用于玻璃溫室天溝連接處的斷橋式螺栓研究

朱志恒

（山東農業大學，山東 泰安 271018）

引言

溫室大棚屋脊會設有排水天溝，排水天溝主要用于溫室大棚屋頂的排水、排污工作。目前的溫室大棚結構中，排水天溝通常是獨立設置在大棚屋檐處的，以便收集從屋脊流下來的污水，給溫室大棚減輕了非常大的重量負擔。一般天溝與大棚骨架接觸面和連接處用普通螺栓連接，但因內外溫差，造成傳熱密集，在內表面溫度較低的部位容易形成冷熱橋。對于冷熱橋造成的影響，首先，冷熱橋部位內表面溫度比較低，寒冬期間冷熱橋溫度低于露點溫度時，水蒸氣就會凝結在冷熱橋的表面上，形成結露；再者，空氣中的灰塵容易粘在冷熱橋上，逐漸變黑后長菌發霉。

在玻璃溫室中，天溝既是一種結構承力部件，也是重要的屋面排水部件。通過合理設計玻璃溫室的結構，可以最大效率地利用太陽能的輻射能[1]。天溝與大棚骨架的接觸面和連接處是溫室向外散熱的根源。在天溝與大棚骨架的連接處，若使用普通鍍鋅螺栓，將會在天溝連接處形成“熱橋”[2]。天溝連接處熱橋部位會引起溫室熱量損失。尤其是大跨度溫室中，其天溝的數量多，連接構件量大，熱量損失就相當可觀，不利于節能要求，對這些部位必須采取隔熱保溫措施[3]。

在整個溫室結構當中，天溝既作為一種結構部件承擔力學功能，也作為溫室主要的屋面排水構件，但現在大部分溫室采用鍍鋅鋼板折彎件作為天溝的材料，造成天溝部分成為溫室傳熱最大的冷橋，非常不利于溫室的冬季保溫。

張洪源等發明了一種快速自鎖自摩擦保溫螺栓，該保溫螺栓結構有膨脹套管和鎖定螺釘，優點為可以對外墻保溫系統進行固定，在熱脹冷縮的作用下，不易讓該螺栓從保溫板中頂出，影響固定效果，并且在保溫螺栓受到向外拉力時，不易從墻體中滑出，固定效果好，不存在安全隱患，結構簡單，操作方便，可大大提高外墻保溫板施工速度，從而提高施工效率，縮短施工周期[4]。王愛國等發明了一種永久封堵保溫對拉螺栓連接件，該螺栓的結構有螺桿、螺母、螺絲和空心套管等構成，優點為不用兩次堵住對拉螺栓孔口，可以有效地避免冷熱橋的傳遞，降低成本、縮短工期[5]。劉坤等發明了一種承力型保溫節能對拉螺栓拉桿，該螺栓的結構由金屬芯、隔熱層和連接固定裝置等組成，優點為該螺栓具有一定的承載力，同時螺栓的隔熱層充當斷橋，可以有效地進行保溫[6]。張明等發明了一種用于建筑外墻固定保溫板材的膠合膨脹螺栓，該保溫螺栓結構包括螺桿、螺紋槽、螺母和螺栓外殼等組成，優點為該螺栓的螺栓外殼和螺桿之間不容易發生旋轉現象，同時讓膨脹螺栓在使用后，可以比較簡便地進行螺栓拆除，施工方便[7]。林國海發明了一種外保溫現澆混凝土墻體對拉螺栓專利，該螺栓的結構由外側螺桿、固定桿、內側螺桿組成，優點為提供一種能夠對現澆混凝土墻體施工工序進行簡化、也可以降低成本、提高墻體的質量等[8]。

斷橋保溫技術是采取一定的措施來切斷熱橋（簡稱斷橋），減小建筑物內外熱量傳遞。國內的學者也對斷橋保溫技術有了一定的研究，如邵郁、楊雪等研究了在嚴寒地區裝配式住宅中，使用嵌入式外墻內外保溫斷橋構造方式，得出結論為外保溫加內保溫斷橋構造熱流量最小，保溫效果最好[9]。石煒煒等研究了斷橋式再生混凝土自保溫砌塊利用斷橋部分的設置，增加了傳熱熱阻，阻斷了熱流的傳遞[10]。王文輝，研究了斷橋網架式保溫系統其中的斷橋技術可對建筑的結構全方面覆蓋，基本上消除了“熱橋”的現象[11]。王旭彤研究了BFRP 熱斷橋結構的力學及熱工學性能，針對建筑物中典型的熱橋是陽臺熱橋，利用陽臺熱斷橋的結構，可以有效地減少熱流量的傳遞[12]。綜合國內外研究學者的成果可以看出，斷橋式結構對房屋建筑的導熱性能等方面有顯著的影響。研究表明，斷橋連接技術可以有效解決大部分結構冷熱橋問題，斷橋材料的選用是斷橋連接技術的核心，目前關于斷橋連接技術和斷橋材料選用的研究較少[13]。劉涼銘發明了一種具有加強型螺栓孔的斷橋鋁塑復合型材，材料包括鋁合金型材和塑料型材等，該發明能夠避免封閉式螺栓孔裂開，增大材料間連接的牢固性，有利用降低了使用成本，同時也增加了材料的使用壽命[14]。陳鵬等發明了一種帶有螺栓安裝孔的明框斷橋立柱型材，該發明可以有顯著效果的隔絕熱量[15]。

顯然，大多數發明者對于使螺栓保溫的方式主要是利用螺栓的特殊的結構，從而讓螺栓起到保溫的作用；斷橋式結構的研究大多數是對墻體進行斷橋處理來阻斷冷熱橋熱量的傳遞，斷橋式結構對房屋建筑的導熱性能等方面有顯著的影響，但大多數學者對于把斷橋式技術應用到螺栓上，對螺栓本身進行改造，以及斷橋式結構影響溫室結構的保溫性能的研究相對較少。

本文提出自主研發新型變徑斷橋式螺栓。螺栓應用斷橋式結構可以有效地阻斷冷熱橋上熱量的傳遞，同時該螺栓的變徑結構增強連接性。用無機材料環氧樹脂玻璃纖維作為隔熱材料[13]，該新型螺栓在功能上滿足承受溫室結構荷載的要求，同時比普通鍍鋅螺栓耐腐蝕且重量輕，而且最重要的是具有隔熱能力和很好的保溫作用，可以有效解決天溝連接處形成冷熱橋的問題。

1 螺栓結構設計

1.1 變徑斷橋式螺栓

螺栓由長度為30 mm 的M12 鍍鋅螺栓相互配合加工而成，首先將其一端加工成長度為12 mm 的M6螺栓；斷橋部分為隔熱性能良好的環氧樹脂玻璃纖維。兩螺栓相距6 mm，與斷橋一同組成一個完整的保溫型螺栓。

1.2 螺栓結構設計

該螺栓為一種用于天溝連接處的節能型變徑斷橋式螺栓，包括兩個相對設置的螺體，以及連接兩個螺體的保溫粘結劑，螺體包括大徑段，以及插入所述保溫黏結劑內的小徑段，小徑段的一端固接在大徑段的端面上。

兩個螺體通過保溫黏結劑連接，減緩了導熱速度，增強了保溫效果，減小保溫性能差，隔熱效果好，同時固接安全、易安裝；通過小徑段和大徑段的設置，提高保溫粘結劑固化后的強度。

1.3 螺栓的加工工藝

步驟1：使用車床將長度為30 mm 的M12 螺栓（截面直徑為12 mm），一端加工成長度為18 mm 的M12 大徑，另一端加工成長度為12 mm 的M6 小徑的螺栓組合體。

步驟2：固定兩螺栓組合體，使12 mm 的M6 小徑部分的頂端相隔6 mm，同時保證兩螺栓的軸線位于同一條直線上。

步驟3：通過人工方法將提前按比例配置的環氧樹脂和固化劑混合后的溶液澆筑，經風干后得到變徑斷橋式螺栓。

2 螺栓的有關性能的數值模擬與計算

用ANSYS 軟件進行了有關力學性能及二維穩態的傳熱模擬，得到了該斷橋式螺栓的有關性能。

2.1 變形量

用ANSYS 軟件模擬得到該螺栓的變形量云圖，見圖2。

結果表明：變形量不會影響結構強度。

2.2 等效應力

用ANSYS 軟件模擬得到該螺栓的等效應力云圖，見圖3。

結果表明：結構可以完全承擔材料因為溫差產生的形變的應力。

2.3 溫度分布

用ANSYS 軟件模擬得到該螺栓的溫度分布圖，見圖4。

結果表明：在兩側溫差的作用下，可以明顯看出斷橋螺栓在在斷橋處顯著有效的阻礙了熱的傳遞。

2.4 螺栓的傳熱的計算

前提條件：對保溫螺栓按一維穩態導熱近似計算：

2.4.1 邊界條件

左側溫度t1=20 ℃；右側溫度t1=0 ℃；兩側溫度差Δt=20 ℃

2.4.2 基本物性

變徑斷橋式螺栓總長度l1＝0.066 m；螺栓外側大經碳鋼長度l1＝0.018 m；

螺栓斷橋處環氧樹脂長度l3＝0.006 m；螺栓內測小徑碳鋼長度l4＝0.012 m；

螺栓一側大小徑總長度l5＝0.03 m；環氧樹脂的導熱系數。

2.4.3 一維穩態下的傳熱量

根據一維穩態下的傳熱方程式：Φ=AKΔt。

變徑斷橋式螺栓的熱流量：Φ1=AK1Δt=7.29×10-2W。

同規格普通螺栓的熱流量：Φ2=AK2Δt=2.05 W。

3 力-位移變化曲線試驗研究

試驗方法如下所述：

1）隨機在多個變徑斷橋式螺栓中，利用隨機取樣的方法，抽取3 個螺栓進行試驗。

2）分別對三個變徑斷橋式螺栓進行單向拉伸試驗。

其中一組的試驗力-位移變化曲線如圖5 所示，部分具有代表性的數據點如表1 所示。

實驗測試變徑斷橋式螺栓的抗拉強度，多次實驗取平均值，平均抗拉力是2 553 N，抗拉強度22.57 MPa。

4 結論

通過對生活中的普通鍍鋅螺栓進行改造，使其變成帶有斷橋式結構的節能型變徑斷橋式螺栓。該螺栓斷橋式結構能阻斷熱量的傳遞，變徑結構能增強螺栓整體連接性。在功能上滿足承受溫室結構荷載的要求，具有隔熱能力，有很好的保溫作用，可以有效解決溫室結構天溝連接處形成冷熱橋的問題。

1）模型計算結果分析：在最不利條件下（忽略斷橋處以外的其余環氧樹脂部分的影響），變徑斷橋式螺栓的熱損僅為同規格下普通碳鋼螺栓的3.6%，即可認為變徑斷橋式螺栓可以使保溫性能提高96.4%。

2）力學實驗結果分析：實驗測試斷橋式螺栓的平均抗拉力是2 553 N，抗拉強度22.57 MPa，其力學性能滿足節能型變徑斷橋式螺栓正常工作下的荷載。