配筋及连接件对加气混凝土墙板热工性能的影响分析_苗纪奎.pdf

新型建筑材料202302基金项目：山东省重点研发计划项目(2018GSF122003)收稿日期：2022-09-28；修订日期：2023-02-06作者简介：苗纪奎，男，1973 年生，博士，副教授，E-mail：。通讯作者：邱世君，硕士研究生，E-mail：。0引言加气混凝土板是以钙质、硅质材料为主要原料，配防锈处理的钢筋网片，经高压蒸汽养护而制成的一种轻质多孔绿色环保建筑材料。加气混凝土的密度较小，且具有良好的耐火、防火、隔声、隔热、保温性能。但随着建筑节能设计标准的提高，依靠加气混凝土单一材料很难满足北方地区外墙热工设计的要求，加气混凝土条板在寒冷与严寒地区通常仅作内墙板使用。近年来，一些企业开始研制低导热系数的加气混凝土，以期提高墙板的热工性能，满足寒冷或严寒地区的节能设计要求。为保证建筑热工设计可比性与准确性，JGJ/T 172020蒸压加气混凝土制品应用技术标准 在附录 C.0.1 中依据不同气候分区给出了蒸压加气混凝土导热系数的修正系数（见表 1），但该修正系数仅考虑了平衡含水率对加气混凝土导热配筋及连接件对加气混凝土墙板热工性能的影响分析苗纪奎，邱世君（山东建筑大学 建筑城规学院，山东 济南250101）摘要：采用 ANSYS Fluent 软件对加气混凝土墙板进行了传热量数值模拟研究，分析了配筋及连接件对加气混凝土墙板当量导热系数的影响。结果表明：相比无配筋的加气混凝土墙板，仅配置双层钢筋网片对墙板当量导热系数的影响较小，但配置双层钢筋网片与金属质箍筋形成钢筋网笼后，墙板当量导热系数增加 5.88%8.47%；将金属质箍筋换成低导热系数的 FRP 碳纤维箍筋后，可以显著降低配筋对加气混凝土墙板热工性能的影响；预埋件节点对墙板热工性能的影响最大，钢管锚节点可有效降低连接件对墙板当量导热系数的影响；配置钢筋网笼和连接件的试件，墙板当量导热系数增加 10.12%17.53%。关键词：加气混凝土墙板；当量导热系数；数值模拟中图分类号：TU528.2文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）02-0152-05Influence of reinforcement and connectors on thermal performance of aerated concrete wallboardMIAO Jikui，QIU Shijun（School of Architecture and Urban Planning，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）Abstract：ANSYS Fluent was used to conduct a numerical simulation study on the heat transfer of aerated concrete wallboard，and the influence of reinforcement and connectors on the equivalent thermal conductivity of aerated concrete wallboard wasanalyzed.The results show that the equivalent thermal conductivity of the wallboard is slightly affected by the configuration of double-layer reinforcement mesh only，but the equivalent thermal conductivity of the wallboard increases 5.88%8.47%after the configuration of double-layer reinforcement mesh and metal stirrups to form a reinforcement mesh cage；After replacing metal stirrups withFRP carbon fiber stirrups with low thermal conductivity，the effect of reinforcement on the thermal performance of aerated concretewallboard can be significantly reduced.The embedded joints have the greatest influence on the thermal performance of the wallboard，and the steel pipe anchor joints can effectively reduce the influence of the connectors on the equivalent thermal conductivityof the wallboard.The equivalent thermal conductivity of the wallboard increases by 10.12%17.53%for the specimens with reinforcement mesh cages and connectors.Key words：aerated concrete wallboard，equivalent thermal conductivity，numerical simulation中国科技核心期刊152NEW BUILDING MATERIALSNEW BUILDING MATERIALS系数的影响，没有考虑配筋及连接件对墙板热工性能的影响。墙板中的配筋及连接件并未改变加气混凝土的导热系数，而是影响墙板的当量传热系数。表 1蒸压加气混凝土导热系数的修正系数加气混凝土墙板加入配筋及连接件后，墙板的传热量发生改变，衡量加气混凝土热工性能的参数也由加气混凝土材料的导热系数 变为当量导热系数 e。相关试验表明1，金属质拉结件对预制夹芯混凝土墙板的热工性能影响尤为明显，采用不同的金属拉结件会使预制混凝土夹芯墙板传热系数提高 20%左右2，在热工计算过程中忽略金属拉结件的影响会造成较大的误差。此外，连接件的形状、尺寸也会影响预制混凝土墙板的传热量3-4，使用纤维材料包裹连接件可以有效降低预制混凝土夹芯墙板的当量导热系数5；在轻骨料混凝土墙板内增设钢筋网片、桁架与连接桥会使复合外挂墙板损失25%的保温性能6；墙板在施工过程中产生的接缝也会直接影响装配式复合墙板外墙的传热效果7-9，研究表明，墙板间接缝对传热系数的影响系数在 1.011.0610，加大墙板尺寸、减少接缝的数量可以避免过多的热桥对建筑的影响11，在接缝及附近位置增加保温材料可以有效消除接缝的热桥效应9-12；材料的含水率也是影响加气混凝土墙板热工性能重要因素，试验研究发现，墙板的传热系数随着含水率的增大呈线性增长9，13。本文采用 ANSYS Fluent 对加气混凝土墙板进行传热量数值模拟研究，分析了配筋、连接件及加气混凝土导热系数对加气混凝土墙板当量导热系数的影响，提出了加气混凝土墙板当量导热系数的取值范围，研究结果可为加气混凝土墙板的热工设计提供参考。1物理模型建立如图 1 所示加气混凝土墙板物理模型，模型尺寸为3000 mm600 mm200 mm；加气混凝土板的配筋形式参照GB/T157622020 蒸压加气混凝土板。图 1加气混凝土墙板物理模型2数值模拟分析方法2.1单元类型与材料特性对于有金属连接件和配筋的加气混凝土板模型，选用SOLID187 单元，该单元为四面体 10 节点高阶单元，每个节点 3 个自由度。墙板所用加气混凝土材料的物理参数如下：加气混凝土导热系数按照中国工程建设标准化协会图集21QJ713 改性蒸压加气混凝土自保温墙体建筑构造 的规定取 0.085 W/（m K）；配筋及连接件所用钢材导热系数则按照 GB 501762016 民用建筑热工设计规范 的规定取58.2W/（m K）。以加气混凝土墙板的当量导热系数为研究对象，采用ANSYS Fluent 进行求解计算，并采用如下基本假设：（1）假定加气混凝土墙板的材料为各向同性匀质，且材料物理参数均为定值；（2）假定加气混凝土墙板中所有的接触均为理想接触状态，即接触紧密无缝隙、无孔隙，且不计层间热阻；（3）忽略传热过程中的边界热损失，只考虑热对流和热传导，忽略热辐射；（4）忽略各种应力下的应变（如变形、开裂）的影响。2.2网格划分采用 Meshing 对模型进行网格划分，加气混凝土墙板配置的钢筋和连接件与墙板构件的尺寸相差较大，采用四面体网格划分的方式；对模型各部分进行命名，并修改网格尺寸；对各材料的交界面处进行加密处理，特别是配筋、金属连接件与墙板连接部位进行网格细化。2.3接触与边界条件将模型导入到 Fluent 并设置边界条件，以济南地区为例，按照 GB 501762016 在墙板两侧分别设置第三类边界条件：室内温度 Ti=18.0 （291.15 K），室外温度 To=-5.2 使用部位修正系数 a外墙1.101.151.201.25严寒寒冷地区平均相对湿度55%严寒寒冷地区平均相对湿度55%夏热冬冷和温和地区夏热冬暖地区苗纪奎，等：配筋及连接件对加气混凝土墙板热工性能的影响分析153新型建筑材料202302（267.95 K）；墙体内、外表面对流换热系数 hi、ho分别为 8.7、23.0 W/（m2 K）；其他面设置第二类边界条件，即绝热面 q=0。2.4求解器选择选用三维分离式求解器，采用 Coupled 对速度压力方程进行求解，离散格式选取二阶离散方法 Second Order Upwind格式。2.5当量导热系数计算按以上设置模拟分析得到加气混凝土墙板的传热量，墙板的当量导热系数可由式（1）计算：=A Ti-To1/hi+1/e+1/ho（1）式中：加气混凝土墙板传热量，W；A垂直于热流方向壁面面积，m2；e加气混凝土墙板当量导热系数，W/（m K）。3模拟结果及分析3.1钢筋网片对加气混凝土墙板当量导热系数的影响为研究钢筋网片对加气混凝土墙板当量导热系数的影响，设计了 A 组 7 个试件进行模拟分析。试件 A1A6 仅配置双层对称钢筋网片，不配置箍筋。试件 A1A3 单层配置 4 根纵向钢筋，试件 A4A6 单层配置 6 根纵向钢筋，纵向钢筋和横向钢筋的直径及模拟分析结果见表 2，横向钢筋的间距见图 1；试件 A0 为对比试件，无配筋。表 2配筋双层钢筋网片对墙板当量导热系数的影响注：当量导热系数增幅为与 A0 相比，下同。由表 2 可知，与无配筋的试件 A0 相比，配置双层钢筋网片后加气混凝土墙板的传热量增大，当配置 4 根纵向钢筋时，墙板的当量导热系数增幅为 0.71%1.06%，当配置 6 根纵向钢筋时，墙板当量导热系数增加幅度为 1.29%1.65%。由此可见，仅配置双层钢筋网片对加气混凝土墙板当量导热系数虽然有影响，但导热系数增幅较小。3.2箍筋对加气混凝土墙板当量导热系数的影响根据 GB/T 157622020 的要求，加气混凝土外墙板需配置箍筋与双层钢筋网片形成网笼以满足受力要求。在实际应用中，箍筋主要是采用钢筋或者金属质拉结件（见图 2）。为了研究箍筋对加气混凝土墙板当量导热系数的影响，设计了 B组 4 个试件进行了模拟分析。B 组试件钢筋网片的配置与试件 A6 相同，仅改变箍筋的形式、尺寸以及材质。为降低箍筋的传热量，试件 B4 选用 FRP 碳纤维材质，按照 GB 501762016 的规定，FRP 材质导热系数取 0.4 W/（m K）。B 组试件模拟分析结果见表 3。图 2金属质拉结件示意表 3箍筋对墙板当量导热系数的影响由表 3 可见，与无箍筋的试件 A6 相比，采用金属质箍筋的试件 B1、B2、B