考虑温度影响的集成凸窗结构力学性能分析

赫传凯

(国家电子工程建筑及环境性能质量监督检验中心， 北京 100142)

在预制装配式混凝土结构中，广泛使用的夹心保温墙板是一种新型复合墙板，该新型夹心保温复合墙板由内层混凝土、中间保温层、外层混凝土及连接件组成，其中连接件穿过保温材料层，两端分别锚固于内叶墙和外叶墙中。其中连接件主要功能是传递内外叶混凝土墙体之间的水平及竖向荷载、协调变形[1]。不锈钢连接件因其耐腐蚀性能好、导热系低、强度高等优势，是装配式混凝土结构常用配件[2]。相对于其他类型的凸窗，该新型夹心复合墙板集成的凸窗结构在生产及装配过程中，由于其预留主筋便利、安装方便等优势因素大大减少了构件的运输及吊装工作量，提高了预制建筑装配效率，缩短了施工周期，因此在装配式建筑领域有广阔的应用前景[3]。由其集成的凸窗结构与墙板本身相比，属于受温度作用影响较大的薄弱构件，装配建筑结构凸窗是预制装配式结构的重要组成部分，因此，研究凸窗构件在温度作用下产生的内部应力及变形对分析装配式整体结构意义重大。

目前，关于新型保温墙板集成的墙身在温度作用下的力学性能研究较多，Li等[4-5]提出了一种三层皮夹心保温的预制复合墙体，并对该墙体进行了热工计算、热箱试验验证和参数计算研究。证实由于热路径加长，三层板夹心墙体比一般的双层板夹心墙体有更好的保温及力学性能。 Jeong等[6]用红外热像法和 PHYSIBEL 软件模拟法，分别对混凝土结构住宅外围护结构中的T型、L型及S型墙角处的热桥保温性能和热桥影响范围，并推算处可以估算墙角在边界条件下的热桥效应的数学模型。

该集成凸窗由不同性能的材料复合而成，由于相互之间的协调变形，会产生内力，当内力及变形较大时，会对整体结构产生影响[7]。目前缺少该夹心保温墙板集成的凸窗在温度作用下的力学性能分析，本文采用有限元仿真方法，通过建立某典型尺寸凸窗结构的力学性能分析模型，采用考虑温度影响的混凝土本构模型，模拟了两种典型环境温度作用工况，得到了在重力荷载和温度作用下凸窗结构的内力及变形，并对其进行了力学性能评价。

1 模型建立

1.1 计算模型

研究对象是有不锈钢连接件的某典型尺寸夹心保温墙板集成凸窗。该凸窗宽度为2.50 m，高度为3.00 m，悬挑长度为0.80 m，主体结构保温层厚度为100 mm，凸窗保温层厚度为60 mm，凸窗混凝土强度为C30，凸窗的详细尺寸及连接件的详细布置如图1所示。凸窗所用连接件型号如表1所示，其中板式连接件材料屈服强度为448 MPa，抗拉强度为778 MPa；针式连接件材料屈服强度为690 MPa，抗拉强度为800 MPa。

表1 凸窗所用保温连接件型号

图1 凸窗结构及连接件分布图

温度作用下力学性能分析时，材料的温度参数主要包括密度、比热和导热系数，表2为材料物理力学参数。

表2 凸窗整体结构材料物理力学参数

1.2 基本假设

影响连接件传力系数的因素较多，为了简化分析，采取以下假定：①凸窗整体结构处于弹性阶段；②不考虑不锈钢连接件与混凝土之间的滑移。

1.3 材料本构

由于混凝土材料力学性能受温度影响，本文引入热力学中自由能概念，采用基于弹性应变，包含温度自由能函数的混凝土热-力耦合本构模型[8]。

混凝土的自由能分为热-弹性部分及热-塑性部分，表达式为

(1)

材料本构必须满足热力学不等式Clausius-Duhem不等式要求，即

(2)

自由能函数的导数为

(3)

将式(3)代入式(2)可得

(4)

式(4)需满足:

(5)

包含温度变量的弹性自由能表达式[9]为

(6)

βkl=βδkl

(7)

(8)

(9)

式(9)中：E(T)及v(T)分别为温度T条件下的弹性模量和泊松比；δij和δkl为kronecker-δ符号。

将弹性自由能对弹性对弹性应变求导，得到弹性应力应变关系为

(10)

另外，混凝土的塑性应变采用硬化参量来修正。

在建立连接件及保温层模型时假定连接件与保温层之间为完全抗剪连接，不考虑滑移，直接粘结在一起，连接件与混凝土内外墙之间连接采用Combin39非线性弹簧单元模拟，弹簧单元的力-变形曲线可根据锚固长度以及混凝土墙板的强度等级建立[10]。

1.4 边界条件

温度作用下凸窗结构边界条件：凸窗外部边界条件为热力学边界，根据第三类传热边界条件，空气与凸窗之间采用热对流的方式进行传热。

力学性能模型边界条件：内页墙板固定约束。

1.5 分析模型建立

利用有限元软件ABAQUS建立凸窗模型，包括内叶墙板、保温层、外叶墙板、连接件。其中连接件采用二维线单元，其余采用三维实体DC3D8单元，实体单元网格尺寸为50 mm。对各材料赋予热工性能参数并整合成整体。连接件及整体模型如图2、图3所示。

图2 连接件模型图

图3 凸窗整体模型图

2 分析工况

第一种工况为室外温度65 ℃，室内温度20 ℃，模拟夏季室内外温差；第二种工况室内温度20 ℃，室外温度-20 ℃，模拟冬季室内外温差。室内传热系数取8.7 W/(m·K)，室外传热系数取23.3 W/(m·K)，温度作用分析状态为瞬态计算，外墙两侧均为绝热面[11]，考虑自重荷载。

3 计算结果及分析

3.1 温度梯度计算结果

第一种工况下凸窗内外温度、保温层、针式连接件及板式连接件温度场分布如图4和图5所示，结果表明，凸窗内外温度与设计温度基本一致，说明了保温层效果良好，连接件在锚固区与混凝土温度变化一致，且由于连接件的存在，使得热量在墙体的传递出现了明显了多维效应，使得保温层温度梯度变化明显。

图4 工况一凸窗和保温层温度场

图5 工况一针式和板式连接件温度场计算结果

第二种工况下凸窗内外温度、保温层、针式及板式连接件温度场分布如图6和图7所示，计算结果表明，连接件的存在，使得温度变化梯度明显，连接件是保证保温效果的重要配件。

图6 工况二保温层温度场

图7 工况二针式和板式连接件温度场计算结果

针式连接件计算结果与板式连接件计算结果在温度梯度，热流密度及变化规律与板式连接件一致。

3.2 力学性能计算结果

第一种工况下，凸窗x向中部变形约0.6 mm；凸窗侧面混凝土膨胀变形约为0.2 mm，y向两侧热膨胀变形约为0.7 mm；凸窗z向的膨胀变形约为5.4 mm，连接件处混凝土的应力为1.35 MPa，凸窗的整体位移云图如图8(a)所示，连接处混凝土应力如图8(b)所示。

图8 工况一凸窗整体变形和混凝土应力分布

第二种工况下，凸窗x向中部变形约0.4 mm；凸窗侧面混凝土膨胀变形约为0.1 mm，y向两侧热膨胀变形约为0.2 mm；凸窗z向的膨胀变形约为1.62 mm，连接件处混凝土的应力为1.32 MPa，凸窗的整体位移云图如图9(a)所示，连接处混凝土应力如图9(b)所示。

图9 工况二凸窗整体变形和混凝土应力分布

两种工况下，连接件的最大应力及变形计算结果如表3所示。

表3 连接件应力及变形计算结果

计算可知，在温差变化很大的情况下，连接件的内力及变形均较小，符合规范要求，结构不会发生损伤和破坏。其中，工况一下连接件的应力分布及变形如图10所示；工况二下连接件的应力分布及变形如图11所示。

图10 工况一连接件变形

图11 工况二连接件变形

4 结论

(1)有连接件的夹心保温墙板集成凸窗结构，在室内外温差变化较大时，内外墙板的温度基本与室内外一致，具有良好的保温性能。

(2)不锈钢连接件温度变化梯度与保温层一致，两端锚固区域内与混凝土一致，说明其良好的热工性能。

(3)连接件因为与混凝土协同变形，但产生的内力远小于其屈服强度，其中板式连接件产生的内力更小。连接件附近的混凝土拉应力均小于其设计值，整体位移变形均较小，说明在温差较大时，有连接件的夹心保温集成凸窗结构仍具有良好的力学性能。

(4)研究成果可为夹心保温墙板集成结构提供设计依据，为其在预制装配式建筑结构广泛应用提供理论支撑。