基于ANSYS的一型剪力墻熱橋的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)研究

1 概述

在工程中，由于溫度的變化，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生膨脹或收縮，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到約束時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力。溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生一定的影響，甚至使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)的使用壽命。因此，分析結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力很有必要，清楚了結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律就可以對(duì)結(jié)構(gòu)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，減輕建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力變化，防止產(chǎn)生裂縫，加強(qiáng)建筑物的耐久性，提高建筑使用壽命。

建筑中的熱橋是墻體耗能的主要部位。為降低建筑能耗，我國(guó)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)采取了節(jié)能保溫措施。目前對(duì)于墻體的節(jié)能措施大致為2種：內(nèi)保溫和外保溫。該文從力學(xué)的角度，運(yùn)用有限元軟件ANSYS，以一形剪力墻為研究對(duì)象，對(duì)其3種結(jié)構(gòu)形式（不保溫、內(nèi)保溫和外保溫）的位移場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析研究。3種結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)圖如圖1～圖3。

圖1 不保溫一型剪力墻熱橋結(jié)構(gòu)圖

圖2 內(nèi)保溫一型剪力墻熱橋結(jié)構(gòu)圖

圖3 外保溫一型剪力墻熱橋結(jié)構(gòu)圖

圖中數(shù)字說(shuō)明：1-外飾面磚，2-40mm聚苯板保溫層，3-10mm厚空氣層，4-200mm厚鋼筋混凝土墻熱橋，5-石灰砂漿及內(nèi)飾面，6-陶粒加氣混凝土砌塊。

2 模擬采用的假定

（1）位移、應(yīng)力在熱橋和填充墻內(nèi)的分布是連續(xù)的；

（2）熱橋和填充墻是純彈性體，服從虎克定律；

（3）熱橋和填充墻為均勻和各向同性的，泊松比、彈性模量等常數(shù)不隨坐標(biāo)和方向而改變；

（4）熱橋和填充墻在溫度作用之前，無(wú)初始應(yīng)力，模擬計(jì)算的應(yīng)力僅由溫度作用產(chǎn)生；

（5）熱橋和填充墻的位移和變形對(duì)物體尺寸變化影響甚微，忽略不計(jì)；

（6）在溫度作用下，僅考慮沿一型剪力墻熱橋墻體厚度的方向位移和應(yīng)變。

3 模擬采用的邊界條件

熱橋和填充墻滿足室內(nèi)、室外邊界處面力為零的靜力邊界條件和位移邊界條件。

4 模擬的參數(shù)選用

所用材料（C30鋼筋混凝土、陶粒加氣混凝土砌塊）的參數(shù)取自《建筑節(jié)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范匯編》和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2002，見(jiàn)表1。

表1 熱應(yīng)力計(jì)算參數(shù)表

選用各種材料的材料熱工參數(shù)見(jiàn)表2，參數(shù)取自《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50176-93。

表2 材料熱工參數(shù)表

以西安為研究對(duì)象，邊界條件的室外空氣計(jì)算溫度取冬季室外平均溫度，邊界條件的室內(nèi)空氣計(jì)算溫度取冬季采暖居住建筑的溫度，參數(shù)取自《建筑節(jié)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范匯編》，熱橋內(nèi)、外表面換熱系數(shù)取自《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50176-93，見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算的邊界條件參數(shù)

5 應(yīng)力場(chǎng)模擬與結(jié)果分析

采用有限元軟件ANSYS模擬得到3種結(jié)構(gòu)形式的熱橋在穩(wěn)態(tài)傳熱下的位移場(chǎng)分布圖及應(yīng)力場(chǎng)分布圖，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。

5.1 位移場(chǎng)模擬結(jié)果分析

對(duì)比3種結(jié)構(gòu)形式熱橋發(fā)現(xiàn)，不保溫?zé)針蚝蛢?nèi)保溫?zé)針虻奈灰茍?chǎng)的分布規(guī)律類(lèi)似，沿墻體厚度方向呈現(xiàn)為熱橋內(nèi)部位移小、兩側(cè)表面位移大的現(xiàn)象，位移變化趨勢(shì)為由熱橋內(nèi)部向兩外表面發(fā)展。而外保溫?zé)針虻奈灰茍?chǎng)與前兩者截然不同，位移沿墻厚方向由室外向室內(nèi)逐漸變大，位移變化趨勢(shì)為由室外向室內(nèi)發(fā)展。3種結(jié)構(gòu)形式的最大位移均出現(xiàn)在熱橋內(nèi)表面，其中以外保溫形式位移為最大，內(nèi)保溫位移為最小。

分析3種結(jié)構(gòu)形式熱橋的位移變化發(fā)現(xiàn)，外保溫最大位移與最小位移之比接近1，位移變化平穩(wěn)。而內(nèi)保溫和不保溫結(jié)構(gòu)熱橋的最大位移與最小位移之比接近10000，位移變化極為劇烈。結(jié)構(gòu)內(nèi)部位移的劇烈變化對(duì)結(jié)構(gòu)很不利，容易使結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，從而影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，進(jìn)而縮短結(jié)構(gòu)使用壽命。

5.2 應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果分析

對(duì)比3種結(jié)構(gòu)形式熱橋發(fā)現(xiàn)，不保溫?zé)針蚝蛢?nèi)保溫?zé)針虻膽?yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律類(lèi)似，沿墻體厚度方向，應(yīng)力變化呈現(xiàn)為由室外向室內(nèi)逐漸變大的趨勢(shì)，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在墻體室內(nèi)表面，最小應(yīng)力出現(xiàn)在墻體室外表面。而外保溫?zé)針虻膽?yīng)力場(chǎng)與前兩者又截然不同，應(yīng)力沿墻厚方向不發(fā)生變化，應(yīng)力值為一常數(shù)。

比較3種結(jié)構(gòu)形式熱橋的應(yīng)力變化發(fā)現(xiàn)，外保溫最小，最大應(yīng)力與最小應(yīng)力相同，應(yīng)力在熱橋內(nèi)部不發(fā)生變化；內(nèi)保溫次之，熱橋的最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之比約為2.7；不保溫最大，熱橋的最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之比大于4。由此可見(jiàn)，熱橋經(jīng)過(guò)保溫后內(nèi)部應(yīng)力變化減小，而外保溫最能有效降低結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力。

5.3 熱應(yīng)力變化對(duì)比分析

為更具體地比較3種結(jié)構(gòu)形式熱橋的應(yīng)力變化，對(duì)熱橋室內(nèi)外兩側(cè)表面的應(yīng)力變化進(jìn)行量化分析。由于一型剪力墻熱橋?yàn)閷?duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，應(yīng)力分布也對(duì)稱(chēng)，故取一半熱橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。以熱橋的對(duì)稱(chēng)軸線與熱橋外表面交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿?zé)針蚝穸确较蚪⑵矫嬷苯亲鴺?biāo)系，規(guī)定厚度沿室內(nèi)方向?yàn)檎?，沿厚度方向分別取值并整理數(shù)據(jù)，繪制曲線圖如圖4所示。

圖4 應(yīng)力變化曲線圖

由上面的曲線圖不難發(fā)現(xiàn)，不保溫?zé)針蛐甭首畲螅瑧?yīng)力變化最大。內(nèi)保溫?zé)針蛐甭蚀沃?，?yīng)力變化較大。外保溫?zé)針驊?yīng)力曲線斜率最小，為一條水平線，應(yīng)力值為一常數(shù)，應(yīng)力在熱橋內(nèi)部不發(fā)生變化。因此，對(duì)熱橋采取外保溫后可有效減小熱橋內(nèi)部的應(yīng)力變化。

6 結(jié)論

通過(guò)模擬不保溫、內(nèi)保溫、外保溫3種形式的一型剪力墻熱橋在穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)作用下的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，外保溫結(jié)構(gòu)的熱橋位移變化平穩(wěn)，應(yīng)力不發(fā)生變化。從力學(xué)角度論證了外保溫結(jié)構(gòu)是一種良好的結(jié)構(gòu)體系，能有效地降低熱橋由于溫差作用產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，改善結(jié)構(gòu)受力性能，減輕溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，因此能增強(qiáng)建筑物的耐久性，提高建筑使用壽命。外保溫結(jié)構(gòu)的熱橋具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該研究對(duì)西安地區(qū)建筑節(jié)能理論研究和技術(shù)應(yīng)用也具有一定的參考意義。

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[2]王潤(rùn)富，陳國(guó)榮.溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力[M].北京：科學(xué)技術(shù)出版社，2005：3-5.

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[4]GB50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002：17-18.

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[6]張朝暉.ANSYS8.0熱分析教程與實(shí)例解析[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005：75-89.

[7]李彥伯.剪力墻結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)與熱橋效應(yīng)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2009：18，15，51.

責(zé)任編輯:李 紅

Research on Displacement Field and Stress Field of ANSYS-based Thermal Bridge of Shear Wall

李彥伯1，馬 寧2,于曉輝3
（1中煤國(guó)際工程集團(tuán)北京華宇工程有限公司，陜西西安710075；2神華寧煤集團(tuán)麥垛山煤礦，寧夏靈武750409；3中鐵電氣化鐵路運(yùn)營(yíng)管理有限公司，北京100036）

該文運(yùn)用穩(wěn)態(tài)傳熱理論，采用有限元軟件ANSYS模擬分析一型剪力墻熱橋在3種結(jié)構(gòu)形式(不保溫、內(nèi)保溫及外保溫)下的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)，并量化分析對(duì)比熱橋沿墻厚方向的應(yīng)力變化。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，外保溫結(jié)構(gòu)是一種良好的結(jié)構(gòu)體系，能有效降低熱橋由于溫差作用產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，改善結(jié)構(gòu)受力性能，增強(qiáng)建筑物的耐久性，提高建筑結(jié)構(gòu)使用壽命。因此具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

一形剪力墻熱橋；穩(wěn)態(tài)傳熱；外保溫；位移場(chǎng)；應(yīng)力場(chǎng)；應(yīng)力變化

Based on steady heat transfer theory,the authors analyze the displacement field and stress field of thermal bridge of shear wall of three structural forms(non-insulation,inner insulation and external insulation)by using the finite element software--ANSYS and quantitatively analyze and compare stress change of the thermal bridge in the thick wall.According to the analysis,external insulation structure is a good structure system since it can effectively reduce the stress caused by temperature difference to thermal bridge,improve structural force performance,enhance buildings'durability and extend buildings'life.So it's of great economic and social significance.

thermal bridge of shear wall;steady heat transfer;external insulation；displacement field；stress field;stress change

TU375

A

1671-9107（2012）07-0020-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2012.07.020

2012-05-28

李彥伯（1983-）,男，內(nèi)蒙古人，碩士，助理工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

馬寧（1978-），男，寧夏人，學(xué)士，助理工程師，主要從事建筑施工管理工作。

于曉輝（1982-），男，內(nèi)蒙古人，學(xué)士，工程師，主要從事建筑施工。