现浇脲醛树脂外墙外保温系统实验与仿真

郑圆 王力 夏赟

摘 要：为了设计以脲醛树脂泡沫保温材料为保温层的外墙外保温系统，首先对各部件材料进行材性试验，给出相应的材料参数;其次采用硅钙装饰板为外模板，设计两种外墙外保温系统方案，并应用有限元软件ABAQUS建模，针对两种方案在温度变形、失水收缩以及风荷载下的受力性能进行模拟分析，给出两种方案的构造措施;最后采用ABAQUS中的brittle cracking本构模型模拟脲醛树脂的本构关系，探究保温层因裂缝扩展而形成热桥的可能性。研究表明：针对哈尔滨等严寒地区的高层建筑，所提出的外墙外保温系统方案满足安全性和经济性要求，同时对建筑高度为30米以下的外墙外保温系统，建议选用Ф24mm的圆柱形ABS塑料连接件和厚度6mm的硅钙装饰板，可同时保证结构安全且不产生热桥。

关键词：脲醛树脂;外墙外保温系统;ABAQUS模拟;裂缝模拟

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.008

中图分类号： TU352.59

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）06-0040-06

Abstract：In order to design exterior wall external insulation system as urea formaldehyde is taken as the insulating layer some material experiments are carried out to determine the material parameters of all parts in the system. Two schemes of exterior wall external insulation system are designed which use calcium silicate boards as exterior formwork. The finite element software ABAQUS is utilized to simulate two systems under temperature deformation shrinkage of insulating layer and wind load by model building. Constructional measures of both schemes are put forward. Finally urea formaldehyde foam insulation uses the brittle cracking constitutive model in ABAQUS as its constitutive relation to investigate the possibility of insulating layer forming into heat bridge because of crack propagation. The numerical results show that the schemes of exterior wall exterior insulation system for civil high buildings in severe cold area like Harbin can meet the demand for safety and economy. It is recommended that Ф24mm cylindrical ABS connectors and 6mm thick calcium silicate boards should be chosen in exterior wall external insulation system when the building height is below 30m. These can meet not only the demand for safety but also the rules of not forming heat bridge in the insulation layer.

Keywords：urea formaldehyde; exterior wall external insulation system; ABAQUS simulation; crack simulation

0 引 言

目前國内常用聚苯板作为建筑墙体的保温材料，但其易燃特性，给人们生命财产安全带来了巨大隐患[1]，因此采用不易燃烧的新型保温材料替代聚苯板，会有很好的市场前景[2]。脲醛树脂泡沫保温材料（UFFI）是一种燃烧性能等级达B1级的有机保温材料[3]，即使遇明火也不会燃烧或快速熔融[4]，同时它还兼具聚苯板的保温性能和廉价的优点[5]，是聚苯板很好的替代产品。

脲醛树脂泡沫保温材料是由尿素和甲醛先后发生加成和缩合反应[6-7]，再加入酸类固化剂和发泡剂后，得到的固化产物。该材料在俄罗斯已广泛应用几十年[8]，但在国内还属于新型保温材料，仅在夹芯保温结构中的现浇墙体保温和屋顶保温中应用[9]。目前还没有对其进行过较系统的研究，实际应用中存在的问题也没有解决，而对其在建筑节能的外墙外保温系统中的应用至今无人研究。

本文提出的现浇脲醛树脂外墙外保温系统是采用硅钙装饰板为外侧免拆模板，用基墙做内侧模板，通过连接件将内外两侧模板连接成截面尺寸准确的空腔构造，在空腔内浇筑UFFI脲醛树脂泡沫所形成的外墙外保温系统[10-11]，如图1所示。

1 材性试验

该外墙外保温系统中连接件材料采用ABS塑料[12]。为了对该系统进行有限元分析，对系统采用的各类材料进行了必要的材性试验，包括密度、抗拉强度、抗剪强度、弹性模量、泊松比等试验。在有限元分析模型中考虑部件材料间的相互作用，引入摩擦系数，并通过试验测定脲醛树脂分别与ABS塑料、硅钙板和混凝土之间的摩擦系数。相关试件及试验如图2所示，试验结果见表1。

2 有限元分析

采用ABAQUS有限元软件进行模拟分析，该系统的有限元模型由4部分组成：硅钙装饰板、保温层、基墙及连接件。根据不同的设计要求，对所提出的外墙外保温系统方案进行优化设计，提出合理的尺寸构造方案，并探究外墙外保温系统中保温层因裂缝扩展而形成热桥的可能性。本研究以哈尔滨地区为例。

2.1 外墙外保温系统分析

2.1.1 方案1有限元模型

选取600mm×600mm范围内的保温系统，本方案所建立的模型中部均匀布置四个连接件，间距400mm，每个连接件距离装饰板边缘100mm，形状为圆柱体。图3为该方案有限元模型整体及局部效果图。模型中各部件的材料及尺寸见表2。

2.1.2 方案2有限元模型

由于方案1装饰板四边是自由边，在实际应用中要在每块装饰板的四周做企口，使板与板能搭接在一起，并且需预制四个孔来固定连接件，装饰板制作工艺较复杂，因此设计了方案2。

方案2的连接件截面为十字形，建立9块装饰板范围内的有限元模型，每块裝饰板的规格依然采用600mm×600mm，脲醛树脂保温层厚度100mm，图4为该方案有限元模型效果图。

模型中各部件均采用实体单元C3D8R，连接件与外层装饰板、内层基墙的接触面采用Tie约束，而在中间保温层与其它部件的接触面上，法向方向建立硬接触（Hard Contact），切向方向采用罚摩擦（Penalty）来模拟[13]。模型材料参数根据材性试验结果进行设定。

由于外墙外保温系统主要承担自重和风荷载作用，同时考虑脲醛树脂现浇后失水收缩和温度收缩性能，因此在定义模型分析步时分为三个分析步，以分别考虑三类荷载作用对该系统的影响。第一个分析步模拟模型承受重力作用。第二个分析步模拟中间保温层失水收缩和温度收缩作用，此分析步中通过设定脲醛树脂的线膨胀系数，以及定义初始温度和终止温度的方法，来实现保温层收缩变形的效果[14]。第三个分析步模拟风荷载对结构的作用，拟按照三种不同建筑高度进行分析，即在某高层建筑的10层（30m）、20层（60m）和30层（90m）位置处，参考《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）中哈尔滨地区的基本风压，按C类地面粗糙度，计算普通民用住宅围护结构的风吸和风压荷载标准值，先后作用在该系统的装饰板上，进行有限元模型的受力分析，计算结果见表3。

2.1.3 模拟结果与分析

由于模型中各构件的受力形式主要为拉应力，而连接件材料（ABS塑料）和装饰板材料（硅钙板）都是脆性材料，因此基于第一强度理论，设计连接件尺寸时，其最大拉应力和最大剪应力应分别小于材料的抗拉强度和抗剪强度[15];设计装饰板厚度时，其最大主应力应小于材料抗拉强度，同时装饰板平面外偏离保温层的距离需控制在规范规定的3mm范围内。

通过理论分析和有限元计算结果发现，连接件的受力比较复杂，除了受面内的拉力外，还受剪力、弯矩和扭矩作用。因此，在进行有限元计算前，通过修改inp文件可输出连接件端部控制截面内的力和力矩，根据材料力学原理进行分析计算，从而得到连接件的最大拉应力和剪应力。同时根据有限元计算结果发现，在相同的构件尺寸条件下，结构在风吸作用下，四类控制参数数值均大于风压作用的计算结果，因此依据风吸作用下的四类控制参数计算结果来设计构件尺寸。

经计算分析得到在风吸作用下，方案1四类构件控制参数在三种建筑高度（30m、60m和90m）下的计算结果，以表4、表5为例;方案2的计算结果，以表6为例。根据材性试验及相关规范得到的ABS塑料和硅钙板的4个控制指标，如表7所示。

将四类控制参数的计算结果与表7中材料的控制指标进行比较，从而提出经济合理并具有一定安全储备的尺寸构造方案。对方案1，当建筑高度为30m、60m及90m以下时，建议分别采用直径24mm、厚度6mm，直径26mm、厚度6mm，直径28mm、厚度8mm的连接件和装饰板;对方案2，当建筑高度为30m、60m及90m以下时，建议采用10mm×50mm的十字形连接件和厚度10mm的硅钙装饰板。

以30m以下建筑高度为例，方案1和方案2外墙外保温系统平面布置如图5、图6所示。

2.2 保温层裂缝扩展分析

2.2.1 有限元模型

保温层材料采用的脲醛树脂是一种脆性材料，抗拉强度较低，易开裂，考虑到裂缝对其保温效果影响较大[16]，因此采用有限元软件模拟的方法，进行优化设计，减少保温层材料的裂缝开展，避免由于开裂后形成的裂缝区域过大而产生热桥。鉴于脲醛树脂受压为线弹性而受拉为脆性的特点，在上述方案1有限元模型的基础上，选用ABAQUS中的脆性裂缝本构模型（brittle cracking）作为脲醛树脂材料的本构关系[17-18]。由于该本构模型只能在显式分析中应用，因此整个模型改用显式分析Explicit进行计算。为显示出保温层裂缝扩展区域，应用了ABAQUS中单元失效的概念，增加场变量STATUS的输出[19]。要判断材料任一点是否开裂主要是根据该点处最大主应力的大小[20]，通过上述有限元模型的计算结果发现，风荷载作用对于保温层最大主应力的影响很小（风吸情况降低0.3%，风压情况提高0.2%），因此本模型中仅考虑重力和保温层收缩变形的影响。

2.2.2 模拟结果与分析

本文只对方案1进行分析，根据有限元模拟建筑高度30m处的计算结果可知，保温层裂缝集中出现在连接件附近。裂缝开展近似呈十字形，主要是因为连接件阻止保温层的收缩变形，以致于在靠近连接件附近的材料内部应力达到开裂强度而产生裂缝[21]。当分析步进行到0.6时（相当于收缩应变为9.72×10-3），上层连接件附近保温层首先出现细微裂缝，裂缝开展的方向与对角连接件的连线近似垂直，裂缝区域的宽度为1.6mm、长度为7mm。随着保温层继续收缩变形，上层裂缝逐渐扩展，同时下层连接件附近保温层也开始出现裂缝，且与上层裂缝开展方向类似。最后，每个连接件附近均出现两处裂缝，而位于上层的裂缝区域最大，宽度为5.2mm、长度为45mm。其余各裂缝区域，均在宽度3.5mm、长度25mm左右，上层左侧连接件附近的保温层裂缝区域如图7所示。

裂缝区域特点：由于保温层收缩变形以及连接件的位置都是中心对称的，所以保温层均匀向连接件中心收缩，当受到四角连接件的阻碍时，与对角连接件连线垂直方向的保温层受拉而首先出现裂缝。

采用ABAQUS有限元软件进行计算分析时，采用STATUS命令，实现零应力状态单元的缺失，从而间接表示材料的裂缝区域，但这只是裂缝扩展的范围，并非是真实的裂缝。首先，模拟采用的是实体单元，而事实上裂缝可以是单元内的任意一个面，因此模拟中当单元应力降为零后发生的变形就会比实际裂缝宽度要大。其次，当材料产生裂缝时，裂缝周边小范围内材料应力也随之降为零，应用STATUS命令，则裂缝周边零应力单元也随之消失，因此零应力區域比实际裂缝宽度还要宽。基于以上两点可以判断，有限元模拟中单元缺失区域同时包含裂缝及其周边小范围内零应力状态的区域，所以实际裂缝宽度要比模拟出的单元缺失区域宽度小很多。因此，可认为没有产生热桥。但是建议适当提高脲醛树脂材料的抗拉强度和韧性，以保证裂缝宽度满足要求。

3 结 论

1）对方案1，当建筑高度为30m、60m及90m以下时，建议分别采用直径24mm、厚度6mm，直径26mm、厚度6mm，直径28mm、厚度8mm的连接件和装饰板;对方案2，当建筑高度为30米、60米及90米以下时，建议采用10mm×50mm的十字形连接件和厚度10mm的硅钙装饰板。

2）保温层裂缝集中出现在连接件附近，裂缝开展呈十字形，每个连接件附近有两处裂缝，而位于上层连接件附近的裂缝区域最大，宽度为5.2mm、长度为45mm，其余各裂缝区域，均在宽度3.5mm、长度25mm左右。

3）对于方案1，建筑高度30m以下时，保温层产生的裂缝宽度满足规范中保温层不产生热桥的规定。但仍然建议适当提高保温层材料脲醛树脂泡沫的抗拉强度和韧性，以保证节能效果。

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（编辑：关 毅）