预制夹芯墙板热工性能及温度应力研究*

王若愚， 陈旭东， 邵 叶， 陆 也， 王运思， 刘 陟

(1.安徽建筑大学土木工程学院,安徽 合肥 230601，2.安徽晶宫绿建集团有限公司,安徽 阜阳 236001)

0 引 言

预制混凝土夹芯保温墙板由内、外叶混凝土墙板、保温层和连接件组成，由于可以做到承重、围护、保温一体化，具有优秀的防火和抗腐蚀性能，并且可以显著降低建筑耗能，是未来建筑围护体系的发展方向[1-3]。连接件的作用是将内、外叶混凝土墙板和中间保温层连接在一起，是影响夹芯保温墙体结构性能和保温性能的重要因素。目前常用的连接件主要有金属连接件和非金属连接件，金属连接件连接牢固，抗剪性能好。但是金属材料热传导率较高，容易形成“冷热桥”，从而增大建筑耗能。非金属热传导较低但抗剪性能差，造价普遍较高[4]。随着复合材料研究的不断深入，新型FRP连接件的研发取得良好的进展，并且得到了逐步应用[5]。FRP连接件具有耐腐蚀性能优秀和强度较高的特点，使其成为连接件的理想材料。我国的预制复合墙体的研究刚处于起步阶段，尤其是对FPR连接件的各种力学性能的研究尚不充分[6]。另外，夹芯保温墙板在工作时受到室内外温差的作用，墙体温度分布不均匀，同时由于墙体内、外叶墙和保温层之间材料性能的差异，各层墙体之间会出现不同程度的膨胀或者收缩，产生温度应力。在墙体全寿命过程中，这种温度应力的变化会对使连接件产生疲劳，强度降低，甚至存在断裂的风险。研究不同材料连接件对墙板温度场和应力场产生的影响，对确定我国未来连接件的发展方向具有重要的意义。通过ABAQUS有限元软件对采用钢筋连接件、不锈钢连接件和GFRP连接件的非组合式墙体进行研究，得到不同材料的连接件对墙体保温性能和温度应力水平的影响，并依据得到的结果提出复合夹芯保温墙板的设计建议。

1 工况分析

冬季，室外温度较低，往往需要在室内采取供暖措施。在这个过程中，由于连接件的存在，会将屋内的热度逐渐传递到室外，造成能源的浪费。用abaqus有限元软件，对采用三种不同材料连接件的墙体建立三维瞬态热耦合模型，计算其温度场和温度应力场。

2 模型建立

运用abaqus有限元分析软件建立四个夹芯墙板模型，4个模型的尺寸均为1000mm×1000mm×300mm，其中内墙板厚度200m,保温层材料为XPS(挤塑聚苯乙烯泡沫板)，厚度为50mm,墙板为厚度50mm的钢筋混凝土板。

将不设连接件的墙体命名为SW-1,分别将布置钢筋连接件，合金金属连接件，GFRP连接件以及无连接件的夹芯保温墙体命名为SW-2,SW-3,SW-4。每个模型连接件的数量为4根，即按照每4根/m2的标准布置，连接件的长度为120mm，直径为8mm。

《民用建筑热工设计规范》[7]GB50176规定了围护结构的最低设计标准，规定围护结构总热阻大于1.13m2·K/W为合格，使用规范中的计算方法对4个墙体的热阻进行计算，均满足规范要求。具体计算结果参见表2。

2.1 材料参数

模型采用材料属性按照表1设定。

表1 材料热工以及热力学参数表

2.2 温度场设置

在冬季室内长时间使用供暖设施的情况下，室内可达温度25℃，室外环境温度-5℃，在此条件下保持72h，模拟不同材料连接件在长时间供暖情况下对墙体温度场和温度应力场的影响。设置墙体初始温度为0℃。墙体内外表面与空气存在“对流换热”，据《民用热工设计规范》的规定，设置外墙外表面空气换热系数为8.7 W·m-2·℃-1，外墙内表面换热系数为23W·m-2·℃-1。

2.3 网格和边界条件

墙体四周添加约束限制墙体长、宽两个方向的位移。混凝土内外叶墙板和保温层采用六面体温度-位移耦合单元，网格大小为25mm，设置网格单元属性为四面体温度位移耦合。

(a)SW-2温度分布图 (b)SW-3温度分布图 (c)SW-4温度分布图

图2 沿墙体方向温度分布

图3 沿墙体厚度方向应力分布

3 分析结果

3.1 温度场分析

模拟得到了墙体内外的温度分布以及热流密度，依据规范提供的计算方法，计算试件热阻得到数据见表2。由表2可见，模拟热阻和实际热阻接近，证明模型的可靠性。各个试件的温度分布如图1所示，提取各个试件距地面40cm处沿墙体方向的温度绘制沿墙体方向温度分布图如图2。

表2 各试件计算热阻和模拟热阻对比

观察不同材料连接件处和同一水平高度墙体边缘处的温度可以发现，保温层对墙体热传传递均起到良好的隔绝作用，其中试件SW-1墙体内表面温度分布均匀为22.22℃。试件SW-2在连接件处形成严重的热桥，造成了热量的大量损失，其表面最大温度位于墙体边缘为21.44℃，正对连接件处表面温度只有20.90℃，说明钢筋连接件在对墙体温度的影响上程度大、范围广。试件SW-4保温性能优秀，内表面最大温度位于墙体边缘为22.18℃，正对连接件处表面温度为22.17℃。试件SW-3正对连接件处墙体内表面温度21.74℃，墙体边缘处温度达到21.93℃,连接件处形成了轻微冷热桥现象，主要作用于墙体内部，在内叶墙和保温层界限处形成了温度跃升，对内叶墙表面的影响有限。

3.2 温度应力分析

提取各个试件距地面40cm处沿墙体方向的温度绘制沿墙体方向温度应力分布如图3。由图3上来看，虽然在内外叶墙和保温层接触的地方温差较大，由于保温材料自身刚度小，保温层处的应力反而处在很小的水平。图4是各试件温度应力场分布图，可以得出：在墙体受力方面，试件SW-4温度应力最大，试件SW-2所受温度应力最小。在墙体周边约束的情况下，内叶墙四角受力最大，SW-2内叶墙体最大应力为42.3MPa,SW-3内叶墙最大应力43.4MPa，SW-4内叶墙最大应力为43.9MPa。可见在这种使用条件下，内叶墙承受压力大于外叶墙，且内叶墙墙角具有开裂的风险。由于不同材料具有不同的膨胀系数，内外叶墙与保温层之间会存在相对错动，使连接件产生应力集中，这种现象在墙体边缘的连接件表现更为明显，其中钢筋连接所受应力最大达到51.74MPa,GFRP连接件所受应力最小为20.17MPa，哈芬不锈钢连接件最大应力为43.33MPa。墙内钢筋所受应力最大只有8.7MPa，基本可以忽略。

(a) SW-2连接件应力分布 (b)SW-3连接件应力分布 (b)SW-3连接件应力分布

4 结 语

经过数值模拟和数据分析可以得到如下结论：

(1)采用三种连接件的墙体其热工性能均符合《民用建筑热工设计规范》的要求,但是GFRP连接件对温度传递的阻隔作用最大，其热工性能优于哈芬不锈钢和钢筋连接件。

(2)在温度场的影响下, 应力集中于连接件在内、外墙板与保温层连接处,GFRP连接件应力为20.17MPa，哈芬连接件所受应力43.33MPa，钢筋连接件所受应力为51.74MPa，各连接件所受应力均小于自身材料强度。

(3)综合来看，FRP连接件具有优秀的热工性，且不易产生应力集中现象，工况下其温度应力约为金属合金连接件的50%。GFRP连接件是未来发展的方向。

(4)内叶墙墙角应力较大，在长期使用过程中可能出现开裂，因此内外叶墙采用超高性能混凝土(UHPC)的预制夹芯保温墙板具有很高的研究价值。