配筋及連接件對(duì)加氣混凝土墻板熱工性能的影響分析

苗紀(jì)奎，邱世君

（山東建筑大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

加氣混凝土板是以鈣質(zhì)、硅質(zhì)材料為主要原料，配防銹處理的鋼筋網(wǎng)片，經(jīng)高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)而制成的一種輕質(zhì)多孔綠色環(huán)保建筑材料。加氣混凝土的密度較小，且具有良好的耐火、防火、隔聲、隔熱、保溫性能。但隨著建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提高，依靠加氣混凝土單一材料很難滿足北方地區(qū)外墻熱工設(shè)計(jì)的要求，加氣混凝土條板在寒冷與嚴(yán)寒地區(qū)通常僅作內(nèi)墻板使用。近年來(lái)，一些企業(yè)開(kāi)始研制低導(dǎo)熱系數(shù)的加氣混凝土，以期提高墻板的熱工性能，滿足寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)的節(jié)能設(shè)計(jì)要求。

為保證建筑熱工設(shè)計(jì)可比性與準(zhǔn)確性，JGJ/T 17—2020《蒸壓加氣混凝土制品應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》在附錄C.0.1中依據(jù)不同氣候分區(qū)給出了蒸壓加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的修正系數(shù)（見(jiàn)表1），但該修正系數(shù)僅考慮了平衡含水率對(duì)加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，沒(méi)有考慮配筋及連接件對(duì)墻板熱工性能的影響。墻板中的配筋及連接件并未改變加氣混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，而是影響墻板的當(dāng)量傳熱系數(shù)。

表1 蒸壓加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的修正系數(shù)

加氣混凝土墻板加入配筋及連接件后，墻板的傳熱量發(fā)生改變，衡量加氣混凝土熱工性能的參數(shù)也由加氣混凝土材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ變?yōu)楫?dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)λe。相關(guān)試驗(yàn)表明[1]，金屬質(zhì)拉結(jié)件對(duì)預(yù)制夾芯混凝土墻板的熱工性能影響尤為明顯，采用不同的金屬拉結(jié)件會(huì)使預(yù)制混凝土夾芯墻板傳熱系數(shù)提高20%左右[2]，在熱工計(jì)算過(guò)程中忽略金屬拉結(jié)件的影響會(huì)造成較大的誤差。此外，連接件的形狀、尺寸也會(huì)影響預(yù)制混凝土墻板的傳熱量[3-4]，使用纖維材料包裹連接件可以有效降低預(yù)制混凝土夾芯墻板的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)[5]；在輕骨料混凝土墻板內(nèi)增設(shè)鋼筋網(wǎng)片、桁架與連接橋會(huì)使復(fù)合外掛墻板損失25%的保溫性能[6]；墻板在施工過(guò)程中產(chǎn)生的接縫也會(huì)直接影響裝配式復(fù)合墻板外墻的傳熱效果[7-9]，研究表明，墻板間接縫對(duì)傳熱系數(shù)的影響系數(shù)在1.01～1.06[10]，加大墻板尺寸、減少接縫的數(shù)量可以避免過(guò)多的熱橋?qū)ㄖ挠绊慬11]，在接縫及附近位置增加保溫材料可以有效消除接縫的熱橋效應(yīng)[9-12]；材料的含水率也是影響加氣混凝土墻板熱工性能重要因素，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，墻板的傳熱系數(shù)隨著含水率的增大呈線性增長(zhǎng)[9，13]。

本文采用ANSYS Fluent對(duì)加氣混凝土墻板進(jìn)行傳熱量數(shù)值模擬研究，分析了配筋、連接件及加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)加氣混凝土墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響，提出了加氣混凝土墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的取值范圍，研究結(jié)果可為加氣混凝土墻板的熱工設(shè)計(jì)提供參考。

1 物理模型

建立如圖1所示加氣混凝土墻板物理模型，模型尺寸為3000 mm×600 mm×200 mm；加氣混凝土板的配筋形式參照GB/T15762—2020《蒸壓加氣混凝土板》。

圖1 加氣混凝土墻板物理模型

2 數(shù)值模擬分析方法

2.1 單元類型與材料特性

對(duì)于有金屬連接件和配筋的加氣混凝土板模型，選用SOLID187單元，該單元為四面體10節(jié)點(diǎn)高階單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)3個(gè)自由度。墻板所用加氣混凝土材料的物理參數(shù)如下：加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)按照中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)圖集21QJ713《改性蒸壓加氣混凝土自保溫墻體建筑構(gòu)造》的規(guī)定取0.085 W/（m·K）；配筋及連接件所用鋼材導(dǎo)熱系數(shù)則按照GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定取58.2W/（m·K）。

以加氣混凝土墻板的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)為研究對(duì)象，采用ANSYS Fluent進(jìn)行求解計(jì)算，并采用如下基本假設(shè)：（1）假定加氣混凝土墻板的材料為各向同性勻質(zhì)，且材料物理參數(shù)均為定值；（2）假定加氣混凝土墻板中所有的接觸均為理想接觸狀態(tài)，即接觸緊密無(wú)縫隙、無(wú)孔隙，且不計(jì)層間熱阻；（3）忽略傳熱過(guò)程中的邊界熱損失，只考慮熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)，忽略熱輻射；（4）忽略各種應(yīng)力下的應(yīng)變（如變形、開(kāi)裂）的影響。

2.2 網(wǎng)格劃分

采用Meshing對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，加氣混凝土墻板配置的鋼筋和連接件與墻板構(gòu)件的尺寸相差較大，采用四面體網(wǎng)格劃分的方式；對(duì)模型各部分進(jìn)行命名，并修改網(wǎng)格尺寸；對(duì)各材料的交界面處進(jìn)行加密處理，特別是配筋、金屬連接件與墻板連接部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。

2.3 接觸與邊界條件

將模型導(dǎo)入到Fluent并設(shè)置邊界條件，以濟(jì)南地區(qū)為例，按照GB 50176—2016在墻板兩側(cè)分別設(shè)置第三類邊界條件：室內(nèi)溫度Ti=18.0℃（291.15 K），室外溫度To=-5.2℃（267.95 K）；墻體內(nèi)、外表面對(duì)流換熱系數(shù)hi、ho分別為8.7、23.0W/（m2·K）；其他面設(shè)置第二類邊界條件，即絕熱面q=0。

2.4 求解器選擇

選用三維分離式求解器，采用Coupled對(duì)速度壓力方程進(jìn)行求解，離散格式選取二階離散方法Second Order Upwind格式。

2.5 當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算

按以上設(shè)置模擬分析得到加氣混凝土墻板的傳熱量，墻板的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)可由式（1）計(jì)算：

式中：Φ——加氣混凝土墻板傳熱量，W；

A——垂直于熱流方向壁面面積，m2；

λe——加氣混凝土墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 鋼筋網(wǎng)片對(duì)加氣混凝土墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響

為研究鋼筋網(wǎng)片對(duì)加氣混凝土墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響，設(shè)計(jì)了A組7個(gè)試件進(jìn)行模擬分析。試件A1～A6僅配置雙層對(duì)稱鋼筋網(wǎng)片，不配置箍筋。試件A1～A3單層配置4根縱向鋼筋，試件A4～A6單層配置6根縱向鋼筋，縱向鋼筋和橫向鋼筋的直徑及模擬分析結(jié)果見(jiàn)表2，橫向鋼筋的間距見(jiàn)圖1；試件A0為對(duì)比試件，無(wú)配筋。

表2 配筋雙層鋼筋網(wǎng)片對(duì)墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由表2可知，與無(wú)配筋的試件A0相比，配置雙層鋼筋網(wǎng)片后加氣混凝土墻板的傳熱量增大，當(dāng)配置4根縱向鋼筋時(shí)，墻板的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)增幅為0.71%～1.06%，當(dāng)配置6根縱向鋼筋時(shí)，墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)增加幅度為1.29%～1.65%。由此可見(jiàn)，僅配置雙層鋼筋網(wǎng)片對(duì)加氣混凝土墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)雖然有影響，但導(dǎo)熱系數(shù)增幅較小。

3.2 箍筋對(duì)加氣混凝土墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響

根據(jù)GB/T 15762—2020的要求，加氣混凝土外墻板需配置箍筋與雙層鋼筋網(wǎng)片形成網(wǎng)籠以滿足受力要求。在實(shí)際應(yīng)用中，箍筋主要是采用鋼筋或者金屬質(zhì)拉結(jié)件（見(jiàn)圖2）。為了研究箍筋對(duì)加氣混凝土墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響，設(shè)計(jì)了B組4個(gè)試件進(jìn)行了模擬分析。B組試件鋼筋網(wǎng)片的配置與試件A6相同，僅改變箍筋的形式、尺寸以及材質(zhì)。為降低箍筋的傳熱量，試件B4選用FRP碳纖維材質(zhì)，按照GB 50176—2016的規(guī)定，F(xiàn)RP材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)取0.4 W/（m·K）。B組試件模擬分析結(jié)果見(jiàn)表3。

圖2 金屬質(zhì)拉結(jié)件示意

表3 箍筋對(duì)墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由表3可見(jiàn)，與無(wú)箍筋的試件A6相比，采用金屬質(zhì)箍筋的試件B1、B2、B3當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)增幅分別為4.17%、4.62%、6.71%，采用FRP材質(zhì)箍筋的試件B4，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)增幅僅為0.12%，這說(shuō)明配置箍筋對(duì)加氣混凝土墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響比較明顯，將金屬質(zhì)箍筋換成低導(dǎo)熱系數(shù)的FRP材質(zhì)后，可顯著降低墻板的傳熱量，從而降低箍筋對(duì)墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

B組試件加氣混凝土墻板箍筋處熱流分布云圖見(jiàn)圖3。

圖3 B組加氣混凝土墻板箍筋處熱流分布云圖

由圖3可見(jiàn)，采用FRP材質(zhì)試件B4箍筋處的溫度與熱流分布比較均勻，熱橋效應(yīng)較小；而試件B1～B3金屬質(zhì)箍筋附近的熱橋效應(yīng)較為明顯，平行于熱流方向箍筋的存在使得熱量在墻板呈現(xiàn)多維傳遞效應(yīng)，尤其是靠近箍筋的部位附近，溫度分布呈輻射狀，且熱流密度會(huì)發(fā)生急劇變化，形成熱橋效應(yīng)。與無(wú)配筋的試件A0相比，配置雙層鋼筋網(wǎng)片和金屬質(zhì)箍筋的試件B1、B2、B3當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)分別提高了5.88%、6.35%、8.47%，增幅均超過(guò)5%。

3.3 連接件對(duì)加氣混凝土墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響

連接件是連接加氣混凝土墻板與主體結(jié)構(gòu)的金屬配件，實(shí)際工程中外墻板常用的連接件主要采用住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部圖集13J101《蒸壓加氣混凝土砌塊、板材構(gòu)造》中的鉤頭螺栓。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部圖集19CJ85-1《裝配式建筑蒸壓加氣混凝土板圍護(hù)系統(tǒng)》中規(guī)定加氣混凝土外墻板與主體結(jié)構(gòu)的連接宜采用平板螺栓節(jié)點(diǎn)、鋼管錨節(jié)點(diǎn)或預(yù)埋件節(jié)點(diǎn)。圖4為加氣混凝土外墻板常用的連接件形式。

圖4 加氣混凝土外墻板常用的連接件示意

為研究連接件對(duì)加氣混凝土外墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響，設(shè)計(jì)了C組4個(gè)試件進(jìn)行了模擬分析。C組試件鋼筋網(wǎng)片和箍筋的配置與試件B3相同，僅改變連接件的類型。C組試件模擬分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 連接件對(duì)墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由表4可以看出，與無(wú)連接件的試件B3相比，試件C1、C2、C3的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)增幅分別為2.60%、2.06%、1.52%，而試件C4的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)增幅為8.35%。由此可見(jiàn)，預(yù)埋件節(jié)點(diǎn)對(duì)墻板熱工性能的影響最大，采用非貫通性熱橋的鋼管錨節(jié)點(diǎn)可有效降低連接件對(duì)墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響。與無(wú)配筋的試件A0相比，配置鋼筋網(wǎng)籠以及連接件的試件C1、C2、C3、C4的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)分別提高11.29%、10.71%、10.12%、17.53%。

在墻板連接件布置的區(qū)域進(jìn)行橫向剖切，以便于更好地展示各個(gè)連接件在加氣混凝土墻板內(nèi)的熱量分布，熱流分布云圖如圖5所示。

圖5 墻板連接件處熱流分布云圖

由圖5可見(jiàn)，連接件處熱橋效應(yīng)明顯，試件C1、C2、C3連接件處熱橋區(qū)域較小，尤其是試件C3連接件處熱橋區(qū)域僅為墻板寬度的1/2，而試件C4連接件處溫度急劇變化且熱橋區(qū)域大。

3.4 加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響

為了研究加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響，設(shè)計(jì)了D組7個(gè)試件進(jìn)行了模擬分析。D組試件鋼筋網(wǎng)片、箍筋及連接件的配置與試件C4相同，依據(jù)圖集13J101選取不同導(dǎo)熱系數(shù)的加氣混凝土進(jìn)行對(duì)比分析，模擬分析結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由表5可見(jiàn)，在加氣混凝土配筋及連接件不變的工況下，隨著加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的增大，加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)影響逐漸降低，這主要是配筋及連接件所用鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)約為加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)291～685倍，隨著加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的增大，配筋及連接件的傳熱量占?jí)Π蹇倐鳠崃康谋壤饾u減小的緣故。這說(shuō)明加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)越大，墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)增加幅度就越小，配筋及連接件對(duì)加氣混凝土當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響就越小。因此，對(duì)于低導(dǎo)熱系數(shù)的加氣混凝土墻板，建議在熱工計(jì)算時(shí)，除了按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)考慮平衡含水率對(duì)加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響外，還應(yīng)考慮配筋及連接件對(duì)加氣混凝土墻板熱工性能的影響。

4 結(jié)論

（1）僅配置雙層鋼筋網(wǎng)片對(duì)加氣混凝土墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響較小，但配置雙層鋼筋網(wǎng)片與金屬質(zhì)箍筋形成鋼筋網(wǎng)籠后，墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)較無(wú)配筋加氣混凝土板的增幅超過(guò)5%；將金屬質(zhì)箍筋換成低導(dǎo)熱系數(shù)的FRP碳纖維箍筋后，可以顯著降低配筋對(duì)加氣混凝土墻板熱工性能的影響。

（2）模擬分析結(jié)果顯示，墻板連接件處熱橋效應(yīng)明顯，預(yù)埋件節(jié)點(diǎn)對(duì)墻板熱工性能的影響最大，采用非貫通性熱橋的鋼管錨節(jié)點(diǎn)可有效降低連接件對(duì)墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

（3）與無(wú)配筋加氣混凝土板相比，配置鋼筋網(wǎng)籠和連接件的墻板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)增加10.12%～17.53%；且墻板的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)增加幅度隨著加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)增大而逐漸較小，因此，對(duì)于低導(dǎo)熱系數(shù)的加氣混凝土墻板，建議熱工計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮配筋和連接件對(duì)其熱工性能的影響。