现浇混凝土聚苯板外墙外保温体系热结构耦合分析

赵廷胜

(山东潍坊公安消防支队，山东潍坊 261061)

1 热结构耦合分析模型

1.1 现浇混凝土聚苯板外墙外保温体系基本构造

以某剪力墙住宅中现浇混凝土聚苯板外墙外保温体系为研究对象，其基本构造如图1所示，基层墙体为200 mm混凝土，室内抹灰砂浆厚度为20 mm，墙体外侧采用10 mm后黏结砂浆粘贴聚苯板，聚苯板外侧采用5 mm砂浆抹面。选取局部带窗洞的墙体为研究对象，根据圣维南原理，模型四周分别延伸400 mm，具体尺寸如图2所示。

图1 现浇混凝土聚苯板外墙外保温体系基本构造Fig.1 The construction details of cast－in－situ concrete polystyrene board

图2 带窗洞模型立面尺寸Fig.2 Facade dimensions of a wall model with one opening

1.2 材料特性

现浇混凝土聚苯板外墙外保温体系涉及现浇混凝土、砂浆和聚苯板三种材料，其中现浇混凝土强度等级为C30，依据《民用建筑热工设计规范》GB 50176－93［4］确定其性能参数;聚苯板和砂浆的性能参数采用耐候性试验数据［5］，各材料的性能参数见表1。

表1 材料性能参数Table 1 The properties of various materials

1.3 基本假定

(1)各层材料为均匀连续、各向同性，各层之间紧密联系，不考虑空气间层的作用。

(2)各实体单元都是一个理想的整体，忽略每块聚苯板与周围聚苯板之间板缝的影响。

(3)忽略砂浆中掺入聚合物对材料性能参数的影响［6］。

(4)因本文分析的是外墙外保温体系在开裂之前的温度和变形分布规律，故仅考虑体系在弹性阶段的工作情况。

1.4 方案设计

本文设计3种不同厚度的聚苯板外墙外保温体系作为数值计算方案，其中，工况1聚苯板层厚度为25mm，工况2聚苯板层厚度为50mm，工况3聚苯板层厚度为75mm，其余材料层厚度详见图1所示。温度荷载的取值依据《外墙外保温工程技术规程》JGJ 144－2004［7］取值，即高温环境条件下在外保温复合墙体的内表面施加室内正常温度26℃，外表面施加室外最不利温度载荷70℃;骤降暴雨条件下室内温度仍为26℃，室外温度降为15℃。两种温度荷载对应的编号规则:高温环境为工况i－1，骤降暴雨为工况i－2，其中 i=1，2，3。

1.5 模型建立

采用三维耦合场体单元SOLID5模拟外墙外保温体系各材料层，SOLID5具有三维磁场、热场、电场、压电场和结构场分析能力，并能在各场之间实现有限的耦合。其具有8个节点，每个节点最多有6个自由度。本文采用大型通用有限元软件ANSYS参数化建模技术(APDL)开展热结构耦合分析，其提供了直接法和间接法两种求解方法。直接法是指直接采用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得到热分析和结构应力分析的结果［8］，故本文采用该方法。在建立模型时，为更加真实的反映实际结构，充分考虑周边外墙、楼板等对所选区域的影响，将模型四周边界的现浇混凝土基层墙体按固定端考虑，其他位置自由。

2 热结构耦合分析

2.1 温度场分析

2.1.1 温度沿墙体厚度的变化 温度场在外墙外保温复合墙体的厚度方向各层都均匀分布，且同一厚度上温度值相同。图3所示为各工况温度沿墙体厚度的变化曲线，其中工况1－1、工况2－1和工况3－1为高温环境下的变化曲线，工况1－2、工况2－2和工况3－2为骤降暴雨环境下的变化曲线。分析图3表明，室内抹灰砂浆层、现浇混凝土基层墙体和黏结砂浆层在高温环境和骤降暴雨环境的温度变化均较平缓，温度增幅或减幅均较小;聚苯板层两侧温度变化幅度很大，墙体最外侧抹面砂浆层温度最高。

图3 温度沿墙体厚度的变化曲线Fig.3 Temperature curves for the thickness of the wall

表2 各工况每种材料温差变化Table 2 Temperature changes for each material on different conditions

2.1.2 每种材料的温差变化 表2为各工况沿外墙外保温复合墙体厚度方向的温度值变化范围和各种材料温差变化值。分析表2可看出，温差最大的材料层为聚苯板层，温差值的变化与聚苯板层的厚度相关。以高温环境下的3种工况为例，当聚苯板层厚度为25mm时，聚苯板层的温差为35.02℃，混凝土基层墙体的温差为7.36℃;当聚苯板层厚度为50mm时，聚苯板层的温差为39℃，混凝土基层墙体的温差为3.93℃;当聚苯板层厚度为75mm时，聚苯板层的温差为40.54℃，混凝土基层墙体的温差为2.73℃。分析亦表明，聚苯板层由25mm增至50mm时的温差显著大于由50mm增至75mm时，混凝土基层墙体温差的变化幅度亦呈该特点。

温度场的综合分析表明，聚苯板层温差变化幅度最大，这充分说明聚苯板层具有良好的隔热效果，但聚苯板层在巨大温差下的强度、尺寸稳定性和耐候性等指标是否满足工程要求值得深入研究。

2.2 变形分析

2.2.1 变形沿墙厚方向的变化 墙体在温度应力作用下将产生变形，本文以沿着墙体长度方向(X方向)的变形为例，分析各工况下变形沿墙体厚度方向的变化规律。图4所示为X方向变形最大处对应的X方向变形沿墙体厚度的变形曲线。分析图4表明，室内抹灰砂浆层、现浇混凝土基层墙体和黏结砂浆层在高温环境和骤降暴雨环境的X方向变形量较小且变化幅度较小;从黏结砂浆外表面即聚苯板层内表面开始，X向变形突然增大，X向变形最大处多出现在聚苯板层外表面附近区域或抹面砂浆层外表面。

图4 X向变形沿墙厚方向的变化曲线Fig.4 X axile deformation curves for the direction of the wall thickness

2.2.2 变形最大值 表3为高温环境和骤降暴雨环境各工况各方向对应的最大变形。分析表3可知，对应工况下，高温环境的变形约是骤降暴雨环境相应变形的2倍，沿墙体高度方向的变形略大于沿墙体长度方向的变形。各工况下沿墙体长度方向和高度方向的变形趋势均朝窗洞中心，图5所示分别为工况2－1的长度方向和高度方向变形云图。骤降暴雨环境3种工况沿墙体厚度方向的变形均朝墙体外表面，即墙体外表面外凸。高温环境沿墙体厚度方向的变形与聚苯板层厚度相关，聚苯板层为25mm厚时，沿墙体厚度方向的变形在窗洞附近内凹，远离窗洞一定距离的区域呈外凸;聚苯板层为50mm厚时，沿墙体厚度方向的变形内凹区域较聚苯板层25mm时减小，以外凸为主;当聚苯板层为75mm厚时，沿墙体厚度方向的变形均呈外凸。

通过变形分析表明，温度变化条件下，外墙外保温复合墙体将发生膨胀或收缩变形。外墙外保温复合墙体外表面变形显著大于内表面变形，聚苯板层具有较好的塑性能够适应较大变形，而砂浆层变形能力较小，不能适应这种变形，往往导致砂浆层首先开裂，这与实际工程中的病害是吻合的;窗洞四周附近变形较大，是容易出现裂缝或脱落问题的地方，应当引起重视并采取必要的加强措施。

表3 变形最大值Table 3 The maximal deformation value

图5 工况2－1变形云图Fig.5 The contour for case2－1

3 结论

(1)高温环境导致的膨胀，骤降暴雨导致的收缩是引起现浇混凝土聚苯板外墙外保温墙体开裂的主要因素之一，窗洞四周引起的变形最大，是易开裂处之一。

(2)聚苯板层具有良好的隔热效果，但聚苯板在巨大温差下的耐候性和使用寿命问题应引起重视，值得深入研究。

(3)聚苯板层厚度影响温度和变形沿墙体厚度的变化，随着聚苯板层厚度的增加，聚苯板层两侧的温差变大，但增幅放缓。

(4)由于保温材料与基层材料之间性能差异较大，导致两种材料交界处的温度和变形发生突变，对抗裂性能很不利，研发柔性渐变技术是外墙外保温复合墙体新的发展方向。

［1］M.A.Hatzinikolas.Exterior wall assemblies in extreme climate［C］.International conference on energy efficiency in building in China，2001，19－27

［2］金洁，胡健，余恒鹏.建筑外墙外保温系统薄抹面层抗开裂性能研究［J］.四川建筑科学研究，2011，37(6):258－261

［3］杨秀燕.EPS薄抹灰外墙外保温系统的开裂成因与对策研究［D］.山东建筑大学硕士学位论文，2011

［4］GB 50176－93，民用建筑热工设计规范［S］.北京:中国计划出版社，1993

［5］项道阳.薄抹灰外墙外保温系统耐候性试验研究［D］.北京工业大学硕士学位论文，2008

［6］任玲玲，童丽萍.夏季极端环境下住宅墙体EPS保温体系热结构耦合分析［J］.郑州大学学报(工学版)，2010，31(4):15－18，72

［7］JGJ 144－2004，外墙外保温工程技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2005

［8］张朝晖.ANSYS热分析教程与实例解析［M］.北京:中国铁道出版社，2007