配筋及连接件对加气混凝土墙板热工性能的影响分析

苗纪奎，邱世君

（山东建筑大学 建筑城规学院，山东 济南 250101）

0 引言

加气混凝土板是以钙质、硅质材料为主要原料，配防锈处理的钢筋网片，经高压蒸汽养护而制成的一种轻质多孔绿色环保建筑材料。加气混凝土的密度较小，且具有良好的耐火、防火、隔声、隔热、保温性能。但随着建筑节能设计标准的提高，依靠加气混凝土单一材料很难满足北方地区外墙热工设计的要求，加气混凝土条板在寒冷与严寒地区通常仅作内墙板使用。近年来，一些企业开始研制低导热系数的加气混凝土，以期提高墙板的热工性能，满足寒冷或严寒地区的节能设计要求。

为保证建筑热工设计可比性与准确性，JGJ/T 17—2020《蒸压加气混凝土制品应用技术标准》在附录C.0.1中依据不同气候分区给出了蒸压加气混凝土导热系数的修正系数（见表1），但该修正系数仅考虑了平衡含水率对加气混凝土导热系数的影响，没有考虑配筋及连接件对墙板热工性能的影响。墙板中的配筋及连接件并未改变加气混凝土的导热系数，而是影响墙板的当量传热系数。

表1 蒸压加气混凝土导热系数的修正系数

加气混凝土墙板加入配筋及连接件后，墙板的传热量发生改变，衡量加气混凝土热工性能的参数也由加气混凝土材料的导热系数λ变为当量导热系数λe。相关试验表明[1]，金属质拉结件对预制夹芯混凝土墙板的热工性能影响尤为明显，采用不同的金属拉结件会使预制混凝土夹芯墙板传热系数提高20%左右[2]，在热工计算过程中忽略金属拉结件的影响会造成较大的误差。此外，连接件的形状、尺寸也会影响预制混凝土墙板的传热量[3-4]，使用纤维材料包裹连接件可以有效降低预制混凝土夹芯墙板的当量导热系数[5]；在轻骨料混凝土墙板内增设钢筋网片、桁架与连接桥会使复合外挂墙板损失25%的保温性能[6]；墙板在施工过程中产生的接缝也会直接影响装配式复合墙板外墙的传热效果[7-9]，研究表明，墙板间接缝对传热系数的影响系数在1.01～1.06[10]，加大墙板尺寸、减少接缝的数量可以避免过多的热桥对建筑的影响[11]，在接缝及附近位置增加保温材料可以有效消除接缝的热桥效应[9-12]；材料的含水率也是影响加气混凝土墙板热工性能重要因素，试验研究发现，墙板的传热系数随着含水率的增大呈线性增长[9，13]。

本文采用ANSYS Fluent对加气混凝土墙板进行传热量数值模拟研究，分析了配筋、连接件及加气混凝土导热系数对加气混凝土墙板当量导热系数的影响，提出了加气混凝土墙板当量导热系数的取值范围，研究结果可为加气混凝土墙板的热工设计提供参考。

1 物理模型

建立如图1所示加气混凝土墙板物理模型，模型尺寸为3000 mm×600 mm×200 mm；加气混凝土板的配筋形式参照GB/T15762—2020《蒸压加气混凝土板》。

图1 加气混凝土墙板物理模型

2 数值模拟分析方法

2.1 单元类型与材料特性

对于有金属连接件和配筋的加气混凝土板模型，选用SOLID187单元，该单元为四面体10节点高阶单元，每个节点3个自由度。墙板所用加气混凝土材料的物理参数如下：加气混凝土导热系数按照中国工程建设标准化协会图集21QJ713《改性蒸压加气混凝土自保温墙体建筑构造》的规定取0.085 W/（m·K）；配筋及连接件所用钢材导热系数则按照GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》的规定取58.2W/（m·K）。

以加气混凝土墙板的当量导热系数为研究对象，采用ANSYS Fluent进行求解计算，并采用如下基本假设：（1）假定加气混凝土墙板的材料为各向同性匀质，且材料物理参数均为定值；（2）假定加气混凝土墙板中所有的接触均为理想接触状态，即接触紧密无缝隙、无孔隙，且不计层间热阻；（3）忽略传热过程中的边界热损失，只考虑热对流和热传导，忽略热辐射；（4）忽略各种应力下的应变（如变形、开裂）的影响。

2.2 网格划分

采用Meshing对模型进行网格划分，加气混凝土墙板配置的钢筋和连接件与墙板构件的尺寸相差较大，采用四面体网格划分的方式；对模型各部分进行命名，并修改网格尺寸；对各材料的交界面处进行加密处理，特别是配筋、金属连接件与墙板连接部位进行网格细化。

2.3 接触与边界条件

将模型导入到Fluent并设置边界条件，以济南地区为例，按照GB 50176—2016在墙板两侧分别设置第三类边界条件：室内温度Ti=18.0℃（291.15 K），室外温度To=-5.2℃（267.95 K）；墙体内、外表面对流换热系数hi、ho分别为8.7、23.0W/（m2·K）；其他面设置第二类边界条件，即绝热面q=0。

2.4 求解器选择

选用三维分离式求解器，采用Coupled对速度压力方程进行求解，离散格式选取二阶离散方法Second Order Upwind格式。

2.5 当量导热系数计算

按以上设置模拟分析得到加气混凝土墙板的传热量，墙板的当量导热系数可由式（1）计算：

式中：Φ——加气混凝土墙板传热量，W；

A——垂直于热流方向壁面面积，m2；

λe——加气混凝土墙板当量导热系数，W/（m·K）。

3 模拟结果及分析

3.1 钢筋网片对加气混凝土墙板当量导热系数的影响

为研究钢筋网片对加气混凝土墙板当量导热系数的影响，设计了A组7个试件进行模拟分析。试件A1～A6仅配置双层对称钢筋网片，不配置箍筋。试件A1～A3单层配置4根纵向钢筋，试件A4～A6单层配置6根纵向钢筋，纵向钢筋和横向钢筋的直径及模拟分析结果见表2，横向钢筋的间距见图1；试件A0为对比试件，无配筋。

表2 配筋双层钢筋网片对墙板当量导热系数的影响

由表2可知，与无配筋的试件A0相比，配置双层钢筋网片后加气混凝土墙板的传热量增大，当配置4根纵向钢筋时，墙板的当量导热系数增幅为0.71%～1.06%，当配置6根纵向钢筋时，墙板当量导热系数增加幅度为1.29%～1.65%。由此可见，仅配置双层钢筋网片对加气混凝土墙板当量导热系数虽然有影响，但导热系数增幅较小。

3.2 箍筋对加气混凝土墙板当量导热系数的影响

根据GB/T 15762—2020的要求，加气混凝土外墙板需配置箍筋与双层钢筋网片形成网笼以满足受力要求。在实际应用中，箍筋主要是采用钢筋或者金属质拉结件（见图2）。为了研究箍筋对加气混凝土墙板当量导热系数的影响，设计了B组4个试件进行了模拟分析。B组试件钢筋网片的配置与试件A6相同，仅改变箍筋的形式、尺寸以及材质。为降低箍筋的传热量，试件B4选用FRP碳纤维材质，按照GB 50176—2016的规定，FRP材质导热系数取0.4 W/（m·K）。B组试件模拟分析结果见表3。

图2 金属质拉结件示意

表3 箍筋对墙板当量导热系数的影响

由表3可见，与无箍筋的试件A6相比，采用金属质箍筋的试件B1、B2、B3当量导热系数增幅分别为4.17%、4.62%、6.71%，采用FRP材质箍筋的试件B4，当量导热系数增幅仅为0.12%，这说明配置箍筋对加气混凝土墙板当量导热系数的影响比较明显，将金属质箍筋换成低导热系数的FRP材质后，可显著降低墙板的传热量，从而降低箍筋对墙板当量导热系数的影响。

B组试件加气混凝土墙板箍筋处热流分布云图见图3。

图3 B组加气混凝土墙板箍筋处热流分布云图

由图3可见，采用FRP材质试件B4箍筋处的温度与热流分布比较均匀，热桥效应较小；而试件B1～B3金属质箍筋附近的热桥效应较为明显，平行于热流方向箍筋的存在使得热量在墙板呈现多维传递效应，尤其是靠近箍筋的部位附近，温度分布呈辐射状，且热流密度会发生急剧变化，形成热桥效应。与无配筋的试件A0相比，配置双层钢筋网片和金属质箍筋的试件B1、B2、B3当量导热系数分别提高了5.88%、6.35%、8.47%，增幅均超过5%。

3.3 连接件对加气混凝土墙板当量导热系数的影响

连接件是连接加气混凝土墙板与主体结构的金属配件，实际工程中外墙板常用的连接件主要采用住房和城乡建设部图集13J101《蒸压加气混凝土砌块、板材构造》中的钩头螺栓。住房和城乡建设部图集19CJ85-1《装配式建筑蒸压加气混凝土板围护系统》中规定加气混凝土外墙板与主体结构的连接宜采用平板螺栓节点、钢管锚节点或预埋件节点。图4为加气混凝土外墙板常用的连接件形式。

图4 加气混凝土外墙板常用的连接件示意

为研究连接件对加气混凝土外墙板当量导热系数的影响，设计了C组4个试件进行了模拟分析。C组试件钢筋网片和箍筋的配置与试件B3相同，仅改变连接件的类型。C组试件模拟分析结果见表4。

表4 连接件对墙板当量导热系数的影响

由表4可以看出，与无连接件的试件B3相比，试件C1、C2、C3的当量导热系数增幅分别为2.60%、2.06%、1.52%，而试件C4的当量导热系数增幅为8.35%。由此可见，预埋件节点对墙板热工性能的影响最大，采用非贯通性热桥的钢管锚节点可有效降低连接件对墙板当量导热系数的影响。与无配筋的试件A0相比，配置钢筋网笼以及连接件的试件C1、C2、C3、C4的当量导热系数分别提高11.29%、10.71%、10.12%、17.53%。

在墙板连接件布置的区域进行横向剖切，以便于更好地展示各个连接件在加气混凝土墙板内的热量分布，热流分布云图如图5所示。

图5 墙板连接件处热流分布云图

由图5可见，连接件处热桥效应明显，试件C1、C2、C3连接件处热桥区域较小，尤其是试件C3连接件处热桥区域仅为墙板宽度的1/2，而试件C4连接件处温度急剧变化且热桥区域大。

3.4 加气混凝土导热系数对墙板当量导热系数的影响

为了研究加气混凝土导热系数对墙板当量导热系数的影响，设计了D组7个试件进行了模拟分析。D组试件钢筋网片、箍筋及连接件的配置与试件C4相同，依据图集13J101选取不同导热系数的加气混凝土进行对比分析，模拟分析结果见表5。

表5 加气混凝土导热系数对墙板当量导热系数的影响

由表5可见，在加气混凝土配筋及连接件不变的工况下，随着加气混凝土导热系数的增大，加气混凝土导热系数对墙板当量导热系数影响逐渐降低，这主要是配筋及连接件所用钢材的导热系数约为加气混凝土导热系数291～685倍，随着加气混凝土导热系数的增大，配筋及连接件的传热量占墙板总传热量的比例逐渐减小的缘故。这说明加气混凝土导热系数越大，墙板当量导热系数增加幅度就越小，配筋及连接件对加气混凝土当量导热系数的影响就越小。因此，对于低导热系数的加气混凝土墙板，建议在热工计算时，除了按现行标准考虑平衡含水率对加气混凝土导热系数的影响外，还应考虑配筋及连接件对加气混凝土墙板热工性能的影响。

4 结论

（1）仅配置双层钢筋网片对加气混凝土墙板当量导热系数的影响较小，但配置双层钢筋网片与金属质箍筋形成钢筋网笼后，墙板当量导热系数较无配筋加气混凝土板的增幅超过5%；将金属质箍筋换成低导热系数的FRP碳纤维箍筋后，可以显著降低配筋对加气混凝土墙板热工性能的影响。

（2）模拟分析结果显示，墙板连接件处热桥效应明显，预埋件节点对墙板热工性能的影响最大，采用非贯通性热桥的钢管锚节点可有效降低连接件对墙板当量导热系数的影响。

（3）与无配筋加气混凝土板相比，配置钢筋网笼和连接件的墙板当量导热系数增加10.12%～17.53%；且墙板的当量导热系数增加幅度随着加气混凝土导热系数增大而逐渐较小，因此，对于低导热系数的加气混凝土墙板，建议热工计算时应考虑配筋和连接件对其热工性能的影响。