現(xiàn)澆混凝土聚苯板外墻外保溫體系熱結(jié)構(gòu)耦合分析

趙廷勝

(山東濰坊公安消防支隊(duì)，山東濰坊 261061)

1 熱結(jié)構(gòu)耦合分析模型

1.1 現(xiàn)澆混凝土聚苯板外墻外保溫體系基本構(gòu)造

以某剪力墻住宅中現(xiàn)澆混凝土聚苯板外墻外保溫體系為研究對(duì)象，其基本構(gòu)造如圖1所示，基層墻體為200 mm混凝土，室內(nèi)抹灰砂漿厚度為20 mm，墻體外側(cè)采用10 mm后黏結(jié)砂漿粘貼聚苯板，聚苯板外側(cè)采用5 mm砂漿抹面。選取局部帶窗洞的墻體為研究對(duì)象，根據(jù)圣維南原理，模型四周分別延伸400 mm，具體尺寸如圖2所示。

圖1 現(xiàn)澆混凝土聚苯板外墻外保溫體系基本構(gòu)造Fig.1 The construction details of cast－in－situ concrete polystyrene board

圖2 帶窗洞模型立面尺寸Fig.2 Facade dimensions of a wall model with one opening

1.2 材料特性

現(xiàn)澆混凝土聚苯板外墻外保溫體系涉及現(xiàn)澆混凝土、砂漿和聚苯板三種材料，其中現(xiàn)澆混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，依據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50176－93［4］確定其性能參數(shù);聚苯板和砂漿的性能參數(shù)采用耐候性試驗(yàn)數(shù)據(jù)［5］，各材料的性能參數(shù)見表1。

表1 材料性能參數(shù)Table 1 The properties of various materials

1.3 基本假定

(1)各層材料為均勻連續(xù)、各向同性，各層之間緊密聯(lián)系，不考慮空氣間層的作用。

(2)各實(shí)體單元都是一個(gè)理想的整體，忽略每塊聚苯板與周圍聚苯板之間板縫的影響。

(3)忽略砂漿中摻入聚合物對(duì)材料性能參數(shù)的影響［6］。

(4)因本文分析的是外墻外保溫體系在開裂之前的溫度和變形分布規(guī)律，故僅考慮體系在彈性階段的工作情況。

1.4 方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)3種不同厚度的聚苯板外墻外保溫體系作為數(shù)值計(jì)算方案，其中，工況1聚苯板層厚度為25mm，工況2聚苯板層厚度為50mm，工況3聚苯板層厚度為75mm，其余材料層厚度詳見圖1所示。溫度荷載的取值依據(jù)《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》JGJ 144－2004［7］取值，即高溫環(huán)境條件下在外保溫復(fù)合墻體的內(nèi)表面施加室內(nèi)正常溫度26℃，外表面施加室外最不利溫度載荷70℃;驟降暴雨條件下室內(nèi)溫度仍為26℃，室外溫度降為15℃。兩種溫度荷載對(duì)應(yīng)的編號(hào)規(guī)則:高溫環(huán)境為工況i－1，驟降暴雨為工況i－2，其中 i=1，2，3。

1.5 模型建立

采用三維耦合場(chǎng)體單元SOLID5模擬外墻外保溫體系各材料層，SOLID5具有三維磁場(chǎng)、熱場(chǎng)、電場(chǎng)、壓電場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析能力，并能在各場(chǎng)之間實(shí)現(xiàn)有限的耦合。其具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多有6個(gè)自由度。本文采用大型通用有限元軟件ANSYS參數(shù)化建模技術(shù)(APDL)開展熱結(jié)構(gòu)耦合分析，其提供了直接法和間接法兩種求解方法。直接法是指直接采用具有溫度和位移自由度的耦合單元，同時(shí)得到熱分析和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的結(jié)果［8］，故本文采用該方法。在建立模型時(shí)，為更加真實(shí)的反映實(shí)際結(jié)構(gòu)，充分考慮周邊外墻、樓板等對(duì)所選區(qū)域的影響，將模型四周邊界的現(xiàn)澆混凝土基層墻體按固定端考慮，其他位置自由。

2 熱結(jié)構(gòu)耦合分析

2.1 溫度場(chǎng)分析

2.1.1 溫度沿墻體厚度的變化 溫度場(chǎng)在外墻外保溫復(fù)合墻體的厚度方向各層都均勻分布，且同一厚度上溫度值相同。圖3所示為各工況溫度沿墻體厚度的變化曲線，其中工況1－1、工況2－1和工況3－1為高溫環(huán)境下的變化曲線，工況1－2、工況2－2和工況3－2為驟降暴雨環(huán)境下的變化曲線。分析圖3表明，室內(nèi)抹灰砂漿層、現(xiàn)澆混凝土基層墻體和黏結(jié)砂漿層在高溫環(huán)境和驟降暴雨環(huán)境的溫度變化均較平緩，溫度增幅或減幅均較小;聚苯板層兩側(cè)溫度變化幅度很大，墻體最外側(cè)抹面砂漿層溫度最高。

圖3 溫度沿墻體厚度的變化曲線Fig.3 Temperature curves for the thickness of the wall

表2 各工況每種材料溫差變化Table 2 Temperature changes for each material on different conditions

2.1.2 每種材料的溫差變化 表2為各工況沿外墻外保溫復(fù)合墻體厚度方向的溫度值變化范圍和各種材料溫差變化值。分析表2可看出，溫差最大的材料層為聚苯板層，溫差值的變化與聚苯板層的厚度相關(guān)。以高溫環(huán)境下的3種工況為例，當(dāng)聚苯板層厚度為25mm時(shí)，聚苯板層的溫差為35.02℃，混凝土基層墻體的溫差為7.36℃;當(dāng)聚苯板層厚度為50mm時(shí)，聚苯板層的溫差為39℃，混凝土基層墻體的溫差為3.93℃;當(dāng)聚苯板層厚度為75mm時(shí)，聚苯板層的溫差為40.54℃，混凝土基層墻體的溫差為2.73℃。分析亦表明，聚苯板層由25mm增至50mm時(shí)的溫差顯著大于由50mm增至75mm時(shí)，混凝土基層墻體溫差的變化幅度亦呈該特點(diǎn)。

溫度場(chǎng)的綜合分析表明，聚苯板層溫差變化幅度最大，這充分說明聚苯板層具有良好的隔熱效果，但聚苯板層在巨大溫差下的強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性和耐候性等指標(biāo)是否滿足工程要求值得深入研究。

2.2 變形分析

2.2.1 變形沿墻厚方向的變化 墻體在溫度應(yīng)力作用下將產(chǎn)生變形，本文以沿著墻體長(zhǎng)度方向(X方向)的變形為例，分析各工況下變形沿墻體厚度方向的變化規(guī)律。圖4所示為X方向變形最大處對(duì)應(yīng)的X方向變形沿墻體厚度的變形曲線。分析圖4表明，室內(nèi)抹灰砂漿層、現(xiàn)澆混凝土基層墻體和黏結(jié)砂漿層在高溫環(huán)境和驟降暴雨環(huán)境的X方向變形量較小且變化幅度較小;從黏結(jié)砂漿外表面即聚苯板層內(nèi)表面開始，X向變形突然增大，X向變形最大處多出現(xiàn)在聚苯板層外表面附近區(qū)域或抹面砂漿層外表面。

圖4 X向變形沿墻厚方向的變化曲線Fig.4 X axile deformation curves for the direction of the wall thickness

2.2.2 變形最大值 表3為高溫環(huán)境和驟降暴雨環(huán)境各工況各方向?qū)?yīng)的最大變形。分析表3可知，對(duì)應(yīng)工況下，高溫環(huán)境的變形約是驟降暴雨環(huán)境相應(yīng)變形的2倍，沿墻體高度方向的變形略大于沿墻體長(zhǎng)度方向的變形。各工況下沿墻體長(zhǎng)度方向和高度方向的變形趨勢(shì)均朝窗洞中心，圖5所示分別為工況2－1的長(zhǎng)度方向和高度方向變形云圖。驟降暴雨環(huán)境3種工況沿墻體厚度方向的變形均朝墻體外表面，即墻體外表面外凸。高溫環(huán)境沿墻體厚度方向的變形與聚苯板層厚度相關(guān)，聚苯板層為25mm厚時(shí)，沿墻體厚度方向的變形在窗洞附近內(nèi)凹，遠(yuǎn)離窗洞一定距離的區(qū)域呈外凸;聚苯板層為50mm厚時(shí)，沿墻體厚度方向的變形內(nèi)凹區(qū)域較聚苯板層25mm時(shí)減小，以外凸為主;當(dāng)聚苯板層為75mm厚時(shí)，沿墻體厚度方向的變形均呈外凸。

通過變形分析表明，溫度變化條件下，外墻外保溫復(fù)合墻體將發(fā)生膨脹或收縮變形。外墻外保溫復(fù)合墻體外表面變形顯著大于內(nèi)表面變形，聚苯板層具有較好的塑性能夠適應(yīng)較大變形，而砂漿層變形能力較小，不能適應(yīng)這種變形，往往導(dǎo)致砂漿層首先開裂，這與實(shí)際工程中的病害是吻合的;窗洞四周附近變形較大，是容易出現(xiàn)裂縫或脫落問題的地方，應(yīng)當(dāng)引起重視并采取必要的加強(qiáng)措施。

表3 變形最大值Table 3 The maximal deformation value

圖5 工況2－1變形云圖Fig.5 The contour for case2－1

3 結(jié)論

(1)高溫環(huán)境導(dǎo)致的膨脹，驟降暴雨導(dǎo)致的收縮是引起現(xiàn)澆混凝土聚苯板外墻外保溫墻體開裂的主要因素之一，窗洞四周引起的變形最大，是易開裂處之一。

(2)聚苯板層具有良好的隔熱效果，但聚苯板在巨大溫差下的耐候性和使用壽命問題應(yīng)引起重視，值得深入研究。

(3)聚苯板層厚度影響溫度和變形沿墻體厚度的變化，隨著聚苯板層厚度的增加，聚苯板層兩側(cè)的溫差變大，但增幅放緩。

(4)由于保溫材料與基層材料之間性能差異較大，導(dǎo)致兩種材料交界處的溫度和變形發(fā)生突變，對(duì)抗裂性能很不利，研發(fā)柔性漸變技術(shù)是外墻外保溫復(fù)合墻體新的發(fā)展方向。

［1］M.A.Hatzinikolas.Exterior wall assemblies in extreme climate［C］.International conference on energy efficiency in building in China，2001，19－27

［2］金潔，胡健，余恒鵬.建筑外墻外保溫系統(tǒng)薄抹面層抗開裂性能研究［J］.四川建筑科學(xué)研究，2011，37(6):258－261

［3］楊秀燕.EPS薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)的開裂成因與對(duì)策研究［D］.山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011

［4］GB 50176－93，民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，1993

［5］項(xiàng)道陽(yáng).薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)耐候性試驗(yàn)研究［D］.北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008

［6］任玲玲，童麗萍.夏季極端環(huán)境下住宅墻體EPS保溫體系熱結(jié)構(gòu)耦合分析［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2010，31(4):15－18，72

［7］JGJ 144－2004，外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005

［8］張朝暉.ANSYS熱分析教程與實(shí)例解析［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2007