裝配式鋼結構連接節點的有限元傳熱計算分析研究

劉然，唐偉明，徐騫，林朋朋，黃祁聰

（1.清華大學建筑設計研究院有限公司，北京 100084；2.重慶現代建筑產業發展研究院，重慶 400042；3.中建八局文旅博覽投資發展有限公司，南京 211111）

1 研究背景

“十四五”規劃綱要提出，要“發展智能建造，推廣綠色建材、裝配式建筑和鋼結構住宅，建設低碳城市”。隨著發展規劃的頒布，建筑節能與低碳發展將是“十四五”期間的重要任務[1]。發展綠色低碳建筑，即大力發展裝配式（鋼結構）建筑，可實現建筑結構的低碳化； 發展被動式超低能耗建筑，可使建筑能效水平大幅提升，它們是實現建筑碳中和的兩條重要路徑。

裝配式鋼結構主體導熱快，連接節點構造復雜，形成熱橋的部位多，因此，需要尤為重視節點熱橋的保溫設計[2]。裝配式建筑圍護結構安裝方式比傳統現澆建筑還需用到更多的連接件，這些連接件的設計、施工、安裝是關系到裝配式建筑安全的關鍵。為了保證鋼結構建筑主體的穩定性及安全性，常需采用鋼制連接件。眾所周知，鋼材的導熱性能極好，若僅考慮結構上更穩固可靠，勢必會給建筑熱工帶來極大的破壞。

許多研究報告中已經表明，鋼制連接件具有明顯的多維傳熱效應，基于一維穩態傳熱假設的理論計算值明顯小于試驗結果[3-4]，因此如何采用三維模擬分析法求解出其熱損失量，并如何在工程中簡化計算便成為鋼結構建筑熱工設計的關鍵。

2 理論依據

基于三維傳熱分析方法對鋼結構預制混凝土墻板樓板連接節點進行熱工性能模擬計算，所涉及的理論計算公式如下。

2.1 圍護結構主斷面傳熱系數的計算公式

式中，K0為圍護結構主斷面傳熱系數，W/ (m2·K)；αn為圍護結構內表面換熱系數，W/(m2·K)；αw為圍護結構外表面換熱系數，W/(m·K)；δ為圍護結構各層材料厚度，m；λ為圍護結構各層材料導熱系數,W/ (m·K)；αλ為材料導熱系數修正系數；Rk為封閉空氣間層的熱阻，(m2·K) /W；Q0為圍護結構主斷面傳熱量，W；A為計算的圍護結構的面積，m2；ti為圍護結構室內側的空氣溫度，℃；te為圍護結構室外側的空氣溫度，℃[5]。

2.2 結構性熱橋的線傳熱系數計算公式

在建筑外圍護結構中，墻角、窗間墻、凸窗、陽臺、屋面、樓板、地板等處形成的結構性熱橋，對墻體、屋面傳熱的影響用線傳熱系數描述。

式中，ψ為結構性熱橋線傳熱系數，W/(m·K)；Q2D為二維傳熱計算得出的流過一塊包含熱橋的圍護結構的傳熱量，W；Az為計算Q2D的圍護結構的面積，m2；l為計算Q2D的圍護結構的長度，m；C為計算Q2D的圍護結構的寬度，m。

2.3 連接件熱橋的點傳熱系數計算公式

建筑外圍護結構與鋼結構連接節點熱損失除了產生在鋼結構梁柱部位的結構性線熱橋外，還包括由螺栓、角鐵等金屬連接件造成的點熱橋，該熱損失采用點傳熱系數χ表示。

式中，χ為連接件熱橋點傳熱系數，W/K；Q3D為三維傳熱計算得出的流過一塊包含連接件熱橋在內的圍護結構的傳熱量，W；A3為計算Q3D的圍護結構的面積，m2[6]。

2.4 平均傳熱系數計算公式

將圍護結構保溫構造及包含的各個熱橋綜合計算后折算成平壁傳熱系數修正系數φ，便于工程熱工設計簡化計算應用。

式中，Km為圍護結構平均傳熱系數，W/ (m2·K)；ΔKψ為結構熱橋總傳熱系數，W/(m2·K)；ΔKχ為連接件熱橋總傳熱系數，W/(m2·K)；ψj為圍護結構上的第j個結構性熱橋的線傳熱系數，W/(m·K)；lj為第j個結構性熱橋的計算長度，m；nj為圍護結構上的第i種連接件的個數；χi為第i種連接件熱橋的點傳熱系數，W/K；A為計算包含所有熱橋在內的圍護結構的面積，m2；φ為平壁傳熱系數的修正系數。

3 墻板、連接件及節點構造介紹

3.1 預制混凝土墻板

本文以一種專為裝配式鋼結構配套的預制混凝土墻板為例，進行鋼結構關鍵熱橋節點的保溫設計。復合保溫外墻板（見圖1）是一種采用工業化方式生產的新型三明治非承重混凝土外墻板。該墻板具有建筑保溫結構一體化的特點，由外葉板+保溫芯材+內葉板3 種板材構成。保溫層內置在墻板之間，與結構梁柱同層，內、外葉墻板間采用金屬連接件拉接。

圖1 復合保溫外墻板構造圖（單位：mm）

3.2 專用金屬連接件

在綜合考慮外墻保溫裝飾與主體結構連接可靠、溫度變形與風壓等影響因素下，為每塊預制墻板設計了3 種專用的固定連接件（見圖2）。專用連接件1：將外葉墻板與梁連接的托掛件，由兩個建筑金屬件中間加絕熱墊片構成；專用連接件2：將復合墻板三板固定并與樓板連接的拉接件，由對穿螺栓+H 形鋼+ 角鋼組合而成；專用連接件3：將復合墻板三板固定并與鋼梁連接的拉接件，由對穿螺栓+ 角鋼組合而成。

圖2 連接件模型圖

3.3 鋼結構關鍵連接節點構造

墻板-樓板節點構造：U 形鋼梁與復合保溫外墻板嵌入相接，鋼梁上搭接混凝土樓板，采用專用金屬連接件進行固定，如圖3 所示。

圖3 外墻-樓板連接節點構造圖（單位：mm）

4 數值模擬分析

采用建筑熱工有限元分析的方法，應用熱工分析軟件ABAQUS 熱傳遞分析模塊對熱橋部位進行傳熱模擬計算。并依據標準GB 50176—2016《民用熱工建筑設計規范》進行參數編輯。通過模擬結果對本設計裝配式鋼結構關鍵節點的熱橋熱損失進行量化評估。各連接件在計算模型中的位置如圖4 所示。

圖4 連接件在計算模型中的位置示意圖（單位：mm）

4.1 主斷面

首先對墻板主段面進行熱工分析，墻板各層材料為：60 mm厚（集成建筑裝飾面的）成品預制水泥擠出板+200 mm 厚擠塑聚苯保溫板+100 mm 厚蒸壓加氣混凝土條板。熱工模擬結果見圖5。

圖5 墻板主段面的三維熱通量分布圖及溫度發布圖

可見，該復合保溫外墻板斷面溫度分布均勻，外表面熱通量變化梯度較小。三維模擬計算結果，外表面總熱通量為Q0=1.215 W（A=0.45 m2，ti=20 ℃，te=0 ℃），代入式（1）求解得外墻板主斷面傳熱系數K0=0.135 W/（m2·K）。下面再對熱橋構造節點進行模擬計算分析。

4.2 結構熱橋

由于鋼結構導熱快，在模擬計算中發現熱橋保溫材料的選用尤為重要，采用真空絕熱板的隔熱效果是采用常規保溫材料的2 倍，且U 形鋼梁外側可做保溫的厚度有限。因此，采用具有高效絕熱性能的真空絕熱板作為該熱橋節點保溫材料[λ=0.008 W/（m·K）]，并假設墻板、樓板、鋼梁之間的空隙部分采用發泡聚氨酯填充。熱工計算結果見圖6。

圖6 外墻-樓板熱橋節點斷面熱通量分布圖及溫度發布圖

模擬計算得，沿熱橋截面長度方向總的熱通量為：Q2D=1.763 W/m，l=0.3 m，C=1.5 m，ti=20 ℃，te=0 ℃，K0=0.135 W/（m2·K）。代入式（2）可求解出，該構造做法下外墻-樓板熱橋線傳熱系數為ψw-F= 0.091 4 W/（m·K）。

4.3 金屬連接件

由于金屬具有強導熱性，且熱傳導又具有多維屬性，模擬過程中發現，若將兩個具有相接關系的金屬構件分別計算的熱損失進行疊加得到的總量遠遠小于其共同作用同時計算得到的總熱損失量。因此在下面的模擬過程中，若金屬件間具有相接關系，須模擬它們共同作用下的熱影響，再折算出金屬連接件本身的熱影響。

連接件1 與鋼梁共同作用節點的熱分析模擬結果（見圖7）： 墻體外表面熱通量為Q3D=2.026 W，原外墻與樓板熱橋的熱通量為Qw-F=1.763 W，內外表面溫差Δt=20℃。代入式（3）解得此時連接件1 的點傳熱系數為χ1=0.0131 3 W/K。

圖7 連接件1 與鋼梁共同作用的節點斷面及模擬結果圖

將該連接件2 加入上一模型中進行熱分析模擬計算，模擬結果如圖8 所示。

圖8 包含連接件1 和2 的熱橋節點斷面熱通量分布圖及溫度發布圖

三維模擬計算結果：包含連接件1 和連接件2 的熱橋外表面熱通量Q3D=2.225 W，（A=0.45 m2，Δt=20℃）。將上個模擬結果，包含連接件1 的該熱橋外表面熱通量Q3D=2.026 W，代入式（3）得連接件2 的點傳熱系數χ2=0.009 96 W/K。

連接件3 與連接件1、2 無相接關系且相距較遠，計算連接件3 無須代入上一個模型，可單獨進行熱分析，模擬結果如圖9 所示。

圖9 連接件3 熱橋節點斷面熱通量分布圖及溫度發布圖

同上，解得連接件3 的點傳熱系數χ3=0.002 76 W/K。

4.4 簡化計算系數

綜合以上模擬計算結果，外墻主斷面傳熱系數K0=0.135 W/ (m2·K)，外墻與樓板節點的線傳熱系數ψw-F=0.091 4W/(m·K)，連接件1 點傳熱系數χ1=0.013 3 W/K，連接件2 點傳熱系數χ2=0.009 967 W/K，連接件4 點傳熱系數χ3=0.002 76 W/K （每塊墻板面積A=1.8 m2，包含2 個連接件1、1 個連接件2 和1 個連接件3）。代入式（4）解得外墻綜合平均傳熱系數為Km=0.222 W/（m2·K）。代入式（5）解得外墻平壁傳熱系數的修正系數φ=1.64。可見該熱橋損失量仍然是比較大的。

5 經驗分析

通過以上模擬計算發現，由于鋼制連接件及鋼結構具有強導熱性，并呈現多維熱傳導屬性，即使每個鋼制件均采用了較好的斷熱橋措施，組裝后形成的整體構造熱損失仍是不可忽視。因此，在裝配式鋼結構建筑節點設計中應用三維傳熱分析方法是很有必要的。并且在有限元熱工模擬計算過程中發現以下兩點需要在鋼結構建筑熱工設計中特別注意的：

1）金屬連接件若與鋼結構主體相接，不可忽視其共同作用下的熱影響，需將組合件與鋼結構共同加入熱橋模型中進行熱分析模擬計算；

2）金屬連接件之間形成組合件時，點連接優于面連接，不可避免面與面相接時，可采取增加隔熱墊片來改善。