溫差對含相變材料玻璃幕墻溫度和應力的影響及分析

王封順 王西奇 張 浩

東北石油大學土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318

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溫差對含相變材料玻璃幕墻溫度和應力的影響及分析

王封順 王西奇 張 浩

東北石油大學土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318

玻璃幕墻對建筑的節(jié)能有著不可代替的作用，含相變材料的玻璃幕墻對保溫有良好的作用，也是發(fā)展的趨勢。本文主要對含石蠟玻璃幕墻在溫差作用下，利用ansys對室內室和室外溫度的變化對玻璃幕墻溫度及應力的影響。

ansys；溫度場；應力分布

隨著社會的進步，玻璃幕墻已經大面積的使用在建筑中，對建筑的使用功能和建筑的裝飾功能有不可代替的功能。

但是玻璃幕墻也有著各種隱患，比如在溫差作用下，玻璃幕墻兩側就會產生溫度應力，溫度應力的存在不僅影響玻璃的壽命和室內熱量的損失(特別是冬季)，還有可能產生斷裂破壞，危害著人民的生命財產安全。

本文主要研究溫差對含石蠟玻璃幕墻溫度和應力的影響及分析，在溫差作用下，幕墻溫度場的分布及應力的分布。

一、有限元分析模型的建立

(一)含石蠟玻璃幕墻四周約束的簡化

目前，很多學者對玻璃幕墻進行了有限元分析研究，得到了一些規(guī)律性的結論。但大部分是基于邊界固定約束或簡支式約束，與設計結果相比，固定約束計算值偏大；而簡支式約束由于應力得到釋放，結果與計算值相比偏小。含相變材料玻璃幕墻處于剛剛起步階段，國內外學者對含石蠟玻璃幕墻的研究甚少，為了保證其可靠性，本次模擬選擇固定約束。

(二)有限元模型的建立

采用熱應力耦合單元Brick 20 node 226單元模擬含石蠟玻璃幕墻在溫差作用下溫度分布和應力分布規(guī)律。玻璃幕墻外層尺寸為500mm×500mm×4mm，中間層石臘的厚度為9mm。材料參數(shù)：玻璃彈性模量7.2×10-5Mpa，泊松比0.2，線膨脹系數(shù)1×10-5厚度，導熱系數(shù)為0.76，密度為140kg/m3，比熱容為790J/(kg·℃)；石蠟的比熱容為4810/3110 J/(kg·℃)，導熱系數(shù)為0.2，密度為880 kg/m3。

二、溫差作用下玻璃內外溫度及應力分布

(一)溫差作用下玻璃內外溫度的分布

我國是一個能源消耗大國，合理的利用和控制能源的使用有著重大意義。玻璃幕墻建筑已成為當今潮流。如何更好的利用玻璃幕墻節(jié)約能源是我們專業(yè)的重大責任。本文主要通過玻璃幕墻內外溫度差來模擬一下，玻璃幕墻表面的溫度變化情況，假定室內外溫度如下表1、圖1所示：

表1

根據(jù)內外溫差的不同，利用ansys進行模擬，得出了玻璃幕墻內外玻璃表面溫度的變化范圍規(guī)律，從室內外玻璃表面溫度變化規(guī)律對比可以看出，當室外溫度為零下30攝氏度時，內外溫度相差特別大，隨著室外溫度逐漸升高，室內外溫差逐漸變小，但是室內玻璃幕墻表面的溫度的變化相對來說不是很大，這充分說明了，室內外玻璃表面溫差越大，保溫效果越好，大大減少了能量的損耗，節(jié)約能源。

(二)玻璃幕墻溫度應力的分析

含相變材料玻璃幕墻根據(jù)上面的分析，對保溫效果相對來說還是不錯，但同時也要滿足應力的要求，下面就利用ANSYS進行溫度應力的分析，室內外的溫度設定還是利用上面的數(shù)據(jù)進行模擬，模擬結果如下圖2所示：

圖1

圖2

由圖可以分析當溫度是零下三十度時最大拉壓應力都比較大，主要原因是內外溫差過大，導致壓應力和拉應力都比較大。隨著室外溫度逐漸升高，直到零下十度時，拉應力和壓應力都有所降低。溫度為三十度時，拉壓應力又回升到最大，但是都不超過應力的最大值，也就是不會對玻璃產生應力破壞。

三、結論

對含相變材料玻璃幕墻在不同溫差作用下玻璃內外表面溫度分布規(guī)律，以及溫差作用下玻璃表面應力最大值的分析，可以知道，內含相變材料玻璃幕墻內外溫差較大，對保溫效果比較樂觀，所以對建筑節(jié)能方面比較有實際應用價值。玻璃幕墻只有在溫差較大時才會對玻璃表面產生較大應力，其他溫度作用下，應力分布較小，但是最大值也不超過普通玻璃的規(guī)定值。所以含相變材料不僅不會造成應力破壞，同時還會減少能量損失，節(jié)約大量能源。

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