新型夹芯保温板在逐时温度作用下的研究

张绍骏 陈婉清

摘 要：【目的】混凝土夹心板外叶往往较薄，逐时气温变化和太阳辐射对混凝土夹心板的温度作用十分明显，而荷载规范并没有考虑这两者的影响，本研究将考虑这两个因素，并研究讨论不同保温层厚度和内外叶层厚度对夹芯板挠度的影响，为后续的试验研究提供参考。【方法】在现有的理论研究基础上，基于有限元软件模拟出逐时温度作用下一种新型夹芯板的内外叶逐时温差和温差引起的位移。【结果】夹芯板在逐时温度作用下，内外叶层的温差、位移以正弦曲线的形式保持稳定状态。【结论】夹芯板内外叶温差的极值与夹芯板挠度的极值在相同时间取值、内外叶温差曲线走势与夹芯板挠度的变化趋势、逐时温度荷载的变化趋势一致性较高。

关键词：太阳辐射；逐时气温变化；混凝土夹芯板；有限元模拟

中图分类号：TU37                文献标志码：A                 文章编号：1003-5168（2023）14-0095-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.019

Study on the New Sandwich Insulation Board Under the Action of Hourly Temperature

ZHANG Shaojun1    CHEN Wanqing2

（1.Changsha University of Science & Technology， Changsha 410114， China; 2.Wuhan Yucheng Jiufang Construction Co.， Ltd.， Wuhan 430050， China）

Abstract： [Purposes] The outer blades of concrete sandwich panels are often thin. The temperature effect of hourly temperature change and solar radiation on concrete sandwich panels is very obvious， but the load specification does not consider the influence of these two factors. This paper will consider these two factors， and study the influence of different insulation layer thickness and inner and outer blade thickness on the deflection of sandwich panels， so as to provide reference for subsequent experimental research. [Methods] In accordance with the existing theoretical research， this paper simulates the hourly temperature difference between the inner and outer leaves of a new sandwich panel and the displacement caused by the temperature difference based on the finite element software.[Findings] Under the action of hourly temperature， the temperature difference and displacement of the inner and outer blade layers remained stable in the form of sine curve. [Conclusions] The extreme value of the temperature difference between the inner and outer leaves of the sandwich plate and the extreme value of the deflection of the sandwich plate are highly consistent in the value at the same timing， the trend of the temperature difference curve between the inner and outer leaves， the trend of the deflection of the sandwich plate， and the trend of the hourly temperature load.

Keywords： solar radiation; hourly temperature changes; concrete sandwich panel; finite element simulation

0 引言

隨着国家持续推进“绿色建筑”战略，装配式建筑越来越受国家重视。其中，夹芯板凭借其优异的保温性能、施工一体化、标准化的特点，已经成为装配式建筑重要的建筑材料。

目前，我国的荷载规范采用50年重现期的月平均最高和最低气温作为基本气温，并以稳态温度场计算温度作用［1］，不考虑逐时温度和太阳辐射的影响。而一般混凝土夹芯板为使其具有优异的保温性能，外叶混凝土层一般较薄，使得夹芯板外叶受逐时温度的作用十分明显［2］。

逐时温度是一种非稳态温度。国内学者对此做了大量工作，如顾渭建等［3］、金伟良等［4］、夏勇等［5］采用有限差分法，李红梅等［6］采用有限元法，梁建国等［7］采用解析法，刘扬等［8］采用现场实测混凝土逐时温度变化，李诚鄀［9］采用谐波热法计算混凝夹芯板的內外叶层温度，梁建国等［10］推导了在温度荷载作用下夹芯板的挠度计算公式。

本研究根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》获得哈尔滨、长沙、广州等不同热工气候区的典型气象年七月份（共31天）的逐时干球温度和不同方向的逐时辐射强度数据，通过计算得出标准日的逐时温度。对比发现长沙地区的标准日室外温度较高，故本研究利用有限元软件模拟分析夹芯板受长沙地区标准日室外温度的作用。本研究模拟的是夏季室内开空调的工况（室内恒温28 ℃），室外温度荷载为标准日逐时温度。通过有限元数值模拟，对比分析不同保温层厚度、不同混凝土层厚度对夹芯板内外叶温差的影响，以及对夹芯板挠度的影响。

1 标准日室外综合温度计算

1.1 标准日逐时空气综合温度的获取

首先，基于FFT算法对逐时干球温度变化曲线加以处理分析，得到更平滑更准确的逐时气象数据。然后，再采用参数估计法中的极大似然估计法，根据七月份每天24小时的整点温度样本值（即31组数据），假定其服从极值I型分布，估计每组数据的整体分布，得到其具体分布函数。最后，求50年一遇即发生概率2%（不发生概率98%）的温度值，此温度值为整点的温度值且具有50年一遇的发生概率，由此得到标准日室外空气温度。

经查阅《民用建筑热工设计规范》，综合考虑建筑物外围护结构的室外空气温度和太阳辐射作用，即用空气综合温度［11］，其计算式见式（1）。

Te，t=Te（t）+[ρI（t）αe] （1）

式中：Te，t为空气综合温度，℃；Te（t）为标准日空气温度，℃；ρ为外表面太阳辐射吸收系数；I（t）为外表面太阳辐射照度；αe为外表面换热系数。经计算可知，东西墙的综合温度值较南北墙的综合温度更高，但东西墙的数据相差不大，故本研究采用夏季西墙的综合温度值。

1.2 标准日逐时空气综合温度简化

将式（1）按傅里叶级数表达，并近似取级数前两项，则标准日综合温度可简化成谐波热作用［12］，见式（2）。

Tse=Te，p+Acos（[πt12]+φ） （2）

式中：Te，p为标准日平均综合温度，℃；A为日温度的幅值，℃；φ为初相位。将式（2）的第一项视为稳态温度，即年温度；第二项视为具有谐波特性的日温度。

将上述公式进行简化，即可得到长沙、广州、哈尔滨的夏季西墙标准日温度和简化后的标准日温度的对比情况，如图1至图3所示。

由图1至图3可知，长沙、广州、哈尔滨地区的简化后标准日温度值曲线与标准日温度值曲线的拟合度较好，经计算可得长沙、广州、哈尔滨这两条曲线的变异系数分别为2.81%、3.18%、4.3%，故可根据此方法得到长沙、广州、哈尔滨等地区夏季建筑围护结构的室外空气综合温度，即夏季西墙标准日室外温度，如图4所示。

由图4可知，长沙、广州的夏季西墙室外空气综合温度比哈尔滨的高；长沙与广州的夏季西墙室外空气综合温度相差不大，两者的温度曲线拟合度也较高，所以本研究仅模拟长沙地区夏季西墙的室外空气综合温度。

2 数值模拟分析

2.1 分析模型

混凝土夹芯板是一种三层夹芯复合墙板，最外层与最内层分别称为外叶、内叶，其材质均为C30混凝土层，中间层为保温层，本研究用EPS板填充。这三层材料由混凝土连接件连接，此类板具有良好的保温隔热性。夹芯板材料的相关物理指标见表1，墙板的设计构造信息见表2和图5。

QB2与其他混凝土夹芯板仅内外叶混凝土层与EPS板厚度不同，构造措施及混凝土连接件的布置都一样，其余夹芯板的详细构造措施可参考图5。本研究中夹芯板外叶受长沙地区夏季西墙标准日逐时温度作用，内叶受恒温（室内空调28 ℃）作用，室外温度荷载取值如图1中简化后标准日温度曲线，图1为单次加载循环。为更准确了解温度荷载对夹芯板的影响，本研究模拟夹芯板在72 h内进行3次温度荷载循环下的内外叶温差变化和挠度变化。参照《民用建筑热工设计规范》［11］，夹芯板内、外叶板表面换热系数分别取8.7 W/（m2·K）、99 W/（m2·K），夹芯板的初始温度取25 ℃。

本研究利用ABAQUS软件计算出内外叶层的逐时平均温度，再将外叶温度值与内叶温度值相减，得到内外叶层的温差；再在ABAQUS软件中做顺序耦合，得到夹芯板的逐时挠度值。

2.2 保温层厚度对内外叶温差的影响

如图6所示，QB1、QB2、QB3的外叶层厚度相等，三者内外叶的温差在整个模拟阶段相差极小。

2.3 内外叶层厚度对内外叶温差的影响

如图7所示，QB1、QB4、QB5的保温层厚度相等，三者内外叶层的温差在整个模拟阶段相差极小。

2.4 保温层厚度对夹芯板挠度的影响

由图6可知，夹芯板QB1、QB2、QB3的内外叶温差在整个模拟阶段视为相等。由图8可知，在极大值处，QB2、QB3的挠度较QB1的挠度分别增大了17.3%、34.26%，说明中间层的厚度对挠度的影响较大，中间层厚度越大，其挠度也越大。

2.5 内外叶层厚度对夹芯板挠度的影响

由图7可知，夹芯板QB1、QB4、QB5的内外叶温差在整个模拟阶段视为相等。由图9可知，在极大值处，QB4、QB5的挠度较QB1的挠度分别减小了-6.97%、-15.09%，说明内外叶层的厚度对挠度有一定的影响，且内外叶层厚度越大，其挠度越小。

3 结论

①夹芯板内叶温差的极值与夹芯板挠度的极值在相同时间取值，且在下午五点左右达到最大。

②对于夏季室內开空调这一工况，夹芯板的保温层厚度和内外叶层厚度对内外叶层温差的影响较小。在相同温差下，中间保温层及连接件的厚度越大，其挠度越小；内外层厚度越大，夹芯板的挠度越小。

参考文献：

［1］中国建筑科学研究院.建筑结构荷载规范：GB 50009—2012［S］. 北京：中国建筑工业出版社，2012.

［2］NG S C，LOW K S，TION N H. Newspaper sandwiched aerated lightweight concrete wall panels—Thermal inertia，transient thermal behavior and surface temperature prediction［J］. Energy and Buildings，2011，43（7）： 1636-1645.

［3］顾渭建，张兴彦，张鏖. RC高层建筑超长结构屋盖温度场的理论分析［J］. 土木工程学报2005，38（9）： 61-67，79.

［4］金伟良，叶甲淳，邹道勤，等. 考虑太阳辐射作用的砌体结构温度场［J］. 浙江大学学报（工学版）， 2002，36（5）： 577-581.

［5］夏勇，裴若娟. 高层剪力墙结构温度应力初探［J］. 建筑结构，2000，30（2）： 8-11，16.

［6］李红梅，金伟良，叶甲淳，等. 建筑围护结构的温度场数值模拟［J］. 建筑结构学报，2004，25（6）： 93-98.

［7］梁建国，周莉，杨牧. 谐波热作用下墙体温度场的解析解［J］. 工程力学，2012，29（9）： 193-199， 214.

［8］刘扬，张海萍，邓扬，等. 基于实测数据的悬索桥钢箱梁温度场特性研究［J］. 中国公路工程学报， 2017，30（3）： 56-64.

［9］李诚鄀. 考虑逐时温度变化时混凝土夹芯板温度作用效应研究［D］. 长沙：长沙理工大学，2018.

［10］梁建国，雷灵芝，王吉波，等. 部分组合混凝土夹心板在温度作用下的力学行为［J］. 土木与环境工程学报（中英文），2021：1-8.

［11］中国建筑科学研究院.民用建筑热工设计规范：GB 50176—2016［S］. 北京： 中国建筑工业出版社，2016.

［12］梁建国，刘宇新，罗家豪，等. 逐时温度变化对混凝土夹心板的温度作用［J］. 建筑结构学报， 2022，43（5）： 217-222.