赫傳凱

(國家電子工程建筑及環(huán)境性能質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心， 北京 100142)

在預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，廣泛使用的夾心保溫墻板是一種新型復(fù)合墻板，該新型夾心保溫復(fù)合墻板由內(nèi)層混凝土、中間保溫層、外層混凝土及連接件組成，其中連接件穿過保溫材料層，兩端分別錨固于內(nèi)葉墻和外葉墻中。其中連接件主要功能是傳遞內(nèi)外葉混凝土墻體之間的水平及豎向荷載、協(xié)調(diào)變形[1]。不銹鋼連接件因其耐腐蝕性能好、導(dǎo)熱系低、強(qiáng)度高等優(yōu)勢，是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)常用配件[2]。相對(duì)于其他類型的凸窗，該新型夾心復(fù)合墻板集成的凸窗結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)及裝配過程中，由于其預(yù)留主筋便利、安裝方便等優(yōu)勢因素大大減少了構(gòu)件的運(yùn)輸及吊裝工作量，提高了預(yù)制建筑裝配效率，縮短了施工周期，因此在裝配式建筑領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[3]。由其集成的凸窗結(jié)構(gòu)與墻板本身相比，屬于受溫度作用影響較大的薄弱構(gòu)件，裝配建筑結(jié)構(gòu)凸窗是預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的重要組成部分，因此，研究凸窗構(gòu)件在溫度作用下產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力及變形對(duì)分析裝配式整體結(jié)構(gòu)意義重大。

目前，關(guān)于新型保溫墻板集成的墻身在溫度作用下的力學(xué)性能研究較多，Li等[4-5]提出了一種三層皮夾心保溫的預(yù)制復(fù)合墻體，并對(duì)該墻體進(jìn)行了熱工計(jì)算、熱箱試驗(yàn)驗(yàn)證和參數(shù)計(jì)算研究。證實(shí)由于熱路徑加長，三層板夾心墻體比一般的雙層板夾心墻體有更好的保溫及力學(xué)性能。 Jeong等[6]用紅外熱像法和 PHYSIBEL 軟件模擬法，分別對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的T型、L型及S型墻角處的熱橋保溫性能和熱橋影響范圍，并推算處可以估算墻角在邊界條件下的熱橋效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

該集成凸窗由不同性能的材料復(fù)合而成，由于相互之間的協(xié)調(diào)變形，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力，當(dāng)內(nèi)力及變形較大時(shí)，會(huì)對(duì)整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[7]。目前缺少該夾心保溫墻板集成的凸窗在溫度作用下的力學(xué)性能分析，本文采用有限元仿真方法，通過建立某典型尺寸凸窗結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析模型，采用考慮溫度影響的混凝土本構(gòu)模型，模擬了兩種典型環(huán)境溫度作用工況，得到了在重力荷載和溫度作用下凸窗結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形，并對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)性能評(píng)價(jià)。

1 模型建立

1.1 計(jì)算模型

研究對(duì)象是有不銹鋼連接件的某典型尺寸夾心保溫墻板集成凸窗。該凸窗寬度為2.50 m，高度為3.00 m，懸挑長度為0.80 m，主體結(jié)構(gòu)保溫層厚度為100 mm，凸窗保溫層厚度為60 mm，凸窗混凝土強(qiáng)度為C30，凸窗的詳細(xì)尺寸及連接件的詳細(xì)布置如圖1所示。凸窗所用連接件型號(hào)如表1所示，其中板式連接件材料屈服強(qiáng)度為448 MPa，抗拉強(qiáng)度為778 MPa；針式連接件材料屈服強(qiáng)度為690 MPa，抗拉強(qiáng)度為800 MPa。

表1 凸窗所用保溫連接件型號(hào)

圖1 凸窗結(jié)構(gòu)及連接件分布圖

溫度作用下力學(xué)性能分析時(shí)，材料的溫度參數(shù)主要包括密度、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)，表2為材料物理力學(xué)參數(shù)。

表2 凸窗整體結(jié)構(gòu)材料物理力學(xué)參數(shù)

1.2 基本假設(shè)

影響連接件傳力系數(shù)的因素較多，為了簡化分析，采取以下假定：①凸窗整體結(jié)構(gòu)處于彈性階段；②不考慮不銹鋼連接件與混凝土之間的滑移。

1.3 材料本構(gòu)

由于混凝土材料力學(xué)性能受溫度影響，本文引入熱力學(xué)中自由能概念，采用基于彈性應(yīng)變，包含溫度自由能函數(shù)的混凝土熱-力耦合本構(gòu)模型[8]。

混凝土的自由能分為熱-彈性部分及熱-塑性部分，表達(dá)式為

(1)

材料本構(gòu)必須滿足熱力學(xué)不等式Clausius-Duhem不等式要求，即

(2)

自由能函數(shù)的導(dǎo)數(shù)為

(3)

將式(3)代入式(2)可得

(4)

式(4)需滿足:

(5)

包含溫度變量的彈性自由能表達(dá)式[9]為

(6)

βkl=βδkl

(7)

(8)

(9)

式(9)中：E(T)及v(T)分別為溫度T條件下的彈性模量和泊松比；δij和δkl為kronecker-δ符號(hào)。

將彈性自由能對(duì)彈性對(duì)彈性應(yīng)變求導(dǎo)，得到彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為

(10)

另外，混凝土的塑性應(yīng)變采用硬化參量來修正。

在建立連接件及保溫層模型時(shí)假定連接件與保溫層之間為完全抗剪連接，不考慮滑移，直接粘結(jié)在一起，連接件與混凝土內(nèi)外墻之間連接采用Combin39非線性彈簧單元模擬，彈簧單元的力-變形曲線可根據(jù)錨固長度以及混凝土墻板的強(qiáng)度等級(jí)建立[10]。

1.4 邊界條件

溫度作用下凸窗結(jié)構(gòu)邊界條件：凸窗外部邊界條件為熱力學(xué)邊界，根據(jù)第三類傳熱邊界條件，空氣與凸窗之間采用熱對(duì)流的方式進(jìn)行傳熱。

力學(xué)性能模型邊界條件：內(nèi)頁墻板固定約束。

1.5 分析模型建立

利用有限元軟件ABAQUS建立凸窗模型，包括內(nèi)葉墻板、保溫層、外葉墻板、連接件。其中連接件采用二維線單元，其余采用三維實(shí)體DC3D8單元，實(shí)體單元網(wǎng)格尺寸為50 mm。對(duì)各材料賦予熱工性能參數(shù)并整合成整體。連接件及整體模型如圖2、圖3所示。

圖2 連接件模型圖

圖3 凸窗整體模型圖

2 分析工況

第一種工況為室外溫度65 ℃，室內(nèi)溫度20 ℃，模擬夏季室內(nèi)外溫差；第二種工況室內(nèi)溫度20 ℃，室外溫度-20 ℃，模擬冬季室內(nèi)外溫差。室內(nèi)傳熱系數(shù)取8.7 W/(m·K)，室外傳熱系數(shù)取23.3 W/(m·K)，溫度作用分析狀態(tài)為瞬態(tài)計(jì)算，外墻兩側(cè)均為絕熱面[11]，考慮自重荷載。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 溫度梯度計(jì)算結(jié)果

第一種工況下凸窗內(nèi)外溫度、保溫層、針式連接件及板式連接件溫度場分布如圖4和圖5所示，結(jié)果表明，凸窗內(nèi)外溫度與設(shè)計(jì)溫度基本一致，說明了保溫層效果良好，連接件在錨固區(qū)與混凝土溫度變化一致，且由于連接件的存在，使得熱量在墻體的傳遞出現(xiàn)了明顯了多維效應(yīng)，使得保溫層溫度梯度變化明顯。

圖4 工況一凸窗和保溫層溫度場

圖5 工況一針式和板式連接件溫度場計(jì)算結(jié)果

第二種工況下凸窗內(nèi)外溫度、保溫層、針式及板式連接件溫度場分布如圖6和圖7所示，計(jì)算結(jié)果表明，連接件的存在，使得溫度變化梯度明顯，連接件是保證保溫效果的重要配件。

圖6 工況二保溫層溫度場

圖7 工況二針式和板式連接件溫度場計(jì)算結(jié)果

針式連接件計(jì)算結(jié)果與板式連接件計(jì)算結(jié)果在溫度梯度，熱流密度及變化規(guī)律與板式連接件一致。

3.2 力學(xué)性能計(jì)算結(jié)果

第一種工況下，凸窗x向中部變形約0.6 mm；凸窗側(cè)面混凝土膨脹變形約為0.2 mm，y向兩側(cè)熱膨脹變形約為0.7 mm；凸窗z向的膨脹變形約為5.4 mm，連接件處混凝土的應(yīng)力為1.35 MPa，凸窗的整體位移云圖如圖8(a)所示，連接處混凝土應(yīng)力如圖8(b)所示。

圖8 工況一凸窗整體變形和混凝土應(yīng)力分布

第二種工況下，凸窗x向中部變形約0.4 mm；凸窗側(cè)面混凝土膨脹變形約為0.1 mm，y向兩側(cè)熱膨脹變形約為0.2 mm；凸窗z向的膨脹變形約為1.62 mm，連接件處混凝土的應(yīng)力為1.32 MPa，凸窗的整體位移云圖如圖9(a)所示，連接處混凝土應(yīng)力如圖9(b)所示。

圖9 工況二凸窗整體變形和混凝土應(yīng)力分布

兩種工況下，連接件的最大應(yīng)力及變形計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 連接件應(yīng)力及變形計(jì)算結(jié)果

計(jì)算可知，在溫差變化很大的情況下，連接件的內(nèi)力及變形均較小，符合規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生損傷和破壞。其中，工況一下連接件的應(yīng)力分布及變形如圖10所示；工況二下連接件的應(yīng)力分布及變形如圖11所示。

圖10 工況一連接件變形

圖11 工況二連接件變形

4 結(jié)論

(1)有連接件的夾心保溫墻板集成凸窗結(jié)構(gòu)，在室內(nèi)外溫差變化較大時(shí)，內(nèi)外墻板的溫度基本與室內(nèi)外一致，具有良好的保溫性能。

(2)不銹鋼連接件溫度變化梯度與保溫層一致，兩端錨固區(qū)域內(nèi)與混凝土一致，說明其良好的熱工性能。

(3)連接件因?yàn)榕c混凝土協(xié)同變形，但產(chǎn)生的內(nèi)力遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度，其中板式連接件產(chǎn)生的內(nèi)力更小。連接件附近的混凝土拉應(yīng)力均小于其設(shè)計(jì)值，整體位移變形均較小，說明在溫差較大時(shí)，有連接件的夾心保溫集成凸窗結(jié)構(gòu)仍具有良好的力學(xué)性能。

(4)研究成果可為夾心保溫墻板集成結(jié)構(gòu)提供設(shè)計(jì)依據(jù)，為其在預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用提供理論支撐。