溫度分布

圖3 沿墻體厚度方向應(yīng)力分布

3 分析結(jié)果

3.1 溫度場分析

模擬得到了墻體內(nèi)外的溫度分布以及熱流密度，依據(jù)規(guī)范提供的計算方法，計算試件熱阻得到數(shù)據(jù)見表2。由表2可見，模擬熱阻和實際熱阻接近，證明模型的可靠性。各個試件的溫度分布如圖1所示，提取各個試件距地面40cm處沿墻體方向的溫度繪制沿墻體方向溫度分布圖如圖2。

表2 各試件計算熱阻和模擬熱阻對比

觀察不同材料連接件處和同一水平高度墻體邊緣處的溫度可以發(fā)現(xiàn)，保溫層對墻體熱傳傳遞均起到良好的隔絕作用，其中試件SW-1墻體內(nèi)表面溫度分布均勻為22.22℃。試件SW-2在連接件處形成嚴(yán)重的熱橋，造成了熱量的大量損失，其表面最大溫度位于墻體邊緣為21.44℃，正對連接件處表面溫度只有20.90℃，說明鋼筋連接件在對墻體溫度的影響上程度大、范圍廣。試件SW-4保溫性能優(yōu)秀，內(nèi)表面最大溫度位于墻體邊緣為22.18℃，正對連接件處表面溫度為22.17℃。試件SW-3正對連接件處墻體內(nèi)表面溫度21.74℃，墻體邊緣處溫度達(dá)到21.93℃,連接件處形成了輕微冷熱橋現(xiàn)象，主要作用于墻體內(nèi)部，在內(nèi)葉墻和保溫層界限處形成了溫度躍升，對內(nèi)葉墻表面的影響有限。

3.2 溫度應(yīng)力分析

提取各個試件距地面40cm處沿墻體方向的溫度繪制沿墻體方向溫度應(yīng)力分布如圖3。由圖3上來看，雖然在內(nèi)外葉墻和保溫層接觸的地方溫差較大，由于保溫材料自身剛度小，保溫層處的應(yīng)力反而處在很小的水平。圖4是各試件溫度應(yīng)力場分布圖，可以得出：在墻體受力方面，試件SW-4溫度應(yīng)力最大，試件SW-2所受溫度應(yīng)力最小。在墻體周邊約束的情況下，內(nèi)葉墻四角受力最大，SW-2內(nèi)葉墻體最大應(yīng)力為42.3MPa,SW-3內(nèi)葉墻最大應(yīng)力43.4MPa，SW-4內(nèi)葉墻最大應(yīng)力為43.9MPa?？梢娫谶@種使用條件下，內(nèi)葉墻承受壓力大于外葉墻，且內(nèi)葉墻墻角具有開裂的風(fēng)險。由于不同材料具有不同的膨脹系數(shù)，內(nèi)外葉墻與保溫層之間會存在相對錯動，使連接件產(chǎn)生應(yīng)力集中，這種現(xiàn)象在墻體邊緣的連接件表現(xiàn)更為明顯，其中鋼筋連接所受應(yīng)力最大達(dá)到51.74MPa,GFRP連接件所受應(yīng)力最小為20.17MPa，哈芬不銹鋼連接件最大應(yīng)力為43.33MPa。墻內(nèi)鋼筋所受應(yīng)力最大只有8.7MPa，基本可以忽略。

(a) SW-2連接件應(yīng)力分布 (b)SW-3連接件應(yīng)力分布 (b)SW-3連接件應(yīng)力分布

4 結(jié) 語

經(jīng)過數(shù)值模擬和數(shù)據(jù)分析可以得到如下結(jié)論：

(1)采用三種連接件的墻體其熱工性能均符合《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》的要求,但是GFRP連接件對溫度傳遞的阻隔作用最大，其熱工性能優(yōu)于哈芬不銹鋼和鋼筋連接件。

(2)在溫度場的影響下, 應(yīng)力集中于連接件在內(nèi)、外墻板與保溫層連接處,GFRP連接件應(yīng)力為20.17MPa，哈芬連接件所受應(yīng)力43.33MPa，鋼筋連接件所受應(yīng)力為51.74MPa，各連接件所受應(yīng)力均小于自身材料強(qiáng)度。

(3)綜合來看，F(xiàn)RP連接件具有優(yōu)秀的熱工性，且不易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，工況下其溫度應(yīng)力約為金屬合金連接件的50%。GFRP連接件是未來發(fā)展的方向。

(4)內(nèi)葉墻墻角應(yīng)力較大，在長期使用過程中可能出現(xiàn)開裂，因此內(nèi)外葉墻采用超高性能混凝土(UHPC)的預(yù)制夾芯保溫墻板具有很高的研究價值。