复合保温模板连接件圆盘合理参数数值模拟

周轶凡，吴德义

(安徽建筑大学 建筑健康监测与灾害预防技术国家地方联合工程实验室，合肥 230601）

目前，复合保温模板已广泛应用于建筑保温工程中[1]，构造图如图1 所示。常见的CL 型外墙免拆复合保温模板通过连接件与混凝土外墙紧密连接[2]。由于受到风荷载和地震荷载的作用，因连接件失效导致复合保温模板脱落的事故时有发生，连接件失效通常包括连接件拉断、连接件拔出、圆盘失效3 种形式，其中圆盘失效是最常见的形式[3]。本研究通过选择连接件圆盘材料、直径、厚度等参数从而保证连接件安全可靠连接，在工程中有广泛的应用背景[4]。结合中铁四局集团局机关大院北区拆迁改造工程的情况，选用数值模拟软件FLAC3D 分析工程中常见的不同材料、圆盘直径及厚度对连接件圆盘承载性能的影响[5]，得到圆盘的最佳材料、合理直径及厚度，为工程中圆盘的选用提供依据。

1 工程概况

本研究以中铁四局机关大院拆迁改造项目为背景。该项目位于合肥市包河区，总共为12 层。房屋抗震烈度为7 度，属于C 类密集建筑群的城市市区。

外墙免拆保温模板采用CL 外墙免拆复合保温模板，由保温层、黏结层、加强肋、保温过渡层、内(外)侧抗裂层、连接件等部分构成[6]。

2 数值模型建立

数值计算模型如图2 所示。

图2 数值模型示意图

2.1 连接件圆盘力学性能参数

K 为材料的抗体积变形能力，G 为材料的抗剪切变形能力，与弹性模量及泊松比的转化如下所示：

式中，E 为弹性模量，v 为泊松比，K 为材料的抗体积变形能力，G 为材料的抗剪切变形能力。

圆盘材料尼龙的弹性模量E=1.4 GPa、泊松比v=0.3，依据式（1）、式（2）得出相应的体积模量K=1.17 GPa 及剪切模量G=0.54 GPa。

2.2 圆盘破坏强度

对中铁四局北区拆除改造工程现场的保温系统进行10 组拉伸力学性能测试，试验器械如图3所示。采用内径为30 mm 的1 个圆环支撑圆盘，用夹具固定住地脚螺栓的底部，需要形成拉伸载荷作用于圆环内侧，加载速度宜控制在1 kN/min，然后记录破坏荷载，直至连接器的圆盘断裂[7]。

图3 规范试验装置

直径D =70 mm 圆盘，检测楼层处圆盘（高度不同，共10 组）的抗拔力数据，发现锚栓圆盘出现断裂的情况，对单个圆盘计算出具体破坏荷载抗拔力，得出其均值==2.14 kN,抗拔承载力标准值FRK=1.99 kN。

2.3 计算荷载

根据风荷载公式，基本自振周期T1＞0.25 s以及高度H ＞30 m 且高宽比H/C ＞1.5 的高柔房屋均应考虑脉动风压对结构产生的风振影响[8]。公式（3）如下所示：

式（3）中，ξ为脉动增大系数，v 为脉动影响系数，为振型系数。

垂直于模板平面水平地震作用标准值计算如（4）所示：

式（4）中，βE为动力放大系数，取5.0；GK为计算模板的重力荷载标准值（N），A 为计算模板的面积（m²），αmax为水平地震影响系数最大值；qEAK为垂直于模板平面的分布水平地震作用标准值（kN/m2）。

效应组合设计值如式（5）所示：

式中，SKW为风荷载效应标准值（kN/m2）；SEK为地震作用效应标准值（kN/m2）；Wγ为风荷载风项系数，取1.4；Eγ为地震作用风项系数，取1.3；Wψ为风荷载组合值系数，取1.0；Eψ为地震作用组合值系数，取0.5；S 为作用效应组合设计值（kN/m2）。

根据以上公式得出安徽省的基本风压w0=0.4 kN/m2，水平地震荷载qek=0.613 kPa，根据建筑物高度确定组合荷载S=1.18 kN/m2。在施工现场，一平方外墙免拆复合保温模板需要7个连接件。在数值模拟方面以单个连接件的模板面积为依据，确定a×b=400 mm×400 mm。

2.4 计算模型建立

本研究采用FLAC3D 软件，通过brick 命令建立模型、fix 命令固定保温隔热板边界，并通过改变圆盘直径和厚度得出应力分析结果。使用该软件优势在于方便处理相关数据，易于操作，同时可直观查看不同参数下应力分布云图。

数值计算模型如图4 所示，取剪切模量G 和体积模量K，使用六面体块（brick）网格，沿X、Y、Z 轴，对应比例为1:1:1，10 mm 划分1 个网格[9]。圆盘采用衬砌结构单元。分析保温模板接触面、锚栓圆盘的变形分布云图、接触应力，即可确定其参数[6]。

图4 数值计算模型

3 数值模拟结果及分析

3.1 不同连接件圆盘直径

本部分主要分析免拆保温模板在盘径D 不同的作用下，其位移与应力变化情况。如圆盘为2 mm厚，材料为尼龙，当直径为50 mm、70 mm、90 mm、110 mm、130 mm 时，分析免拆模板在荷载组合作用下其应力变化情况。

针对保温模板（基本参数400 mm×400 mm×70 mm）中，在组合水平荷载效应相等的情况下，即S=1.813×103Pa，由于X 轴方向受到各盘径大小影响，形成图5 的σx应力云图。

图5 不同连接件圆盘直径应力云图

不同连接件圆盘直径对应的应力分布如图6所示。

图6 不同连接件圆盘直径圆盘作用于保温模板应力分布

模拟各连接件圆盘可得出下述结论：

通过对比连接件圆盘的4 个直径值得出在圆盘中心处，保温板所承受的应力较大。当直径为50 mm 时，保温板受到最大的压应力；在扩大圆盘直径后，σmax圆盘接触面与保温板间的应力随之减小，对增强外墙保温系统的稳定性有很大帮助。

假设离圆盘中心存在一定距离，则保温板压应力分布近似均匀；如圆盘直径扩大至90 mm，均匀分布的范围也有所增加；当圆盘直径进一步扩大，变为130 mm 时，虽然均匀分布的范围也处于增大的状态，但是其增大的速度较为缓慢。

综上所述，尼龙材质的圆盘，当厚度为2 mm时，最合适的直径为90 mm。

3.2 不同连接件圆盘厚度

（1）分析尼龙材质的圆盘直径大小，即D=90 mm，其不同厚度连接件圆盘位移与组合荷载S 作用的关系，具体如图7 所示。

图7 不同连接件圆盘厚度位移云图

（2）不同连接件圆盘厚度圆盘变形分布如图8 所示。

图8 不同连接件圆盘厚度变形分布

根据图7 和图8 可知，圆盘中心未产生变形，在增加圆盘中心距离后，圆盘变形进一步增大。当圆盘δ= 2 mm 时，圆盘范围内各位置出现波动变形，而厚度为3 mm、4 mm、5 mm 时变形值差别不大。综上所述，δ的增大有利于提高外墙免拆保温模板的稳定性。当圆盘厚度增加到3 mm后整个圆盘变形基本没有变化，随着圆盘的厚度增加，圆盘变形缓慢。因此，当尼龙材质下的圆盘直径为90 mm 时，对应的最佳连接厚度为3 mm，即δ= 3 mm。

3.3 不同连接件圆盘材料

（1）模拟圆盘直径D=90 mm，圆盘厚度δ= 3 mm，材料种类为尼龙、聚乙烯、聚丙烯时，荷载组合作用S 对连接件圆盘变形影响，如图9 所示。

图9 不同材料种类连接件圆盘变形云图

（2）不同材料种类连接件圆盘变形如图10所示。

图10 不同材料种类连接件圆盘变形

图9 及图10 不同材料种类连接件圆盘变形数值模拟结果表明：不同材料种类连接件圆盘中心处产生微小变形，当采用尼龙圆盘时，圆盘整体变形相似，结合圆盘厚度和直径对圆盘变形影响结果，建筑外墙保温结构圆盘材料选用尼龙材料是最合适的。在圆盘厚度δ= 3 mm 的情况下若圆盘直径为90 mm，则尼龙是最佳的连接件材料。

4 结语

（1）取连接件圆盘直径分别为50 mm、70 mm、90 mm、110 mm、130 mm，模拟得出当圆盘直径为50 mm 时保温板受到最大的压应力，当圆盘直径增加到90 mm，均匀分布范围增加，随后直径增加，分布范围增长缓慢，故圆盘最佳直径为90 mm。

（2）取连接件圆盘厚度分别为δ=2 mm、3 mm、4 mm、5 mm，模拟得出δ的增大有利于提高外墙免拆保温模板的稳定性。当圆盘厚度增加到δ=3 mm 后整个圆盘变形较小，故圆盘最佳厚度为3 mm。

（3）取连接件圆盘材料分别为尼龙、聚乙烯、聚丙烯，模拟得出当圆盘材料种类采用尼龙时整体圆盘变形相差不明显，更能满足建筑外墙保温结构安全稳定，故圆盘最理想的材料为尼龙。