張永福，鄭豪，沙斌，姚春佳

（1.浙江振申絕熱科技股份有限公司，浙江 嘉興 314011；2.紹興文理學(xué)院，浙江 紹興 312000；3.嘉興南湖學(xué)院，浙江 嘉興 314001；4.嘉興學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001）

0 引言

耐候性試驗(yàn)?zāi)軌蚝侠淼啬M外界惡劣氣候環(huán)境，是目前檢驗(yàn)外保溫系統(tǒng)最有效的手段之一，與實(shí)際工程有很好的關(guān)聯(lián)性[1-2]，但是其耗時(shí)長(zhǎng)，數(shù)據(jù)量大，且對(duì)試驗(yàn)環(huán)境和時(shí)間要求十分嚴(yán)苛[3-4]。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)形成的各類應(yīng)用軟件受到研究者的廣泛關(guān)注。數(shù)值模擬提供了一種模擬外保溫系統(tǒng)耐候性試驗(yàn)的新方式，具有預(yù)測(cè)結(jié)果可視化、減少試驗(yàn)工作量、可重復(fù)性分析等優(yōu)點(diǎn)，很好地解決了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的弊端[1，5-6]。本文利用COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)耦合軟件對(duì)泡沫玻璃保溫裝飾一體板（以下簡(jiǎn)稱泡沫玻璃本體板）系統(tǒng)耐候性試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算熱雨循環(huán)系統(tǒng)各構(gòu)造層溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力和位移，為該系統(tǒng)的工程化應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 數(shù)值模擬

1.1 溫度應(yīng)力的計(jì)算原理

荷載并不是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的唯一原因，溫度應(yīng)力也是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫并影響正常使用的重要原因[7-8]。結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力的情況有很多，比如結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布相同，但是外部受到約束時(shí)，結(jié)構(gòu)變形受到約束，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力；結(jié)構(gòu)內(nèi)部各部位溫度分布不同，內(nèi)部各單元體相互作用也會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力；當(dāng)結(jié)構(gòu)由多種材料組成時(shí)，因材料性質(zhì)各不相同，即使溫度分布相同，也會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力[9-10]。

泡沫玻璃一體板系統(tǒng)各構(gòu)造層的材料不同，當(dāng)受到溫度作用時(shí)，極其容易產(chǎn)生溫度應(yīng)力。一般來(lái)說(shuō)，材料都有熱脹冷縮的特性，當(dāng)材料的熱脹冷縮在彈性范圍內(nèi)，受力停止后其變形便會(huì)消失，但是當(dāng)材料的熱脹冷縮超過(guò)彈性范圍，受力停止后其變形仍然不會(huì)消失，隨著這些塑性變形的積累，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生破壞。

當(dāng)墻體溫度由T1升至T2，假定其熱膨脹系數(shù)α不隨溫度而改變，則其任意方向上的應(yīng)變?chǔ)趴杀硎緸椋?/p>

根據(jù)熱彈性力學(xué)，在約束條件下，墻體溫度應(yīng)力和應(yīng)變的物理方程可表示為：

將上式化成矩陣形式可得：

1.2 泡沫玻璃一體板系統(tǒng)耐候性數(shù)值模擬

1.2.1 模型建立及材料參數(shù)選取

（1）假定外保溫墻體各構(gòu)造層之間接觸良好，無(wú)縫隙，同時(shí)忽略層界面的接觸熱阻；

（2）假定外保溫墻體各層為均勻密實(shí)且各向同性的線彈性體，并且泡沫玻璃一體板之間連接緊密；

（3）假定忽略外保溫墻體自身輻射放出的熱量；

（4）假定室內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)、耐候箱內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)和室內(nèi)空氣溫度均為常數(shù)，且材料參數(shù)為常數(shù)，不隨溫度、濕度發(fā)生變化；

（5）外保溫墻體內(nèi)外表面施加不同的溫度邊界條件，剩余各面設(shè)為絕熱邊界，四周設(shè)為固定約束邊界；

（6）粘結(jié)層為有機(jī)速凝膠粘劑，且厚度極小，故其對(duì)外保溫墻體整體性能影響很小，模擬計(jì)算時(shí)不考慮粘結(jié)層的影響。

利用有限元軟件，對(duì)泡沫玻璃一體板厚度為50mm，混凝土基墻厚度為200 mm的外墻外保溫系統(tǒng)建立三維模型，并進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分別模擬飾面層厚度為0.3mm和3mm的薄、厚飾面層一體板，計(jì)算其在熱雨循環(huán)下的溫度場(chǎng)、溫度應(yīng)力及變形情況。材料參數(shù)的選取與模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性及合理性密切相關(guān)，本次模擬的材料參數(shù)是由實(shí)測(cè)獲得，具體取值如表1所示，模型尺寸選取耐候性試驗(yàn)墻體實(shí)際尺寸。

表1 泡沫玻璃一體板系統(tǒng)材料性能參數(shù)

1.2.2 初始條件及加載時(shí)間

在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，需要先確定初始條件（t=0時(shí)刻墻體內(nèi)部的溫度場(chǎng)）。墻體試件初始時(shí)刻溫度為其成型時(shí)的環(huán)境溫度，該值與施工時(shí)間、天氣等因素密切相關(guān)，因此難以準(zhǔn)確獲得。初始條件對(duì)前幾個(gè)周期循環(huán)的計(jì)算結(jié)果影響較大，但是經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期循環(huán)之后影響會(huì)逐漸減小，因此可以通過(guò)加長(zhǎng)加載時(shí)間的方式來(lái)消除人為初始條件給結(jié)果帶來(lái)的偏差。綜合考慮施工時(shí)的溫度以及材料的特性，將初始條件設(shè)定為20℃。

實(shí)際耐候性試驗(yàn)溫度加載循環(huán)多，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且受實(shí)際環(huán)境影響大，若完全按照試驗(yàn)條件模擬，計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間大。本次模擬加載時(shí)間初步設(shè)定為熱雨循環(huán)4個(gè)周期，每個(gè)周期6 h，共24 h。

1.2.3 邊界條件及溫度加載

本次模擬的是泡沫玻璃一體板系統(tǒng)的耐候性試驗(yàn)。室內(nèi)邊界條件和耐候箱內(nèi)邊界條件均選用第三類邊界條件。對(duì)流換熱系數(shù)按照GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》選取：基層墻體內(nèi)表面與室內(nèi)的對(duì)流換熱系數(shù)為8.7W/（m2·K），保溫裝飾層外表面與耐候箱內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)為19.0W/（m2·K）。

在外保溫墻體的內(nèi)表面（即室內(nèi)）施加溫度20℃，外表面（即耐候箱內(nèi)）溫度加載參考JG/T 287—2013《保溫裝飾板外墻外保溫系統(tǒng)材料》附錄A.3耐候性試驗(yàn)方法的取值如下：熱雨循環(huán)4次，每次6 h，升溫階段（0～1 h），溫度由20℃升至70℃；恒溫階段（1～3 h），溫度恒定保持在70℃；噴淋階段（3～4 h），溫度由70℃降溫至20℃；靜置階段（4～6 h），溫度恒定保持在20℃。據(jù)此繪制了熱雨循環(huán)的數(shù)值模擬溫度加載曲線，如圖1所示。

圖1 熱雨循環(huán)溫度加載曲線

2 模擬結(jié)果分析

2.1 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析

由于假定薄、厚2類泡沫玻璃一體板系統(tǒng)各層材料均勻、連續(xù)且各向同性，因此溫度場(chǎng)在外保溫墻體平面方向各層都分布均勻，溫度相同。

圖2顯示了第1～4次熱雨循環(huán)作用下2類泡沫玻璃一體板系統(tǒng)各構(gòu)造層溫度隨時(shí)間的變化。

圖2 泡沫玻璃一體板系統(tǒng)第1～4次熱雨循環(huán)下溫度-時(shí)間曲線

由圖2可知，2類泡沫玻璃一體板系統(tǒng)保溫裝飾層外表面溫度受耐候箱內(nèi)部的溫度影響呈周期性變化，基層內(nèi)表面溫度變化不大，基本呈水平線。基層外表面的溫度具有波動(dòng)上升的趨勢(shì)，在0～18 h時(shí)的前3個(gè)循環(huán)，起止溫度有明顯差異，但從18 h的第4循環(huán)，起止溫度幾乎一致，這基本就能夠認(rèn)定通過(guò)加長(zhǎng)加載時(shí)間的方式已經(jīng)消除了初始條件對(duì)計(jì)算結(jié)果帶來(lái)的偏差，計(jì)算結(jié)果已保持穩(wěn)定。因此，后續(xù)熱雨循環(huán)計(jì)算和分析都是采用第4循環(huán)的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行。

圖3為第4次熱雨循環(huán)下溫度變化曲線。

圖3 泡沫玻璃一體板系統(tǒng)第4次循環(huán)熱雨循環(huán)下各構(gòu)造層的溫度-時(shí)間曲線

由圖3可見(jiàn)：（1）2類泡沫玻璃一體板系統(tǒng)各構(gòu)造層溫度變化趨勢(shì)基本一致，基層外表面溫度變化不大，其中薄飾面層泡沫玻璃一體板基層外表面溫度變化量在1.5℃以內(nèi)，厚飾面層泡沫玻璃一體板系統(tǒng)基層外表面溫度變化約1.4℃；保溫裝飾層外表面受外界溫度影響變化劇烈，薄飾面系統(tǒng)飾面層外表面的溫度為20.1～68.1℃，厚飾面系統(tǒng)保溫裝飾層外表面的溫度為20.1～67.9℃。由此可見(jiàn)2類系統(tǒng)具有良好的保溫隔熱效果，基層墻體所處環(huán)境溫度變化較小，有利于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性。（2）飾面層厚度對(duì)基層墻體溫度基本沒(méi)有影響，因?yàn)轱椕鎸訉?dǎo)熱系數(shù)很大且厚度不大，基本不起保溫隔熱效果。

為更清晰地揭示熱雨循環(huán)對(duì)泡沫玻璃一體板系統(tǒng)的影響，沿墻厚方向選取相應(yīng)路徑，繪制了不同階段下沿墻厚方向的溫度分布，如圖4所示。

由圖4可知，2類泡沫玻璃一體板系統(tǒng)在高溫環(huán)境下越靠近墻體外側(cè)溫度越高，在低溫環(huán)境下越靠近墻體外側(cè)溫度越低。且無(wú)論是高溫環(huán)境還是低溫環(huán)境下，泡沫玻璃一體板內(nèi)溫度變化最為劇烈，而基層墻體溫度變化平緩。其中薄飾面層泡沫玻璃一體板系統(tǒng)的保溫層溫度在高溫環(huán)境下為23.27～67.94℃，溫差44.67℃，在低溫環(huán)境下為20.14～22.72℃，溫差2.58℃。厚飾面層泡沫玻璃一體板系統(tǒng)的保溫層溫度在高溫環(huán)境下為23.22～67.66℃，溫差44.44℃，在低溫環(huán)境下為20.17～22.69℃，溫差2.52℃。

圖4 泡沫玻璃一體板系統(tǒng)熱雨循環(huán)下各構(gòu)造層不同階段沿墻厚方向的溫度分布

綜上所述，泡沫玻璃作為一種保溫隔熱性能好的保溫材料，在熱雨循環(huán)保溫隔熱過(guò)程中發(fā)揮了顯著的作用，同時(shí)可以明顯看出，薄厚飾面層的溫度分布結(jié)果極為相似，飾面層對(duì)溫度分布影響甚小，基本沒(méi)有保溫隔熱效果。

2.2 應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果分析

圖5為第4次熱雨循環(huán)下薄、厚2類泡沫玻璃一體板系統(tǒng)各構(gòu)造層應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線。

圖5 泡沫玻璃一體板系統(tǒng)第4次熱雨循環(huán)下各構(gòu)造層的應(yīng)變-時(shí)間曲線

由圖5可知，2類泡沫玻璃一體板系統(tǒng)的基層內(nèi)外表面應(yīng)變較為平穩(wěn)，保溫裝飾層外表面應(yīng)變變化劇烈，2類泡沫玻璃一體板系統(tǒng)各構(gòu)造層應(yīng)變變化趨勢(shì)基本一致，由此可見(jiàn)飾面層厚度對(duì)基層墻體應(yīng)變影響不大。

為準(zhǔn)確表示2類泡沫玻璃一體板系統(tǒng)在高溫環(huán)境下的應(yīng)力變化情況，選取2 h的保溫裝飾層外表面以及基層外表面二維應(yīng)力云圖進(jìn)行分析（見(jiàn)圖6、圖7）。

圖6 泡沫玻璃一體板系統(tǒng)熱雨循環(huán)2 h時(shí)保溫裝飾層外表面應(yīng)力云圖

圖7 泡沫玻璃一體板系統(tǒng)熱雨循環(huán)2 h時(shí)基層外表面應(yīng)力云圖

由圖6、圖7可知，高溫環(huán)境下，2類泡沫玻璃一體板系統(tǒng)由于溫度作用及各層材料性能的差異產(chǎn)生了溫度應(yīng)力，基層外表面應(yīng)力不大，保溫裝飾層外表面應(yīng)力較大；窗戶部位是薄弱部位，容易產(chǎn)生裂縫，因?yàn)槠錇闊針虿课?，溫差較大，這與實(shí)際情況較為吻合。

為表示2類泡沫玻璃一體板系統(tǒng)在高溫環(huán)境和低溫環(huán)境下的位移分布情況，繪制2h和6h的墻體三維位移分布，結(jié)果見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 泡沫玻璃一體板系統(tǒng)熱雨循環(huán)2h時(shí)墻體三維位移分布

圖9 泡沫玻璃一體板系統(tǒng)熱雨循環(huán)6h時(shí)墻體三維位移分布

由圖8、圖9可知，不管高溫環(huán)境還是低溫環(huán)境，2類泡沫玻璃一體板系統(tǒng)窗戶部位位移顯著增大，遠(yuǎn)離窗戶部位位移很小，因?yàn)榇皯舨课粦?yīng)力較大，所以產(chǎn)生很大位移。這與實(shí)際情況一致。

數(shù)值模擬與實(shí)際試驗(yàn)相比，大體結(jié)論基本一致，但還存在一定的差異，原因如下：

（1）在實(shí)際耐候性試驗(yàn)過(guò)程中，各層材料尤其是泡沫玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)隨著溫度和濕度的變化而變化，但是在模擬過(guò)程中，假定各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，因此，溫度場(chǎng)模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有一定的差異。

（2）在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，耐候箱內(nèi)的環(huán)境變化非常復(fù)雜，而模擬中只是簡(jiǎn)單地加載設(shè)計(jì)溫度，所以溫度場(chǎng)模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有一定的偏差。

（3）在實(shí)際試驗(yàn)中，因?yàn)槭┕すに?、天氣、材料差異性等多種因素影響，墻體試樣不可能達(dá)到模擬中那種理想狀態(tài)，從而造成了溫度場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果有一定的出入。

（4）在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)各層材料為各向異性，各層材料界面處應(yīng)變不一致，而模擬中假設(shè)材料為各向同性，各層材料表面應(yīng)變一致，因此應(yīng)變場(chǎng)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有一定的差異。

（5）實(shí)際外保溫墻體在施工時(shí)各構(gòu)造層之間不是完全連續(xù)，但是在模擬中假定各構(gòu)造層緊密接觸，因此應(yīng)變場(chǎng)模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有一定的差異。

3 結(jié)論

（1）2類泡沫玻璃一體板系統(tǒng)在熱雨循環(huán)過(guò)程中基層墻體內(nèi)外表面變化不大，保溫裝飾層外表面受外界溫度影響變化劇烈，可見(jiàn)泡沫玻璃一體板保溫隔熱性能良好。

（2）2類泡沫玻璃一體板系統(tǒng)在高溫環(huán)境下都是越靠近墻體外側(cè)溫度越高，在低溫環(huán)境下都是越靠近墻體外側(cè)溫度越低，尤其是泡沫玻璃保溫層內(nèi)溫度變化幅度最大。可見(jiàn)泡沫玻璃保溫隔熱性能良好，飾面層基本沒(méi)有保溫隔熱效果。

（3）熱雨循環(huán)過(guò)程中，在高溫環(huán)境下，2類泡沫玻璃一體板系統(tǒng)基層外表面應(yīng)力不大，保溫裝飾層外表面應(yīng)力較大；窗戶附近產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，說(shuō)明窗戶附近會(huì)首先出現(xiàn)裂縫，這與耐候性試驗(yàn)中窗戶部位出現(xiàn)裂縫的規(guī)律較為吻合。

（4）熱雨循環(huán)過(guò)程中，2類泡沫玻璃一體板系統(tǒng)窗戶附近位移顯著增大，遠(yuǎn)離窗戶部位位移很小，位移與應(yīng)力具有相同的規(guī)律，較大的位移說(shuō)明窗戶附近會(huì)首先出現(xiàn)裂縫，這與耐候性試驗(yàn)中窗戶部位出現(xiàn)裂縫的規(guī)律較為吻合。