新型夾芯保溫板在逐時溫度作用下的研究

張紹駿 陳婉清

摘 要：【目的】混凝土夾心板外葉往往較薄，逐時氣溫變化和太陽輻射對混凝土夾心板的溫度作用十分明顯，而荷載規(guī)范并沒有考慮這兩者的影響，本研究將考慮這兩個因素，并研究討論不同保溫層厚度和內外葉層厚度對夾芯板撓度的影響，為后續(xù)的試驗研究提供參考?！痉椒ā吭诂F有的理論研究基礎上，基于有限元軟件模擬出逐時溫度作用下一種新型夾芯板的內外葉逐時溫差和溫差引起的位移?！窘Y果】夾芯板在逐時溫度作用下，內外葉層的溫差、位移以正弦曲線的形式保持穩(wěn)定狀態(tài)?！窘Y論】夾芯板內外葉溫差的極值與夾芯板撓度的極值在相同時間取值、內外葉溫差曲線走勢與夾芯板撓度的變化趨勢、逐時溫度荷載的變化趨勢一致性較高。

關鍵詞：太陽輻射；逐時氣溫變化；混凝土夾芯板；有限元模擬

中圖分類號：TU37 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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

隨著國家持續(xù)推進“綠色建筑”戰(zhàn)略，裝配式建筑越來越受國家重視。其中，夾芯板憑借其優(yōu)異的保溫性能、施工一體化、標準化的特點，已經成為裝配式建筑重要的建筑材料。

目前，我國的荷載規(guī)范采用50年重現期的月平均最高和最低氣溫作為基本氣溫，并以穩(wěn)態(tài)溫度場計算溫度作用［1］，不考慮逐時溫度和太陽輻射的影響。而一般混凝土夾芯板為使其具有優(yōu)異的保溫性能，外葉混凝土層一般較薄，使得夾芯板外葉受逐時溫度的作用十分明顯［2］。

逐時溫度是一種非穩(wěn)態(tài)溫度。國內學者對此做了大量工作，如顧渭建等［3］、金偉良等［4］、夏勇等［5］采用有限差分法，李紅梅等［6］采用有限元法，梁建國等［7］采用解析法，劉揚等［8］采用現場實測混凝土逐時溫度變化，李誠鄀［9］采用諧波熱法計算混凝夾芯板的內外葉層溫度，梁建國等［10］推導了在溫度荷載作用下夾芯板的撓度計算公式。

本研究根據《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數據集》獲得哈爾濱、長沙、廣州等不同熱工氣候區(qū)的典型氣象年七月份（共31天）的逐時干球溫度和不同方向的逐時輻射強度數據，通過計算得出標準日的逐時溫度。對比發(fā)現長沙地區(qū)的標準日室外溫度較高，故本研究利用有限元軟件模擬分析夾芯板受長沙地區(qū)標準日室外溫度的作用。本研究模擬的是夏季室內開空調的工況（室內恒溫28 ℃），室外溫度荷載為標準日逐時溫度。通過有限元數值模擬，對比分析不同保溫層厚度、不同混凝土層厚度對夾芯板內外葉溫差的影響，以及對夾芯板撓度的影響。

1 標準日室外綜合溫度計算

1.1 標準日逐時空氣綜合溫度的獲取

首先，基于FFT算法對逐時干球溫度變化曲線加以處理分析，得到更平滑更準確的逐時氣象數據。然后，再采用參數估計法中的極大似然估計法，根據七月份每天24小時的整點溫度樣本值（即31組數據），假定其服從極值I型分布，估計每組數據的整體分布，得到其具體分布函數。最后，求50年一遇即發(fā)生概率2%（不發(fā)生概率98%）的溫度值，此溫度值為整點的溫度值且具有50年一遇的發(fā)生概率，由此得到標準日室外空氣溫度。

經查閱《民用建筑熱工設計規(guī)范》，綜合考慮建筑物外圍護結構的室外空氣溫度和太陽輻射作用，即用空氣綜合溫度［11］，其計算式見式（1）。

Te，t=Te（t）+[ρI（t）αe] （1）

式中：Te，t為空氣綜合溫度，℃；Te（t）為標準日空氣溫度，℃；ρ為外表面太陽輻射吸收系數；I（t）為外表面太陽輻射照度；αe為外表面換熱系數。經計算可知，東西墻的綜合溫度值較南北墻的綜合溫度更高，但東西墻的數據相差不大，故本研究采用夏季西墻的綜合溫度值。

1.2 標準日逐時空氣綜合溫度簡化

將式（1）按傅里葉級數表達，并近似取級數前兩項，則標準日綜合溫度可簡化成諧波熱作用［12］，見式（2）。

Tse=Te，p+Acos（[πt12]+φ） （2）

式中：Te，p為標準日平均綜合溫度，℃；A為日溫度的幅值，℃；φ為初相位。將式（2）的第一項視為穩(wěn)態(tài)溫度，即年溫度；第二項視為具有諧波特性的日溫度。

將上述公式進行簡化，即可得到長沙、廣州、哈爾濱的夏季西墻標準日溫度和簡化后的標準日溫度的對比情況，如圖1至圖3所示。

由圖1至圖3可知，長沙、廣州、哈爾濱地區(qū)的簡化后標準日溫度值曲線與標準日溫度值曲線的擬合度較好，經計算可得長沙、廣州、哈爾濱這兩條曲線的變異系數分別為2.81%、3.18%、4.3%，故可根據此方法得到長沙、廣州、哈爾濱等地區(qū)夏季建筑圍護結構的室外空氣綜合溫度，即夏季西墻標準日室外溫度，如圖4所示。

由圖4可知，長沙、廣州的夏季西墻室外空氣綜合溫度比哈爾濱的高；長沙與廣州的夏季西墻室外空氣綜合溫度相差不大，兩者的溫度曲線擬合度也較高，所以本研究僅模擬長沙地區(qū)夏季西墻的室外空氣綜合溫度。

2 數值模擬分析

2.1 分析模型

混凝土夾芯板是一種三層夾芯復合墻板，最外層與最內層分別稱為外葉、內葉，其材質均為C30混凝土層，中間層為保溫層，本研究用EPS板填充。這三層材料由混凝土連接件連接，此類板具有良好的保溫隔熱性。夾芯板材料的相關物理指標見表1，墻板的設計構造信息見表2和圖5。

QB2與其他混凝土夾芯板僅內外葉混凝土層與EPS板厚度不同，構造措施及混凝土連接件的布置都一樣，其余夾芯板的詳細構造措施可參考圖5。本研究中夾芯板外葉受長沙地區(qū)夏季西墻標準日逐時溫度作用，內葉受恒溫（室內空調28 ℃）作用，室外溫度荷載取值如圖1中簡化后標準日溫度曲線，圖1為單次加載循環(huán)。為更準確了解溫度荷載對夾芯板的影響，本研究模擬夾芯板在72 h內進行3次溫度荷載循環(huán)下的內外葉溫差變化和撓度變化。參照《民用建筑熱工設計規(guī)范》［11］，夾芯板內、外葉板表面換熱系數分別取8.7 W/（m2·K）、99 W/（m2·K），夾芯板的初始溫度取25 ℃。

本研究利用ABAQUS軟件計算出內外葉層的逐時平均溫度，再將外葉溫度值與內葉溫度值相減，得到內外葉層的溫差；再在ABAQUS軟件中做順序耦合，得到夾芯板的逐時撓度值。

2.2 保溫層厚度對內外葉溫差的影響

如圖6所示，QB1、QB2、QB3的外葉層厚度相等，三者內外葉的溫差在整個模擬階段相差極小。

2.3 內外葉層厚度對內外葉溫差的影響

如圖7所示，QB1、QB4、QB5的保溫層厚度相等，三者內外葉層的溫差在整個模擬階段相差極小。

2.4 保溫層厚度對夾芯板撓度的影響

由圖6可知，夾芯板QB1、QB2、QB3的內外葉溫差在整個模擬階段視為相等。由圖8可知，在極大值處，QB2、QB3的撓度較QB1的撓度分別增大了17.3%、34.26%，說明中間層的厚度對撓度的影響較大，中間層厚度越大，其撓度也越大。

2.5 內外葉層厚度對夾芯板撓度的影響

由圖7可知，夾芯板QB1、QB4、QB5的內外葉溫差在整個模擬階段視為相等。由圖9可知，在極大值處，QB4、QB5的撓度較QB1的撓度分別減小了-6.97%、-15.09%，說明內外葉層的厚度對撓度有一定的影響，且內外葉層厚度越大，其撓度越小。

3 結論

①夾芯板內葉溫差的極值與夾芯板撓度的極值在相同時間取值，且在下午五點左右達到最大。

②對于夏季室內開空調這一工況，夾芯板的保溫層厚度和內外葉層厚度對內外葉層溫差的影響較小。在相同溫差下，中間保溫層及連接件的厚度越大，其撓度越??；內外層厚度越大，夾芯板的撓度越小。

參考文獻：

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