復(fù)合保溫模板連接件圓盤合理參數(shù)數(shù)值模擬

周軼凡，吳德義

(安徽建筑大學(xué) 建筑健康監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)防技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，合肥 230601）

目前，復(fù)合保溫模板已廣泛應(yīng)用于建筑保溫工程中[1]，構(gòu)造圖如圖1 所示。常見的CL 型外墻免拆復(fù)合保溫模板通過連接件與混凝土外墻緊密連接[2]。由于受到風(fēng)荷載和地震荷載的作用，因連接件失效導(dǎo)致復(fù)合保溫模板脫落的事故時有發(fā)生，連接件失效通常包括連接件拉斷、連接件拔出、圓盤失效3 種形式，其中圓盤失效是最常見的形式[3]。本研究通過選擇連接件圓盤材料、直徑、厚度等參數(shù)從而保證連接件安全可靠連接，在工程中有廣泛的應(yīng)用背景[4]。結(jié)合中鐵四局集團(tuán)局機(jī)關(guān)大院北區(qū)拆遷改造工程的情況，選用數(shù)值模擬軟件FLAC3D 分析工程中常見的不同材料、圓盤直徑及厚度對連接件圓盤承載性能的影響[5]，得到圓盤的最佳材料、合理直徑及厚度，為工程中圓盤的選用提供依據(jù)。

1 工程概況

本研究以中鐵四局機(jī)關(guān)大院拆遷改造項目為背景。該項目位于合肥市包河區(qū)，總共為12 層。房屋抗震烈度為7 度，屬于C 類密集建筑群的城市市區(qū)。

外墻免拆保溫模板采用CL 外墻免拆復(fù)合保溫模板，由保溫層、黏結(jié)層、加強(qiáng)肋、保溫過渡層、內(nèi)(外)側(cè)抗裂層、連接件等部分構(gòu)成[6]。

2 數(shù)值模型建立

數(shù)值計算模型如圖2 所示。

圖2 數(shù)值模型示意圖

2.1 連接件圓盤力學(xué)性能參數(shù)

K 為材料的抗體積變形能力，G 為材料的抗剪切變形能力，與彈性模量及泊松比的轉(zhuǎn)化如下所示：

式中，E 為彈性模量，v 為泊松比，K 為材料的抗體積變形能力，G 為材料的抗剪切變形能力。

圓盤材料尼龍的彈性模量E=1.4 GPa、泊松比v=0.3，依據(jù)式（1）、式（2）得出相應(yīng)的體積模量K=1.17 GPa 及剪切模量G=0.54 GPa。

2.2 圓盤破壞強(qiáng)度

對中鐵四局北區(qū)拆除改造工程現(xiàn)場的保溫系統(tǒng)進(jìn)行10 組拉伸力學(xué)性能測試，試驗器械如圖3所示。采用內(nèi)徑為30 mm 的1 個圓環(huán)支撐圓盤，用夾具固定住地腳螺栓的底部，需要形成拉伸載荷作用于圓環(huán)內(nèi)側(cè)，加載速度宜控制在1 kN/min，然后記錄破壞荷載，直至連接器的圓盤斷裂[7]。

圖3 規(guī)范試驗裝置

直徑D =70 mm 圓盤，檢測樓層處圓盤（高度不同，共10 組）的抗拔力數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)錨栓圓盤出現(xiàn)斷裂的情況，對單個圓盤計算出具體破壞荷載抗拔力，得出其均值==2.14 kN,抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值FRK=1.99 kN。

2.3 計算荷載

根據(jù)風(fēng)荷載公式，基本自振周期T1＞0.25 s以及高度H ＞30 m 且高寬比H/C ＞1.5 的高柔房屋均應(yīng)考慮脈動風(fēng)壓對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的風(fēng)振影響[8]。公式（3）如下所示：

式（3）中，ξ為脈動增大系數(shù)，v 為脈動影響系數(shù)，為振型系數(shù)。

垂直于模板平面水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值計算如（4）所示：

式（4）中，βE為動力放大系數(shù)，取5.0；GK為計算模板的重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值（N），A 為計算模板的面積（m2），αmax為水平地震影響系數(shù)最大值；qEAK為垂直于模板平面的分布水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）。

效應(yīng)組合設(shè)計值如式（5）所示：

式中，SKW為風(fēng)荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；SEK為地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；Wγ為風(fēng)荷載風(fēng)項系數(shù)，取1.4；Eγ為地震作用風(fēng)項系數(shù)，取1.3；Wψ為風(fēng)荷載組合值系數(shù)，取1.0；Eψ為地震作用組合值系數(shù)，取0.5；S 為作用效應(yīng)組合設(shè)計值（kN/m2）。

根據(jù)以上公式得出安徽省的基本風(fēng)壓w0=0.4 kN/m2，水平地震荷載qek=0.613 kPa，根據(jù)建筑物高度確定組合荷載S=1.18 kN/m2。在施工現(xiàn)場，一平方外墻免拆復(fù)合保溫模板需要7個連接件。在數(shù)值模擬方面以單個連接件的模板面積為依據(jù)，確定a×b=400 mm×400 mm。

2.4 計算模型建立

本研究采用FLAC3D 軟件，通過brick 命令建立模型、fix 命令固定保溫隔熱板邊界，并通過改變圓盤直徑和厚度得出應(yīng)力分析結(jié)果。使用該軟件優(yōu)勢在于方便處理相關(guān)數(shù)據(jù)，易于操作，同時可直觀查看不同參數(shù)下應(yīng)力分布云圖。

數(shù)值計算模型如圖4 所示，取剪切模量G 和體積模量K，使用六面體塊（brick）網(wǎng)格，沿X、Y、Z 軸，對應(yīng)比例為1:1:1，10 mm 劃分1 個網(wǎng)格[9]。圓盤采用襯砌結(jié)構(gòu)單元。分析保溫模板接觸面、錨栓圓盤的變形分布云圖、接觸應(yīng)力，即可確定其參數(shù)[6]。

圖4 數(shù)值計算模型

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 不同連接件圓盤直徑

本部分主要分析免拆保溫模板在盤徑D 不同的作用下，其位移與應(yīng)力變化情況。如圓盤為2 mm厚，材料為尼龍，當(dāng)直徑為50 mm、70 mm、90 mm、110 mm、130 mm 時，分析免拆模板在荷載組合作用下其應(yīng)力變化情況。

針對保溫模板（基本參數(shù)400 mm×400 mm×70 mm）中，在組合水平荷載效應(yīng)相等的情況下，即S=1.813×103Pa，由于X 軸方向受到各盤徑大小影響，形成圖5 的σx應(yīng)力云圖。

圖5 不同連接件圓盤直徑應(yīng)力云圖

不同連接件圓盤直徑對應(yīng)的應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 不同連接件圓盤直徑圓盤作用于保溫模板應(yīng)力分布

模擬各連接件圓盤可得出下述結(jié)論：

通過對比連接件圓盤的4 個直徑值得出在圓盤中心處，保溫板所承受的應(yīng)力較大。當(dāng)直徑為50 mm 時，保溫板受到最大的壓應(yīng)力；在擴(kuò)大圓盤直徑后，σmax圓盤接觸面與保溫板間的應(yīng)力隨之減小，對增強(qiáng)外墻保溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大幫助。

假設(shè)離圓盤中心存在一定距離，則保溫板壓應(yīng)力分布近似均勻；如圓盤直徑擴(kuò)大至90 mm，均勻分布的范圍也有所增加；當(dāng)圓盤直徑進(jìn)一步擴(kuò)大，變?yōu)?30 mm 時，雖然均勻分布的范圍也處于增大的狀態(tài)，但是其增大的速度較為緩慢。

綜上所述，尼龍材質(zhì)的圓盤，當(dāng)厚度為2 mm時，最合適的直徑為90 mm。

3.2 不同連接件圓盤厚度

（1）分析尼龍材質(zhì)的圓盤直徑大小，即D=90 mm，其不同厚度連接件圓盤位移與組合荷載S 作用的關(guān)系，具體如圖7 所示。

圖7 不同連接件圓盤厚度位移云圖

（2）不同連接件圓盤厚度圓盤變形分布如圖8 所示。

圖8 不同連接件圓盤厚度變形分布

根據(jù)圖7 和圖8 可知，圓盤中心未產(chǎn)生變形，在增加圓盤中心距離后，圓盤變形進(jìn)一步增大。當(dāng)圓盤δ= 2 mm 時，圓盤范圍內(nèi)各位置出現(xiàn)波動變形，而厚度為3 mm、4 mm、5 mm 時變形值差別不大。綜上所述，δ的增大有利于提高外墻免拆保溫模板的穩(wěn)定性。當(dāng)圓盤厚度增加到3 mm后整個圓盤變形基本沒有變化，隨著圓盤的厚度增加，圓盤變形緩慢。因此，當(dāng)尼龍材質(zhì)下的圓盤直徑為90 mm 時，對應(yīng)的最佳連接厚度為3 mm，即δ= 3 mm。

3.3 不同連接件圓盤材料

（1）模擬圓盤直徑D=90 mm，圓盤厚度δ= 3 mm，材料種類為尼龍、聚乙烯、聚丙烯時，荷載組合作用S 對連接件圓盤變形影響，如圖9 所示。

圖9 不同材料種類連接件圓盤變形云圖

（2）不同材料種類連接件圓盤變形如圖10所示。

圖10 不同材料種類連接件圓盤變形

圖9 及圖10 不同材料種類連接件圓盤變形數(shù)值模擬結(jié)果表明：不同材料種類連接件圓盤中心處產(chǎn)生微小變形，當(dāng)采用尼龍圓盤時，圓盤整體變形相似，結(jié)合圓盤厚度和直徑對圓盤變形影響結(jié)果，建筑外墻保溫結(jié)構(gòu)圓盤材料選用尼龍材料是最合適的。在圓盤厚度δ= 3 mm 的情況下若圓盤直徑為90 mm，則尼龍是最佳的連接件材料。

4 結(jié)語

（1）取連接件圓盤直徑分別為50 mm、70 mm、90 mm、110 mm、130 mm，模擬得出當(dāng)圓盤直徑為50 mm 時保溫板受到最大的壓應(yīng)力，當(dāng)圓盤直徑增加到90 mm，均勻分布范圍增加，隨后直徑增加，分布范圍增長緩慢，故圓盤最佳直徑為90 mm。

（2）取連接件圓盤厚度分別為δ=2 mm、3 mm、4 mm、5 mm，模擬得出δ的增大有利于提高外墻免拆保溫模板的穩(wěn)定性。當(dāng)圓盤厚度增加到δ=3 mm 后整個圓盤變形較小，故圓盤最佳厚度為3 mm。

（3）取連接件圓盤材料分別為尼龍、聚乙烯、聚丙烯，模擬得出當(dāng)圓盤材料種類采用尼龍時整體圓盤變形相差不明顯，更能滿足建筑外墻保溫結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，故圓盤最理想的材料為尼龍。