考慮溫度影響的集成凸窗結構力學性能分析

赫傳凱

(國家電子工程建筑及環境性能質量監督檢驗中心， 北京 100142)

在預制裝配式混凝土結構中，廣泛使用的夾心保溫墻板是一種新型復合墻板，該新型夾心保溫復合墻板由內層混凝土、中間保溫層、外層混凝土及連接件組成，其中連接件穿過保溫材料層，兩端分別錨固于內葉墻和外葉墻中。其中連接件主要功能是傳遞內外葉混凝土墻體之間的水平及豎向荷載、協調變形[1]。不銹鋼連接件因其耐腐蝕性能好、導熱系低、強度高等優勢，是裝配式混凝土結構常用配件[2]。相對于其他類型的凸窗，該新型夾心復合墻板集成的凸窗結構在生產及裝配過程中，由于其預留主筋便利、安裝方便等優勢因素大大減少了構件的運輸及吊裝工作量，提高了預制建筑裝配效率，縮短了施工周期，因此在裝配式建筑領域有廣闊的應用前景[3]。由其集成的凸窗結構與墻板本身相比，屬于受溫度作用影響較大的薄弱構件，裝配建筑結構凸窗是預制裝配式結構的重要組成部分，因此，研究凸窗構件在溫度作用下產生的內部應力及變形對分析裝配式整體結構意義重大。

目前，關于新型保溫墻板集成的墻身在溫度作用下的力學性能研究較多，Li等[4-5]提出了一種三層皮夾心保溫的預制復合墻體，并對該墻體進行了熱工計算、熱箱試驗驗證和參數計算研究。證實由于熱路徑加長，三層板夾心墻體比一般的雙層板夾心墻體有更好的保溫及力學性能。 Jeong等[6]用紅外熱像法和 PHYSIBEL 軟件模擬法，分別對混凝土結構住宅外圍護結構中的T型、L型及S型墻角處的熱橋保溫性能和熱橋影響范圍，并推算處可以估算墻角在邊界條件下的熱橋效應的數學模型。

該集成凸窗由不同性能的材料復合而成，由于相互之間的協調變形，會產生內力，當內力及變形較大時，會對整體結構產生影響[7]。目前缺少該夾心保溫墻板集成的凸窗在溫度作用下的力學性能分析，本文采用有限元仿真方法，通過建立某典型尺寸凸窗結構的力學性能分析模型，采用考慮溫度影響的混凝土本構模型，模擬了兩種典型環境溫度作用工況，得到了在重力荷載和溫度作用下凸窗結構的內力及變形，并對其進行了力學性能評價。

1 模型建立

1.1 計算模型

研究對象是有不銹鋼連接件的某典型尺寸夾心保溫墻板集成凸窗。該凸窗寬度為2.50 m，高度為3.00 m，懸挑長度為0.80 m，主體結構保溫層厚度為100 mm，凸窗保溫層厚度為60 mm，凸窗混凝土強度為C30，凸窗的詳細尺寸及連接件的詳細布置如圖1所示。凸窗所用連接件型號如表1所示，其中板式連接件材料屈服強度為448 MPa，抗拉強度為778 MPa；針式連接件材料屈服強度為690 MPa，抗拉強度為800 MPa。

表1 凸窗所用保溫連接件型號

圖1 凸窗結構及連接件分布圖

溫度作用下力學性能分析時，材料的溫度參數主要包括密度、比熱和導熱系數，表2為材料物理力學參數。

表2 凸窗整體結構材料物理力學參數

1.2 基本假設

影響連接件傳力系數的因素較多，為了簡化分析，采取以下假定：①凸窗整體結構處于彈性階段；②不考慮不銹鋼連接件與混凝土之間的滑移。

1.3 材料本構

由于混凝土材料力學性能受溫度影響，本文引入熱力學中自由能概念，采用基于彈性應變，包含溫度自由能函數的混凝土熱-力耦合本構模型[8]。

混凝土的自由能分為熱-彈性部分及熱-塑性部分，表達式為

(1)

材料本構必須滿足熱力學不等式Clausius-Duhem不等式要求，即

(2)

自由能函數的導數為

(3)

將式(3)代入式(2)可得

(4)

式(4)需滿足:

(5)

包含溫度變量的彈性自由能表達式[9]為

(6)

βkl=βδkl

(7)

(8)

(9)

式(9)中：E(T)及v(T)分別為溫度T條件下的彈性模量和泊松比；δij和δkl為kronecker-δ符號。

將彈性自由能對彈性對彈性應變求導，得到彈性應力應變關系為

(10)

另外，混凝土的塑性應變采用硬化參量來修正。

在建立連接件及保溫層模型時假定連接件與保溫層之間為完全抗剪連接，不考慮滑移，直接粘結在一起，連接件與混凝土內外墻之間連接采用Combin39非線性彈簧單元模擬，彈簧單元的力-變形曲線可根據錨固長度以及混凝土墻板的強度等級建立[10]。

1.4 邊界條件

溫度作用下凸窗結構邊界條件：凸窗外部邊界條件為熱力學邊界，根據第三類傳熱邊界條件，空氣與凸窗之間采用熱對流的方式進行傳熱。

力學性能模型邊界條件：內頁墻板固定約束。

1.5 分析模型建立

利用有限元軟件ABAQUS建立凸窗模型，包括內葉墻板、保溫層、外葉墻板、連接件。其中連接件采用二維線單元，其余采用三維實體DC3D8單元，實體單元網格尺寸為50 mm。對各材料賦予熱工性能參數并整合成整體。連接件及整體模型如圖2、圖3所示。

圖2 連接件模型圖

圖3 凸窗整體模型圖

2 分析工況

第一種工況為室外溫度65 ℃，室內溫度20 ℃，模擬夏季室內外溫差；第二種工況室內溫度20 ℃，室外溫度-20 ℃，模擬冬季室內外溫差。室內傳熱系數取8.7 W/(m·K)，室外傳熱系數取23.3 W/(m·K)，溫度作用分析狀態為瞬態計算，外墻兩側均為絕熱面[11]，考慮自重荷載。

3 計算結果及分析

3.1 溫度梯度計算結果

第一種工況下凸窗內外溫度、保溫層、針式連接件及板式連接件溫度場分布如圖4和圖5所示，結果表明，凸窗內外溫度與設計溫度基本一致，說明了保溫層效果良好，連接件在錨固區與混凝土溫度變化一致，且由于連接件的存在，使得熱量在墻體的傳遞出現了明顯了多維效應，使得保溫層溫度梯度變化明顯。

圖4 工況一凸窗和保溫層溫度場

圖5 工況一針式和板式連接件溫度場計算結果

第二種工況下凸窗內外溫度、保溫層、針式及板式連接件溫度場分布如圖6和圖7所示，計算結果表明，連接件的存在，使得溫度變化梯度明顯，連接件是保證保溫效果的重要配件。

圖6 工況二保溫層溫度場

圖7 工況二針式和板式連接件溫度場計算結果

針式連接件計算結果與板式連接件計算結果在溫度梯度，熱流密度及變化規律與板式連接件一致。

3.2 力學性能計算結果

第一種工況下，凸窗x向中部變形約0.6 mm；凸窗側面混凝土膨脹變形約為0.2 mm，y向兩側熱膨脹變形約為0.7 mm；凸窗z向的膨脹變形約為5.4 mm，連接件處混凝土的應力為1.35 MPa，凸窗的整體位移云圖如圖8(a)所示，連接處混凝土應力如圖8(b)所示。

圖8 工況一凸窗整體變形和混凝土應力分布

第二種工況下，凸窗x向中部變形約0.4 mm；凸窗側面混凝土膨脹變形約為0.1 mm，y向兩側熱膨脹變形約為0.2 mm；凸窗z向的膨脹變形約為1.62 mm，連接件處混凝土的應力為1.32 MPa，凸窗的整體位移云圖如圖9(a)所示，連接處混凝土應力如圖9(b)所示。

圖9 工況二凸窗整體變形和混凝土應力分布

兩種工況下，連接件的最大應力及變形計算結果如表3所示。

表3 連接件應力及變形計算結果

計算可知，在溫差變化很大的情況下，連接件的內力及變形均較小，符合規范要求，結構不會發生損傷和破壞。其中，工況一下連接件的應力分布及變形如圖10所示；工況二下連接件的應力分布及變形如圖11所示。

圖10 工況一連接件變形

圖11 工況二連接件變形

4 結論

(1)有連接件的夾心保溫墻板集成凸窗結構，在室內外溫差變化較大時，內外墻板的溫度基本與室內外一致，具有良好的保溫性能。

(2)不銹鋼連接件溫度變化梯度與保溫層一致，兩端錨固區域內與混凝土一致，說明其良好的熱工性能。

(3)連接件因為與混凝土協同變形，但產生的內力遠小于其屈服強度，其中板式連接件產生的內力更小。連接件附近的混凝土拉應力均小于其設計值，整體位移變形均較小，說明在溫差較大時，有連接件的夾心保溫集成凸窗結構仍具有良好的力學性能。

(4)研究成果可為夾心保溫墻板集成結構提供設計依據，為其在預制裝配式建筑結構廣泛應用提供理論支撐。