摘 要：【目的】為切實降低建筑碳排放，滿足“雙碳”發(fā)展背景下建筑業(yè)的發(fā)展要求。【方法】通過對一種新型裝配式混凝土夾芯拱形屋蓋進行分析，探討該結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)形特點，研究空間曲面夾芯拱形板的力學性能、熱工性能及裝配施工技術(shù)。【結(jié)果】研究表明，裝配式混凝土夾芯拱形屋蓋力學性能好、承載能力高，夾芯保溫層能夠有效改善熱工性能，屋蓋單元的預制生產(chǎn)、裝配施工方便。【結(jié)論】根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計分析方法，研究了混凝土夾芯拱形屋蓋的關(guān)鍵裝配施工技術(shù)，并提出了優(yōu)化策略和建議。本研究可為我國寒冷采暖地區(qū)裝配式建筑的發(fā)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞：拱形屋蓋；混凝土夾芯板；力學性能；熱工性能；裝配施工

中圖分類號：TU375.2" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）02-0064-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.02.012

Performance Analysis of Prefabricated Concrete Sandwich Arch Roof

YING Qianyi1" " WANG Hongqi2" " HU Guozhuang1" " CHENG Maili1

（1.School of Architectural Engineering，Yan'an University，Yan'an 716000，China; 2.SCEGC NO.13 Construction Engineering Group Co.， Ltd.， Yan'an 716000， China）

Abstract： [Purposes] In order to effectively reduce carbon emissions of buildings and meet the development requirements of the construction industry under the background of" \"Carbon Peaking and Carbon Neutrality Goals\". [Methods] This paper analyzes a new prefabricated concrete sandwich arch roof， discusses the spatial configuration characteristics of the structure， and studies the mechanical properties， thermal properties and assembly construction technology of the space curved sandwich arch panel. [Findings] The research shows that the prefabricated concrete sandwich arch roof has good mechanical properties and high bearing capacity， the sandwich insulation layer can effectively improve the thermal performance， and the prefabrication and assembly construction of the roof unit are convenient. [Conclusions] According to the analysis method of building structure design， the key assembly and construction technology of concrete sandwich arch roof was studied， and the optimization strategy and suggestions were given.This study can provide reference for the development of prefabricated buildings in cold heating areas in China.

Keywords： arched roof; concrete sandwich panel; mechanical property; thermal performance; assembly construction

0 引言

隨著我國建筑工業(yè)化的持續(xù)發(fā)展，裝配式建筑以其良好的拼裝施工性能和低碳節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢，逐漸成為建筑業(yè)的發(fā)展趨勢。《“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中明確指出：裝配式建筑要在2035年前達到新建建筑比例的30%以上。全國各省市也制定了相關(guān)發(fā)展目標和建設(shè)方案。

據(jù)統(tǒng)計，我國由建筑施工使用直接或間接消耗的能源約占全社會總能耗的46.7%［1］，推進建筑業(yè)節(jié)能發(fā)展刻不容緩。對于普通高耗能建筑，其耗能70%以上是由其圍護結(jié)構(gòu)的傳熱耗散引起的，屋面?zhèn)鳠嵴急燃s10%［2］。因而，采取合理的建筑措施降低建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱量耗散是建筑節(jié)能減排的重要方式。

通過分析夾芯板的協(xié)同受力機制，本研究提出一種新型的裝配式混凝土夾芯拱形屋蓋結(jié)構(gòu)。該類結(jié)構(gòu)通過在內(nèi)外混凝土面板中部布設(shè)阻熱性能優(yōu)良的保溫隔熱組件，提升屋蓋的保溫性能，同時屋蓋的拱形設(shè)計使得結(jié)構(gòu)具有承載能力高、建筑效果好等優(yōu)點。本文通過對裝配式混凝土夾芯拱形屋蓋結(jié)構(gòu)進行力學性能、熱工性能及裝配施工分析，探討了該新型復合建筑屋蓋結(jié)構(gòu)的各項優(yōu)勢，研究成果對寒冷采暖地區(qū)的建筑節(jié)能發(fā)展有一定的借鑒意義。

1 裝配式混凝土夾心拱形屋蓋

裝配式混凝土夾芯拱形屋蓋是一種集結(jié)構(gòu)承載、節(jié)能減排、裝配施工和建筑美學于一體的新型空間建筑圍護結(jié)構(gòu)?；炷翃A芯拱形屋蓋由內(nèi)拱板、保溫層、外拱板和支承梁等四部分組成。

為提高屋蓋結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的承載能力，將屋蓋構(gòu)件外形設(shè)計為拱形。在內(nèi)外混凝土拱板間設(shè)置拉結(jié)鋼筋，使得夾層板結(jié)構(gòu)內(nèi)外拱板協(xié)同受力。通過在內(nèi)外混凝土拱板布設(shè)鋼筋網(wǎng)片，進一步提高結(jié)構(gòu)承載力。在屋蓋內(nèi)外混凝土拱板間布設(shè)保溫隔熱夾芯層建筑材料，提高屋蓋結(jié)構(gòu)的保溫性能，以達到節(jié)能減排的目的?；炷翃A芯拱形屋蓋空間構(gòu)造如圖1所示。拱形屋蓋有效發(fā)揮了拱形建筑結(jié)構(gòu)的承載優(yōu)勢，同時保溫隔熱性能好、空間造型美觀、裝配施工方便，是一種性能良好的屋面承載構(gòu)件。

2 夾芯屋蓋力學性能

拱形屋蓋的力學承載性能主要受截面構(gòu)造、邊界支承及荷載分布等因素影響。

2.1 夾芯板受力分析

雷霆［3］通過開展混凝土拱板靜載試驗，研究了拱板結(jié)構(gòu)的力學性能，分析認為混凝土拱板適用于跨度大、防水要求高的屋面結(jié)構(gòu)。劉朋等［4］通過對壓型鋼板拱形屋蓋的3種支座進行試驗研究，結(jié)果表明，半剛性鋼板支座受力好，且支座鋼板剛度能給予薄壁拱支座一定受力角度的調(diào)整，有助于避免施工偏差導致的支座屈曲問題。

對于平面的夾芯板，李硯波等［5］通過對混凝土夾芯板受彎構(gòu)件模型進行正截面全過程計算分析，借助Matlab軟件計算和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)分析理論，提出了求解混凝土夾芯板受彎構(gòu)件截面受壓區(qū)高度的方法以及正截面受彎承載力的計算公式見式（1）。

式中：M為截面彎矩設(shè)計值；fy為下層鋼絲屈服強度；As為鋼絲截面積；h0為有效截面高度；x為修正后等效受壓區(qū)高度。

此外，李硯波等［6］還采用ANSYS軟件對偏壓作用下混凝土夾芯承重墻板的力學性能進行了非線性分析，提出了夾芯墻板承載力計算公式見式（2）。

式中：N為構(gòu)件偏壓承載力；α1為等效矩形系數(shù)；fc為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值；t1為單側(cè)混凝土板厚度；f ′y、、f ′py分別為鋼筋、鋼絲抗壓強度設(shè)計值；A′s1、A′s2分別為鋼筋、鋼絲面積；ψ、ξ分別為混凝土、鋼筋和鋼絲與內(nèi)外側(cè)荷載比值相關(guān)的系數(shù)，其中ψ=1.022e0.707α，ξ=0.641α+0.495，α為外、內(nèi)側(cè)混凝土所承受面荷載比值。

涂杰等［7］通過對聚苯乙烯夾芯板進行抗彎承載力試驗，提出了承載力的計算公式見式（3）、式（4）。

以上式中：λ為受拉鋼絲屈服應變折減系數(shù)；As1、As2分別為底部鋼絲受拉面積和附加鋼筋面積；fy1、fy2分別為底部鋼絲、附加鋼筋的名義受拉極限強度；h0為截面有效高度；x為相對受壓區(qū)高度。

2.2 夾芯拱板計算模型

拱板結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下主要承受軸向壓力，時空變異的分布荷載會引起附加彎矩內(nèi)力，彎矩內(nèi)力對拱結(jié)構(gòu)的截面應力分布及設(shè)計有重要影響。不同連接件數(shù)量下拱形夾芯板應變分布情況如圖2所示。由圖2可知，相同荷載作用下拱截面應變隨連接件數(shù)量增加而趨于飽滿，內(nèi)外混凝土拱板協(xié)調(diào)受力，表明橫向連接件能有效改善夾芯板的整體受力性能，從而提高該類復合構(gòu)件的承載能力。

3 混凝土夾芯板熱工性能

通過在混凝土拱板間布設(shè)保溫隔熱夾芯層，可以提高混凝土夾芯板的熱工性能。夾芯層厚度及拱板結(jié)構(gòu)的空間布置是夾芯板熱工性能衡量及節(jié)能性的重要影響因素。

3.1 夾芯板的熱工指標

郭大鵬［8］通過建立考慮朝向和熱橋影響的夾芯墻板能耗計算與保溫層厚度優(yōu)化模型，發(fā)現(xiàn)圍護結(jié)構(gòu)保溫層經(jīng)濟厚度受外墻、屋面熱工性能的影響。李健等［9］通過對比夾芯板和常用保溫外墻的熱工性能，定義了熱惰性系數(shù)γ，并給出了熱惰性指標D的計算公式見式（5）、式（6）。

以上式中：δ為材料厚度；R為各材料熱阻；S為各材料蓄熱系數(shù)；λ為材料的導熱系數(shù)。

蘇波等［10］通過研究方管增強型GFRP夾心屋面板的傳熱性能，并基于結(jié)構(gòu)特點和等效傳熱理論，提出了夾芯板的熱傳遞系數(shù)計算公式見式（7）。

式中：q為單位時間通過夾芯板熱流密度；?t為平板兩側(cè)溫差；k為平板導熱率；d為平板厚度。

李建華等［11］利用穩(wěn)態(tài)熱傳遞性質(zhì)測定系統(tǒng)研究了不同厚度彩鋼夾芯板的傳熱性能，通過分析試件兩側(cè)箱體中試件的表面溫度、空氣溫度等參數(shù)，推導出了傳熱系數(shù)計算公式見式（8）、式（9）。

以上式中：Q1為通過計量箱壁的熱流量；M1為計量箱壁熱流系數(shù)；tis為計量箱內(nèi)表面溫度；tes為熱室中計量箱外表面溫度；Qp為總輸入功率；tni為試件熱側(cè)環(huán)境溫度；tne為試件冷側(cè)環(huán)境溫度；K0為圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)；A為計量面積。

3.2 混凝土夾芯屋蓋熱工性能分析

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)夾芯結(jié)構(gòu)的熱工性能研究，本研究提出的混凝土夾芯拱形屋蓋結(jié)構(gòu)的熱工性能主要受夾芯層材料的導熱系數(shù)、厚度及夾芯拱板的冷橋布設(shè)等的影響?？山梃b相關(guān)混凝土夾芯板的熱工指標計算方法，結(jié)合夾芯屋蓋的空間構(gòu)造，利用理論分析推導出不同保溫材料的經(jīng)濟保溫層厚度?，F(xiàn)有的相關(guān)試驗及理論均能較好反映夾芯板結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能，滿足節(jié)能規(guī)范在相關(guān)工程的實踐應用。

4 屋蓋裝配施工

裝配式建筑在我國發(fā)展起步較晚，關(guān)于異形構(gòu)件的預制生產(chǎn)、安全運輸、吊裝施工及連接裝配還存在許多問題。

4.1 屋蓋構(gòu)件的生產(chǎn)

對于空間異形混凝土構(gòu)件的預制施工，朱頌林等［12］提出了一種節(jié)能空間曲面大板屋蓋，并研究了空間拱板結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)，提出通過在地面預設(shè)胎膜，形成空間拱形屋蓋的底模，再通過分塊澆筑施工完成整個屋蓋的生產(chǎn)。該方法要求拱板結(jié)構(gòu)在預制生產(chǎn)時下弦板地胎膜表面應平整、干凈，以確保下弦板鋼筋混凝土保護層厚度滿足要求。

錢鋒［13］針對兩個藝術(shù)清水混凝土中空曲面薄殼結(jié)構(gòu)，分析探討了施工技術(shù)及工藝，該兩工程中的空間薄殼結(jié)構(gòu)均采用滿堂支架形式進行現(xiàn)場澆筑混凝土，施工控制技術(shù)要求較高。黃良瑞［14］根據(jù)空間拱形屋蓋結(jié)構(gòu)的現(xiàn)澆施工需要，對曲面拱形屋蓋的支模體系和澆筑方法進行研究，分析了屋蓋下面板及上面板模具支撐體系方案。

與傳統(tǒng)現(xiàn)澆樓蓋相比，裝配式混凝土夾芯拱形屋蓋的預制生產(chǎn)面臨一些挑戰(zhàn)。對于夾芯板的布設(shè)及混凝土澆筑要充分考慮施工脹模、芯板上浮錯位等質(zhì)量風險，采取定制鋼模、立式分層澆筑等方式可實現(xiàn)屋蓋構(gòu)件節(jié)段的高質(zhì)量預制生產(chǎn)。

4.2 吊裝施工

卜國平等［15］通過對某混凝土夾芯拱形屋蓋結(jié)構(gòu)的吊裝施工進行有限元模擬分析，研究了該屋蓋在構(gòu)件存放、起吊安裝等不同施工階段下構(gòu)件的應力及變形規(guī)律，提出了構(gòu)件存放及吊裝施工可采取的支護措施建議，對該類構(gòu)件的吊裝施工有一定的借鑒意義。采用的有限元分析模型如圖3所示。

4.3 裝配連接

國內(nèi)外關(guān)于混凝土裝配式施工構(gòu)件的連接方法主要有錨栓連接、螺栓連接、焊接連接、企口連接等。為提高夾芯拱形屋蓋的裝配施工效率，改善結(jié)構(gòu)受力性能，本研究提出的裝配式混凝土夾心拱形屋蓋在拱腳支承梁底部設(shè)置預埋鋼板，在裝配施工過程中借助焊接連接，使得屋蓋與支承梁形成良好的傳力路徑，提高裝配式施工效率，同時改善屋蓋結(jié)構(gòu)受力性能。拱形屋蓋的連接構(gòu)造三維圖如圖4所示。

5 結(jié)語

裝配式混凝土夾芯拱形屋蓋具有較好的承載性能及保溫隔熱性能，可廣泛應用于我國寒冷采暖地區(qū)的建筑中。隨著我國裝配式建筑及“雙碳”政策的逐步落實，裝配式夾芯拱形屋蓋結(jié)構(gòu)能夠較大程度滿足建筑工業(yè)化的發(fā)展趨勢，同時可以改善室內(nèi)人居環(huán)境，節(jié)能減排，為實現(xiàn)建筑業(yè)的低碳發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

參考文獻：

［1］費若雯.河北省超低能耗建筑的被動式設(shè)計策略研究［D］.石家莊：石家莊鐵道大學， 2022.

［2］馬文斐. 承重保溫一體化樓板及墻板熱工性能研究［D］.濟南：山東建筑大學， 2022.

［3］雷霆.預應力混凝土拱板屋面靜載試驗研究［D］.廣州：華南理工大學， 2010.

［4］劉朋，王連廣.壓型鋼板拱形屋面支座試驗研究［J］.鋼結(jié)構(gòu)， 2013， 28（1）： 10-12，29.

［5］李硯波，張紹杰.混凝土夾芯板正截面受彎承載力的計算分析［J］.低溫建筑技術(shù)， 2013（1）： 54-56.

［6］李硯波，李慧，戴自強.偏壓作用下混凝土夾芯墻板理論研究［J］.低溫建筑技術(shù)， 2012（10）： 16-18.

［7］涂杰，李硯波，趙仲星，等.聚苯乙烯夾芯板抗彎承載力的研究［J］.低溫建筑技術(shù)， 2006（2）： 78-79.

［8］郭大鵬.寒冷地區(qū)既有居住建筑節(jié)能改造圍護結(jié)構(gòu)保溫層厚度優(yōu)化研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學， 2019.

［9］李健，鈕瑞艷.金屬面夾芯板的保溫隔熱性能分析［J］.新技術(shù)新工藝， 2015（3）： 113-115.

［10］蘇波，陳家樂，張摶，等.方管增強型GFRP夾芯屋面板的傳熱性能［J］.江蘇大學學報（自然科學版）， 2020， 41（1）： 93-98.

［11］李建華，陳文婧.彩鋼夾芯板熱工性能研究及分析［J］.低溫建筑技術(shù)， 2018， 40（11）：112-114.

［12］朱頌林，齊秀增.新型節(jié)能拱形屋面大板［J］.建筑技術(shù)， 1996， 23（11）： 761-762.

［13］錢鋒.多曲率拱中空拱殼藝術(shù)清水混凝土施工技術(shù)［J］.建筑施工，2021，43（8）： 1482-1484.

［14］黃良瑞.21 m跨糧倉原位現(xiàn)澆無梁薄殼拱形屋面板模板支撐體系及混凝土施工技術(shù)探析［J］. 中國科技縱橫，2017（8）：129-130.

［15］卜國平，程麥理，王弘起， 等.裝配式混凝土夾芯拱形屋蓋施工階段力學性能研究［J］. 新型建筑材料， 2022， 49（11）： 111-115，159.