現澆脲醛樹脂外墻外保溫系統實驗與仿真

鄭圓 王力 夏赟

摘?要：為了設計以脲醛樹脂泡沫保溫材料為保溫層的外墻外保溫系統，首先對各部件材料進行材性試驗，給出相應的材料參數;其次采用硅鈣裝飾板為外模板，設計兩種外墻外保溫系統方案，并應用有限元軟件ABAQUS建模，針對兩種方案在溫度變形、失水收縮以及風荷載下的受力性能進行模擬分析，給出兩種方案的構造措施;最后采用ABAQUS中的brittle cracking本構模型模擬脲醛樹脂的本構關系，探究保溫層因裂縫擴展而形成熱橋的可能性。研究表明：針對哈爾濱等嚴寒地區的高層建筑，所提出的外墻外保溫系統方案滿足安全性和經濟性要求，同時對建筑高度為30米以下的外墻外保溫系統，建議選用Ф24mm的圓柱形ABS塑料連接件和厚度6mm的硅鈣裝飾板，可同時保證結構安全且不產生熱橋。

關鍵詞：脲醛樹脂;外墻外保溫系統;ABAQUS模擬;裂縫模擬

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.008

中圖分類號： TU352.59

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）06-0040-06

Abstract：In order to design exterior wall external insulation system as urea formaldehyde is taken as the insulating layer?some material experiments are carried out to determine the material parameters of all parts in the system.?Two schemes of exterior wall external insulation system are designed?which use calcium silicate boards as exterior formwork.?The finite element software ABAQUS is utilized to simulate two systems under temperature deformation?shrinkage of insulating layer and wind load by model building.?Constructional measures of both schemes are put forward.?Finally?urea formaldehyde foam insulation uses the brittle cracking constitutive model in ABAQUS as its constitutive relation to investigate the possibility of insulating layer forming into heat bridge because of crack propagation.?The numerical results show that the schemes of exterior wall exterior insulation system for civil high buildings in severe cold area like Harbin can meet the demand for safety and economy.?It is recommended that Ф24mm cylindrical ABS connectors and 6mm thick calcium silicate boards should be chosen in exterior wall external insulation system when the building height is below 30m.?These can meet not only the demand for safety?but also the rules of not forming heat bridge in the insulation layer.

Keywords：urea formaldehyde; exterior wall external insulation system; ABAQUS simulation; crack simulation

0?引?言

目前國內常用聚苯板作為建筑墻體的保溫材料，但其易燃特性，給人們生命財產安全帶來了巨大隱患[1]，因此采用不易燃燒的新型保溫材料替代聚苯板，會有很好的市場前景[2]。脲醛樹脂泡沫保溫材料（UFFI）是一種燃燒性能等級達B1級的有機保溫材料[3]，即使遇明火也不會燃燒或快速熔融[4]，同時它還兼具聚苯板的保溫性能和廉價的優點[5]，是聚苯板很好的替代產品。

脲醛樹脂泡沫保溫材料是由尿素和甲醛先后發生加成和縮合反應[6-7]，再加入酸類固化劑和發泡劑后，得到的固化產物。該材料在俄羅斯已廣泛應用幾十年[8]，但在國內還屬于新型保溫材料，僅在夾芯保溫結構中的現澆墻體保溫和屋頂保溫中應用[9]。目前還沒有對其進行過較系統的研究，實際應用中存在的問題也沒有解決，而對其在建筑節能的外墻外保溫系統中的應用至今無人研究。

本文提出的現澆脲醛樹脂外墻外保溫系統是采用硅鈣裝飾板為外側免拆模板，用基墻做內側模板，通過連接件將內外兩側模板連接成截面尺寸準確的空腔構造，在空腔內澆筑UFFI脲醛樹脂泡沫所形成的外墻外保溫系統[10-11]，如圖1所示。

1?材性試驗

該外墻外保溫系統中連接件材料采用ABS塑料[12]。為了對該系統進行有限元分析，對系統采用的各類材料進行了必要的材性試驗，包括密度、抗拉強度、抗剪強度、彈性模量、泊松比等試驗。在有限元分析模型中考慮部件材料間的相互作用，引入摩擦系數，并通過試驗測定脲醛樹脂分別與ABS塑料、硅鈣板和混凝土之間的摩擦系數。相關試件及試驗如圖2所示，試驗結果見表1。

2?有限元分析

采用ABAQUS有限元軟件進行模擬分析，該系統的有限元模型由4部分組成：硅鈣裝飾板、保溫層、基墻及連接件。根據不同的設計要求，對所提出的外墻外保溫系統方案進行優化設計，提出合理的尺寸構造方案，并探究外墻外保溫系統中保溫層因裂縫擴展而形成熱橋的可能性。本研究以哈爾濱地區為例。

2.1?外墻外保溫系統分析

2.1.1?方案1有限元模型

選取600mm×600mm范圍內的保溫系統，本方案所建立的模型中部均勻布置四個連接件，間距400mm，每個連接件距離裝飾板邊緣100mm，形狀為圓柱體。圖3為該方案有限元模型整體及局部效果圖。模型中各部件的材料及尺寸見表2。

2.1.2?方案2有限元模型

由于方案1裝飾板四邊是自由邊，在實際應用中要在每塊裝飾板的四周做企口，使板與板能搭接在一起，并且需預制四個孔來固定連接件，裝飾板制作工藝較復雜，因此設計了方案2。

方案2的連接件截面為十字形，建立9塊裝飾板范圍內的有限元模型，每塊裝飾板的規格依然采用600mm×600mm，脲醛樹脂保溫層厚度100mm，圖4為該方案有限元模型效果圖。

模型中各部件均采用實體單元C3D8R，連接件與外層裝飾板、內層基墻的接觸面采用Tie約束，而在中間保溫層與其它部件的接觸面上，法向方向建立硬接觸（Hard Contact），切向方向采用罰摩擦（Penalty）來模擬[13]。模型材料參數根據材性試驗結果進行設定。

由于外墻外保溫系統主要承擔自重和風荷載作用，同時考慮脲醛樹脂現澆后失水收縮和溫度收縮性能，因此在定義模型分析步時分為三個分析步，以分別考慮三類荷載作用對該系統的影響。第一個分析步模擬模型承受重力作用。第二個分析步模擬中間保溫層失水收縮和溫度收縮作用，此分析步中通過設定脲醛樹脂的線膨脹系數，以及定義初始溫度和終止溫度的方法，來實現保溫層收縮變形的效果[14]。第三個分析步模擬風荷載對結構的作用，擬按照三種不同建筑高度進行分析，即在某高層建筑的10層（30m）、20層（60m）和30層（90m）位置處，參考《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）中哈爾濱地區的基本風壓，按C類地面粗糙度，計算普通民用住宅圍護結構的風吸和風壓荷載標準值，先后作用在該系統的裝飾板上，進行有限元模型的受力分析，計算結果見表3。

2.1.3?模擬結果與分析

由于模型中各構件的受力形式主要為拉應力，而連接件材料（ABS塑料）和裝飾板材料（硅鈣板）都是脆性材料，因此基于第一強度理論，設計連接件尺寸時，其最大拉應力和最大剪應力應分別小于材料的抗拉強度和抗剪強度[15];設計裝飾板厚度時，其最大主應力應小于材料抗拉強度，同時裝飾板平面外偏離保溫層的距離需控制在規范規定的3mm范圍內。

通過理論分析和有限元計算結果發現，連接件的受力比較復雜，除了受面內的拉力外，還受剪力、彎矩和扭矩作用。因此，在進行有限元計算前，通過修改inp文件可輸出連接件端部控制截面內的力和力矩，根據材料力學原理進行分析計算，從而得到連接件的最大拉應力和剪應力。同時根據有限元計算結果發現，在相同的構件尺寸條件下，結構在風吸作用下，四類控制參數數值均大于風壓作用的計算結果，因此依據風吸作用下的四類控制參數計算結果來設計構件尺寸。

經計算分析得到在風吸作用下，方案1四類構件控制參數在三種建筑高度（30m、60m和90m）下的計算結果，以表4、表5為例;方案2的計算結果，以表6為例。根據材性試驗及相關規范得到的ABS塑料和硅鈣板的4個控制指標，如表7所示。

將四類控制參數的計算結果與表7中材料的控制指標進行比較，從而提出經濟合理并具有一定安全儲備的尺寸構造方案。對方案1，當建筑高度為30m、60m及90m以下時，建議分別采用直徑24mm、厚度6mm，直徑26mm、厚度6mm，直徑28mm、厚度8mm的連接件和裝飾板;對方案2，當建筑高度為30m、60m及90m以下時，建議采用10mm×50mm的十字形連接件和厚度10mm的硅鈣裝飾板。

以30m以下建筑高度為例，方案1和方案2外墻外保溫系統平面布置如圖5、圖6所示。

2.2?保溫層裂縫擴展分析

2.2.1?有限元模型

保溫層材料采用的脲醛樹脂是一種脆性材料，抗拉強度較低，易開裂，考慮到裂縫對其保溫效果影響較大[16]，因此采用有限元軟件模擬的方法，進行優化設計，減少保溫層材料的裂縫開展，避免由于開裂后形成的裂縫區域過大而產生熱橋。鑒于脲醛樹脂受壓為線彈性而受拉為脆性的特點，在上述方案1有限元模型的基礎上，選用ABAQUS中的脆性裂縫本構模型（brittle cracking）作為脲醛樹脂材料的本構關系[17-18]。由于該本構模型只能在顯式分析中應用，因此整個模型改用顯式分析Explicit進行計算。為顯示出保溫層裂縫擴展區域，應用了ABAQUS中單元失效的概念，增加場變量STATUS的輸出[19]。要判斷材料任一點是否開裂主要是根據該點處最大主應力的大小[20]，通過上述有限元模型的計算結果發現，風荷載作用對于保溫層最大主應力的影響很?。L吸情況降低0.3%，風壓情況提高0.2%），因此本模型中僅考慮重力和保溫層收縮變形的影響。

2.2.2?模擬結果與分析

本文只對方案1進行分析，根據有限元模擬建筑高度30m處的計算結果可知，保溫層裂縫集中出現在連接件附近。裂縫開展近似呈十字形，主要是因為連接件阻止保溫層的收縮變形，以致于在靠近連接件附近的材料內部應力達到開裂強度而產生裂縫[21]。當分析步進行到0.6時（相當于收縮應變為9.72×10-3），上層連接件附近保溫層首先出現細微裂縫，裂縫開展的方向與對角連接件的連線近似垂直，裂縫區域的寬度為1.6mm、長度為7mm。隨著保溫層繼續收縮變形，上層裂縫逐漸擴展，同時下層連接件附近保溫層也開始出現裂縫，且與上層裂縫開展方向類似。最后，每個連接件附近均出現兩處裂縫，而位于上層的裂縫區域最大，寬度為5.2mm、長度為45mm。其余各裂縫區域，均在寬度3.5mm、長度25mm左右，上層左側連接件附近的保溫層裂縫區域如圖7所示。

裂縫區域特點：由于保溫層收縮變形以及連接件的位置都是中心對稱的，所以保溫層均勻向連接件中心收縮，當受到四角連接件的阻礙時，與對角連接件連線垂直方向的保溫層受拉而首先出現裂縫。

采用ABAQUS有限元軟件進行計算分析時，采用STATUS命令，實現零應力狀態單元的缺失，從而間接表示材料的裂縫區域，但這只是裂縫擴展的范圍，并非是真實的裂縫。首先，模擬采用的是實體單元，而事實上裂縫可以是單元內的任意一個面，因此模擬中當單元應力降為零后發生的變形就會比實際裂縫寬度要大。其次，當材料產生裂縫時，裂縫周邊小范圍內材料應力也隨之降為零，應用STATUS命令，則裂縫周邊零應力單元也隨之消失，因此零應力區域比實際裂縫寬度還要寬?；谝陨蟽牲c可以判斷，有限元模擬中單元缺失區域同時包含裂縫及其周邊小范圍內零應力狀態的區域，所以實際裂縫寬度要比模擬出的單元缺失區域寬度小很多。因此，可認為沒有產生熱橋。但是建議適當提高脲醛樹脂材料的抗拉強度和韌性，以保證裂縫寬度滿足要求。

3?結?論

1）對方案1，當建筑高度為30m、60m及90m以下時，建議分別采用直徑24mm、厚度6mm，直徑26mm、厚度6mm，直徑28mm、厚度8mm的連接件和裝飾板;對方案2，當建筑高度為30米、60米及90米以下時，建議采用10mm×50mm的十字形連接件和厚度10mm的硅鈣裝飾板。

2）保溫層裂縫集中出現在連接件附近，裂縫開展呈十字形，每個連接件附近有兩處裂縫，而位于上層連接件附近的裂縫區域最大，寬度為5.2mm、長度為45mm，其余各裂縫區域，均在寬度3.5mm、長度25mm左右。

3）對于方案1，建筑高度30m以下時，保溫層產生的裂縫寬度滿足規范中保溫層不產生熱橋的規定。但仍然建議適當提高保溫層材料脲醛樹脂泡沫的抗拉強度和韌性，以保證節能效果。

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（編輯：關?毅）