朱志恒

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安 271018）

引言

溫室大棚屋脊會設(shè)有排水天溝，排水天溝主要用于溫室大棚屋頂?shù)呐潘?、排污工作。目前的溫室大棚結(jié)構(gòu)中，排水天溝通常是獨立設(shè)置在大棚屋檐處的，以便收集從屋脊流下來的污水，給溫室大棚減輕了非常大的重量負(fù)擔(dān)。一般天溝與大棚骨架接觸面和連接處用普通螺栓連接，但因內(nèi)外溫差，造成傳熱密集，在內(nèi)表面溫度較低的部位容易形成冷熱橋。對于冷熱橋造成的影響，首先，冷熱橋部位內(nèi)表面溫度比較低，寒冬期間冷熱橋溫度低于露點溫度時，水蒸氣就會凝結(jié)在冷熱橋的表面上，形成結(jié)露；再者，空氣中的灰塵容易粘在冷熱橋上，逐漸變黑后長菌發(fā)霉。

在玻璃溫室中，天溝既是一種結(jié)構(gòu)承力部件，也是重要的屋面排水部件。通過合理設(shè)計玻璃溫室的結(jié)構(gòu)，可以最大效率地利用太陽能的輻射能[1]。天溝與大棚骨架的接觸面和連接處是溫室向外散熱的根源。在天溝與大棚骨架的連接處，若使用普通鍍鋅螺栓，將會在天溝連接處形成“熱橋”[2]。天溝連接處熱橋部位會引起溫室熱量損失。尤其是大跨度溫室中，其天溝的數(shù)量多，連接構(gòu)件量大，熱量損失就相當(dāng)可觀，不利于節(jié)能要求，對這些部位必須采取隔熱保溫措施[3]。

在整個溫室結(jié)構(gòu)當(dāng)中，天溝既作為一種結(jié)構(gòu)部件承擔(dān)力學(xué)功能，也作為溫室主要的屋面排水構(gòu)件，但現(xiàn)在大部分溫室采用鍍鋅鋼板折彎件作為天溝的材料，造成天溝部分成為溫室傳熱最大的冷橋，非常不利于溫室的冬季保溫。

張洪源等發(fā)明了一種快速自鎖自摩擦保溫螺栓，該保溫螺栓結(jié)構(gòu)有膨脹套管和鎖定螺釘，優(yōu)點為可以對外墻保溫系統(tǒng)進行固定，在熱脹冷縮的作用下，不易讓該螺栓從保溫板中頂出，影響固定效果，并且在保溫螺栓受到向外拉力時，不易從墻體中滑出，固定效果好，不存在安全隱患，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可大大提高外墻保溫板施工速度，從而提高施工效率，縮短施工周期[4]。王愛國等發(fā)明了一種永久封堵保溫對拉螺栓連接件，該螺栓的結(jié)構(gòu)有螺桿、螺母、螺絲和空心套管等構(gòu)成，優(yōu)點為不用兩次堵住對拉螺栓孔口，可以有效地避免冷熱橋的傳遞，降低成本、縮短工期[5]。劉坤等發(fā)明了一種承力型保溫節(jié)能對拉螺栓拉桿，該螺栓的結(jié)構(gòu)由金屬芯、隔熱層和連接固定裝置等組成，優(yōu)點為該螺栓具有一定的承載力，同時螺栓的隔熱層充當(dāng)斷橋，可以有效地進行保溫[6]。張明等發(fā)明了一種用于建筑外墻固定保溫板材的膠合膨脹螺栓，該保溫螺栓結(jié)構(gòu)包括螺桿、螺紋槽、螺母和螺栓外殼等組成，優(yōu)點為該螺栓的螺栓外殼和螺桿之間不容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，同時讓膨脹螺栓在使用后，可以比較簡便地進行螺栓拆除，施工方便[7]。林國海發(fā)明了一種外保溫現(xiàn)澆混凝土墻體對拉螺栓專利，該螺栓的結(jié)構(gòu)由外側(cè)螺桿、固定桿、內(nèi)側(cè)螺桿組成，優(yōu)點為提供一種能夠?qū)ΜF(xiàn)澆混凝土墻體施工工序進行簡化、也可以降低成本、提高墻體的質(zhì)量等[8]。

斷橋保溫技術(shù)是采取一定的措施來切斷熱橋（簡稱斷橋），減小建筑物內(nèi)外熱量傳遞。國內(nèi)的學(xué)者也對斷橋保溫技術(shù)有了一定的研究，如邵郁、楊雪等研究了在嚴(yán)寒地區(qū)裝配式住宅中，使用嵌入式外墻內(nèi)外保溫斷橋構(gòu)造方式，得出結(jié)論為外保溫加內(nèi)保溫斷橋構(gòu)造熱流量最小，保溫效果最好[9]。石煒煒等研究了斷橋式再生混凝土自保溫砌塊利用斷橋部分的設(shè)置，增加了傳熱熱阻，阻斷了熱流的傳遞[10]。王文輝，研究了斷橋網(wǎng)架式保溫系統(tǒng)其中的斷橋技術(shù)可對建筑的結(jié)構(gòu)全方面覆蓋，基本上消除了“熱橋”的現(xiàn)象[11]。王旭彤研究了BFRP 熱斷橋結(jié)構(gòu)的力學(xué)及熱工學(xué)性能，針對建筑物中典型的熱橋是陽臺熱橋，利用陽臺熱斷橋的結(jié)構(gòu)，可以有效地減少熱流量的傳遞[12]。綜合國內(nèi)外研究學(xué)者的成果可以看出，斷橋式結(jié)構(gòu)對房屋建筑的導(dǎo)熱性能等方面有顯著的影響。研究表明，斷橋連接技術(shù)可以有效解決大部分結(jié)構(gòu)冷熱橋問題，斷橋材料的選用是斷橋連接技術(shù)的核心，目前關(guān)于斷橋連接技術(shù)和斷橋材料選用的研究較少[13]。劉涼銘發(fā)明了一種具有加強型螺栓孔的斷橋鋁塑復(fù)合型材，材料包括鋁合金型材和塑料型材等，該發(fā)明能夠避免封閉式螺栓孔裂開，增大材料間連接的牢固性，有利用降低了使用成本，同時也增加了材料的使用壽命[14]。陳鵬等發(fā)明了一種帶有螺栓安裝孔的明框斷橋立柱型材，該發(fā)明可以有顯著效果的隔絕熱量[15]。

顯然，大多數(shù)發(fā)明者對于使螺栓保溫的方式主要是利用螺栓的特殊的結(jié)構(gòu)，從而讓螺栓起到保溫的作用；斷橋式結(jié)構(gòu)的研究大多數(shù)是對墻體進行斷橋處理來阻斷冷熱橋熱量的傳遞，斷橋式結(jié)構(gòu)對房屋建筑的導(dǎo)熱性能等方面有顯著的影響，但大多數(shù)學(xué)者對于把斷橋式技術(shù)應(yīng)用到螺栓上，對螺栓本身進行改造，以及斷橋式結(jié)構(gòu)影響溫室結(jié)構(gòu)的保溫性能的研究相對較少。

本文提出自主研發(fā)新型變徑斷橋式螺栓。螺栓應(yīng)用斷橋式結(jié)構(gòu)可以有效地阻斷冷熱橋上熱量的傳遞，同時該螺栓的變徑結(jié)構(gòu)增強連接性。用無機材料環(huán)氧樹脂玻璃纖維作為隔熱材料[13]，該新型螺栓在功能上滿足承受溫室結(jié)構(gòu)荷載的要求，同時比普通鍍鋅螺栓耐腐蝕且重量輕，而且最重要的是具有隔熱能力和很好的保溫作用，可以有效解決天溝連接處形成冷熱橋的問題。

1 螺栓結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 變徑斷橋式螺栓

螺栓由長度為30 mm 的M12 鍍鋅螺栓相互配合加工而成，首先將其一端加工成長度為12 mm 的M6螺栓；斷橋部分為隔熱性能良好的環(huán)氧樹脂玻璃纖維。兩螺栓相距6 mm，與斷橋一同組成一個完整的保溫型螺栓。

1.2 螺栓結(jié)構(gòu)設(shè)計

該螺栓為一種用于天溝連接處的節(jié)能型變徑斷橋式螺栓，包括兩個相對設(shè)置的螺體，以及連接兩個螺體的保溫粘結(jié)劑，螺體包括大徑段，以及插入所述保溫黏結(jié)劑內(nèi)的小徑段，小徑段的一端固接在大徑段的端面上。

兩個螺體通過保溫黏結(jié)劑連接，減緩了導(dǎo)熱速度，增強了保溫效果，減小保溫性能差，隔熱效果好，同時固接安全、易安裝；通過小徑段和大徑段的設(shè)置，提高保溫粘結(jié)劑固化后的強度。

1.3 螺栓的加工工藝

步驟1：使用車床將長度為30 mm 的M12 螺栓（截面直徑為12 mm），一端加工成長度為18 mm 的M12 大徑，另一端加工成長度為12 mm 的M6 小徑的螺栓組合體。

步驟2：固定兩螺栓組合體，使12 mm 的M6 小徑部分的頂端相隔6 mm，同時保證兩螺栓的軸線位于同一條直線上。

步驟3：通過人工方法將提前按比例配置的環(huán)氧樹脂和固化劑混合后的溶液澆筑，經(jīng)風(fēng)干后得到變徑斷橋式螺栓。

2 螺栓的有關(guān)性能的數(shù)值模擬與計算

用ANSYS 軟件進行了有關(guān)力學(xué)性能及二維穩(wěn)態(tài)的傳熱模擬，得到了該斷橋式螺栓的有關(guān)性能。

2.1 變形量

用ANSYS 軟件模擬得到該螺栓的變形量云圖，見圖2。

結(jié)果表明：變形量不會影響結(jié)構(gòu)強度。

2.2 等效應(yīng)力

用ANSYS 軟件模擬得到該螺栓的等效應(yīng)力云圖，見圖3。

結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)可以完全承擔(dān)材料因為溫差產(chǎn)生的形變的應(yīng)力。

2.3 溫度分布

用ANSYS 軟件模擬得到該螺栓的溫度分布圖，見圖4。

結(jié)果表明：在兩側(cè)溫差的作用下，可以明顯看出斷橋螺栓在在斷橋處顯著有效的阻礙了熱的傳遞。

2.4 螺栓的傳熱的計算

前提條件：對保溫螺栓按一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱近似計算：

2.4.1 邊界條件

左側(cè)溫度t1=20 ℃；右側(cè)溫度t1=0 ℃；兩側(cè)溫度差Δt=20 ℃

2.4.2 基本物性

變徑斷橋式螺栓總長度l1＝0.066 m；螺栓外側(cè)大經(jīng)碳鋼長度l1＝0.018 m；

螺栓斷橋處環(huán)氧樹脂長度l3＝0.006 m；螺栓內(nèi)測小徑碳鋼長度l4＝0.012 m；

螺栓一側(cè)大小徑總長度l5＝0.03 m；環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.4.3 一維穩(wěn)態(tài)下的傳熱量

根據(jù)一維穩(wěn)態(tài)下的傳熱方程式：Φ=AKΔt。

變徑斷橋式螺栓的熱流量：Φ1=AK1Δt=7.29×10-2W。

同規(guī)格普通螺栓的熱流量：Φ2=AK2Δt=2.05 W。

3 力-位移變化曲線試驗研究

試驗方法如下所述：

1）隨機在多個變徑斷橋式螺栓中，利用隨機取樣的方法，抽取3 個螺栓進行試驗。

2）分別對三個變徑斷橋式螺栓進行單向拉伸試驗。

其中一組的試驗力-位移變化曲線如圖5 所示，部分具有代表性的數(shù)據(jù)點如表1 所示。

實驗測試變徑斷橋式螺栓的抗拉強度，多次實驗取平均值，平均抗拉力是2 553 N，抗拉強度22.57 MPa。

4 結(jié)論

通過對生活中的普通鍍鋅螺栓進行改造，使其變成帶有斷橋式結(jié)構(gòu)的節(jié)能型變徑斷橋式螺栓。該螺栓斷橋式結(jié)構(gòu)能阻斷熱量的傳遞，變徑結(jié)構(gòu)能增強螺栓整體連接性。在功能上滿足承受溫室結(jié)構(gòu)荷載的要求，具有隔熱能力，有很好的保溫作用，可以有效解決溫室結(jié)構(gòu)天溝連接處形成冷熱橋的問題。

1）模型計算結(jié)果分析：在最不利條件下（忽略斷橋處以外的其余環(huán)氧樹脂部分的影響），變徑斷橋式螺栓的熱損僅為同規(guī)格下普通碳鋼螺栓的3.6%，即可認(rèn)為變徑斷橋式螺栓可以使保溫性能提高96.4%。

2）力學(xué)實驗結(jié)果分析：實驗測試斷橋式螺栓的平均抗拉力是2 553 N，抗拉強度22.57 MPa，其力學(xué)性能滿足節(jié)能型變徑斷橋式螺栓正常工作下的荷載。