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腹板开孔S型轻钢龙骨保温复合墙板性能分析

时间:2020-03-23 来源:长春工程学院 作者:刘振岐 本文字数:6689字

  摘 要。

  
  建筑工业化的发展,促进国家大力发展装配式建筑,轻钢龙骨复合墙板具有装配化程度高、施工快捷等优势在国内外广泛的应用。传统轻钢龙骨复合墙板采用 C型轻钢龙骨,在墙板之间的连接处容易形成通缝;钢材和保温材料的导热系数比值较大,在轻钢龙骨处形成了热桥。为了解决传统轻钢龙骨复合墙板应用时的缺陷,本文提出了一种在腹板开设长圆孔的 S 型轻钢龙骨保温复合墙板。
  
  S 型轻钢龙骨保温复合墙板,在墙板外边缘形成了企口,解决了装配式轻钢龙骨复合墙板由于通缝的存在而产生防水、防火、保温隔热等问题;通过在 S 型轻钢龙骨腹板上不同的位置开设长圆孔增加了热量的传递路径,解决了轻钢龙骨复合墙板的热桥问题。


腹板开孔S型轻钢龙骨保温复合墙板性能分析

  
  本文主要研究了 C 型轻钢龙骨、S 型轻钢龙骨、在 S 型轻钢龙骨上下腹板中间分别开设 5 排长圆孔的 S5-0-5 型轻钢龙骨、在 S5-0-5 型轻钢龙骨中段腹板开设3 排长圆孔的 S5-3-5 型轻钢龙骨 4 种轻钢龙骨。为了研究以上 4 种轻钢龙骨保温复合墙板的热桥问题,进行了 4 片轻钢龙骨保温复合墙板的传热试验,并采用ABAQUS 有限元分析软件对 4 片轻钢龙骨保温复合墙板的传热性能进行了有限元分析;为了研究以上 4 种轻钢龙骨保温复合墙板的抗弯性能,进行了 4 片轻钢龙骨保温复合墙板的抗弯试验。
  
  本文研究获得的主要结论如下:
  
  (1)与传统 C 型轻钢龙骨复合墙板比较 S5-0-5 型轻钢龙骨保温复合墙板和 S5-3-5 型轻钢龙骨保温复合墙板,显着降低了轻钢龙骨保温复合墙板的传热系数,显着提高了轻钢龙骨处墙板室内表面的温度,解决了轻钢龙骨复合墙板的热桥问题;(2)S5-0-5 型轻钢龙骨保温复合墙板和 S5-3-5 型轻钢龙骨保温复合墙板,具有较好的抗弯承载力,满足正常使用要求。
  
  关键词:S 型轻钢龙骨;腹板开孔;热桥;抗弯性能。
  

  Abstract

  
  The development of industrialization of buildings has promoted the country's vigorous development of prefabricated buildings. Light steel keel composite wall panels have the advantages of high assembly degree and quick construction, and have been widely used in the world. The traditional light steel keel composite wall panel adopts C-type steel keel, and the joint seam is easily formed at the joint between the wall panels;the thermal conductivity of the steel is much larger than the thermal conductivity of the thermal insulation material, and a thermal bridge is formed at the light steel keel. In order to improve the disadvantages of the traditional light steel keel composite wall panel, this study design a S-type light steel keel insulation composite wallboard with open round holes in the web.
  
  The S-type light steel keel insulation composite wall panel is shaped into a tongue-and-groove at the outer edge of the wall panel, which improve the problems of waterproofing, fireproofing, thermal insulation and the like due to the existence of the joint seam of the assembled light steel keel composite wall panel; The opening of the round hole at different positions on the S-type light steel keel web increases the heat transfer path and solves the thermal bridge problem of the light steel keel composite wall panel.
  
  This research mainly studies C-type light steel keel, S-type light steel keel, S5-0-5light steel keel with 5 rows of long round holes in the upper and lower webs of S-type light steel keel, in S5-0-5 The middle section of the light steel keel has three rows of long round holes of S5-3-5 light steel keel and four types of light steel keels. In order to solve the thermal bridge problem of the above four kinds of light steel keel composite wall panels, the heat transfer test of four light steel keel composite wall panels was carried out,and four light steel keel composite wall panels were analyzed byABAQUS finite elementanalysis software.At the same time, four steel keel composite wall panels were tested for study, in order to study the bending resistance of them.
  
  The main conclusions of this study are as follows:
  
  (1) Compared with traditional C-type light steel keel composite wallboard, S5-0-5 lightsteelkeelthermalinsulationcompositewallpanelandS5-3-5lightsteelkeelthermal insulation composite wall panel, significantly reduce light steel keel thermal insulation composite The heat transfer coefficient of the wallboard significantly improves the temperature of the indoor surface of the wall panel of the light steel keel, and solves the thermal bridge problem of the light steel keel composite wall panel;(2) S5-0-5light steel keel composite wall panel and S5-3-5 light steel keel composite wall panel have good bending capacity and meet the requirements of normal use.
  
  Key words:    S-type light steel keel; web opening; thermal bridge; bending resistance。
  

  第 1 章 绪论。
 

  
  1.1 课题的研究背景及意义。

  
  当前我国正处于城镇化的快速进程中,到 2020 年实现“全面小康”,城镇化水平达到 60%左右,全国城镇人口约新增加 3 亿,城镇化住宅建设数量将在较长时间内保持较高增长水平。然而,当前这些建设成就大部分是以传统的高投入、高能耗、高污染为代价取得的。推进建筑工业化是实现住宅建设方式由粗放型向集约型转变、提高住宅质量和节约住宅能耗的重大举措,是保证建筑业可持续发展的重要途径,对我国经济及社会发展有着极其深远的意义[1]。
  
  2013 年发展改革委和住房和城乡建设部的《绿色建筑行动方案》[2]明确提出将“推广建筑工业化,发展绿色建筑”列为十大重大任务。建筑工业化和城镇化建设要求积极推广装配化施工。2016 年国务院在《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》[3]中提出:要大力推广装配式建筑,积极稳妥推广钢结构建筑,力争用 10 年左右时间,使装配式建筑占新建建筑的比例达到 30%。每年建筑能耗占全社会能耗的28%左右,外墙能耗占建筑总能耗的20%到30%。
  
  因此,研制新型保温围护墙板是解决建筑能耗问题的主要途径之一。推广应用装配式保温复合外墙板不仅推进建筑工业化,也符合国家绿色建筑和建筑节能的产业政策[1]。
  
  1.2 传统轻钢龙骨复合墙板。
  
  轻钢龙骨复合墙板具有装配化程度高、施工快捷、节能环保等优势,已在欧美等发达国家得到广泛应用,在我国南方也有大量应用。
  
  轻钢龙骨复合墙板,主要由冷弯薄壁型钢构件 C 型轻钢龙骨、保温材料以及覆面板组成的夹芯保温复合墙板。一般根据轻钢龙骨墙板的受力情况,分为承重墙板和非承重墙板。在低层轻钢结构住宅中,大部分的轻钢龙骨复合墙板中的轻钢龙骨是结构受力体系的组成部分,此种墙板属于承重墙板;对于中、高层建筑属于非承重墙板,起到对建筑结构的围护、保温、防火等作用。在我国轻钢龙骨复合墙板大部分作为非承重构件应用于中高层建筑[4]。
  
  1.3 国内外轻钢龙骨复合墙板的研究现状。
  
  1.3.1 国外轻钢龙骨复合墙板的研究现状。

  
  国外对于轻钢龙骨复合墙板的传热性能研究较早。Kosny 和 Christian[5]利用美国橡树岭国家实验室开发的 Heating7.2 软件计算了两种典型的轻钢龙骨墙板的热量损失,分析了保温隔热材料应用于这两种墙板的有效性。研究表明:设置外墙外保温能够显着的增加墙板的整体保温性能。
  
  Mao 和 Johannesson[6]运用频率响应法建立多维动态模型,计算温度变化对热桥的影响。在建立的多维动态模型中,将热桥部分划分为有限的单元,用幅值和环境动态温度变量表达节点的温度荷载。
  
  Edward 和 John[7]建立了针对轻钢龙骨复合墙板改变龙骨类型以及保温材料的试验数据库,将平行热流法等三种理论计算方法所得的热阻值与试验所得墙板热阻进行了比较。
  
  Mikael 和 Jyri[8]用标定热箱试验法模拟了轻钢龙骨墙板三维传热作用和二维传热、传质联合作用。
  
  Andreassen 和 J?nsson[9]学者进行腹板开孔冷弯薄壁型钢钢柱的受压试验,研究了构件的长度、宽度、腹板开孔以及加劲板等因素对试件连接节点以及承载力的影响。
  
  Tom[10]对腹板开孔龙骨墙板的轴压、抗弯、抗剪、抗火及组合作用进行了系统的分析,进行了一系列标准墙板试验。
  
  B.W.Schafer[11-15]完善了对三种屈曲模式的理论分析、有限元模拟分析,进行了一系列关于局部屈曲和畸变屈曲的试验研究,验证了直接强度法计算方法的可靠性,开发出关于 C 型和 Z 型截面冷弯薄壁型钢构件的分析软件。
  
  Peterman[16]等学者进行了无覆面板、单侧覆面板和双侧覆面板,三种情况下组合墙板的抗弯性能试验研究,对比分析了螺钉间距、覆面板类型对龙骨试件承载力和破坏模式的影响。研究结果表明:覆面板的存在能显着提高组合墙板刚度和承载力。无覆面板与单侧覆面板均出现扭转屈曲破坏,有双侧覆面板墙板由于覆面板的存在,可以有效限制龙骨的局部屈曲和扭转屈曲。
  
  1.3.2 国内轻钢龙骨复合墙板的研究现状。
  
  国内引进轻钢龙骨复合墙板较晚,从 2002 年开始,国内学者陆续对开孔轻钢龙骨复合墙体的传热和力学性能进行了研究。
  
  崔加全[17]采用 ANSYS 有限元分析软件对腹板开孔的 C 型截面构件传热参数进行了研究,并与已有的构件轴压力学性能参数分析成果进行对比,得出典型构件的比较合理的开孔参数。
  
  殷大伟[18]采用试验与有限元结合的方式研究了腹板开孔 C 型轻钢龙骨墙板和带苯板外保温层腹板开孔 C 型轻钢龙骨墙板传热性能,并采用经过试验验证有效的 ANSYS 有限元分析模型,对比分析了腹板未开孔 C 型轻钢龙骨墙板、腹板不同位置开孔 C 型轻钢龙骨墙板、轻钢龙骨不同位置垫木条的开孔 C 型轻钢龙骨墙板传热性能。采用 ANSYS 有限元分析软件建立了 C 形冷弯薄壁型钢在侧向荷载作用下的有限元分析模型,分析了腹板开孔构件、腹板两侧开孔构件和腹板中部开孔构件的屈曲模态,开孔参数对构件抗弯性能的影响。
  
  贝晗[19]采用 ANSYS 有限元分析软件研究了轻钢龙骨腹板高度、翼缘宽度、卷边宽度、钢龙骨厚度、石膏板厚度等因素对 C 型轻钢龙骨墙板传热性能的影响。
  
  研究了轻钢龙骨翼缘处垫木条的复合墙板、双龙骨中间夹木条的复合墙板、带苯板外保温的复合墙板传热系数及温度场分布。通过 ANSYS 有限元分析软件研究了建立了考虑墙板支撑作用的 C 型钢龙骨墙板立柱模型,分析螺钉间距对构件承载力的影响。研究表明,墙板支撑作用对 C 型轻钢龙骨构件承载力的影响较大,有效限制墙板的整体屈曲,控制局部屈曲。
  
  崔永祺[20]通过试验与 ANSYS 有限元软件相结合的方式对腹板开孔轻钢龙骨复合墙板进行研究。主要研究了保温材料、外饰面层、夹层厚度、龙骨厚度及室内外热湿环境等对保温层重量湿度的影响,提出满足节能要求的热工性能参数和墙板构造参数。
  
  武胜[21]采用 ANSYS 有限元软件选用标准龙骨复合板、腹板开孔标准龙骨墙板和加聚苯乙烯外保温层腹板开孔标准龙骨复合墙体对比分析墙体的温度场分布、热流密度、平均传热系数、龙骨影响区内墙板室内表面结露、复合层冷凝等传热、传湿性能。采用试验方法测得墙板的传热系数及温度场分布。
  
  颜於滕[22]进行了 5 片腹板开孔轻钢龙骨墙板,1 片腹板不开孔轻钢龙骨墙板的标定热箱法试验,通过试验测得墙板的传热系数以及温度,对比轻钢龙骨腹板开孔排数、轻钢龙骨腹板的高度以及窗墙面积比等因素对墙体传热性能的影响。采用经过试验验证有效的ABAQUS有限元分析模型,系统的研究了轻钢龙骨腹板高度、窗墙面积比、轻钢龙骨的比重系数、岩棉保温材料的导热系数等因素对墙板传热系数以及测点温度的影响。
  
  武胜,韩彪[23]采用 ANSYS 有限元分析软件对新型腹板开孔 HF1 型轻钢龙骨复合墙板传热性能进行研究。主要分析了轻钢龙骨腹板的高度、厚度、翼缘宽度,轻钢龙骨腹板开孔的孔洞横向间距、孔洞纵向间距、孔长、孔宽、开孔排数等开孔参数对墙板传热性能的影响。研究结果表明:轻钢龙骨腹板的高度、厚度、腹板开孔长度和开孔排数等参数对轻钢龙骨墙板传热性能影响较大。
  
  董晓晨[24]采用有限元与试验相结合的方式研究,对腹板开孔 C 型冷弯薄壁型钢构件进行抗弯性能研究;采用 ABAQUS 软件对非承重腹板开孔轻钢龙骨墙板的抗弯性能进行研究。研究结果表明,轻钢龙骨腹板开孔会降低轻钢龙骨构件的抗弯承载力和刚度,轻钢龙骨墙板的石膏板覆面板显着提高墙板的抗弯承载力和刚度。
  
  徐宏艳,刘晶波[25]采用 ANSYS 有限元分析软件进行了腹板开孔冷弯薄壁 C型钢梁稳定承载力的研究,分析几何初始缺陷和冷弯残余应力及两者综合作用的影响。研究结果表明,对于局部屈曲破坏的开孔梁,需要考虑初始缺陷的影响,可取腹板高度的 0.005 进行初始缺陷峰值进行计算;初始几何缺陷和残余应力对构件稳定承载力的影响并非两者线性的叠加。
  
  石敬斌,董晓晨,杨晓杰等[26]采用 ABAQUS 有限元软件对腹板开孔轻钢龙骨在均布荷载作用下的抗弯性能进行了研究。研究结果表明,腹板开孔对构件抗弯刚度和抗弯承载力有较大的削弱。对于具有相似开孔比的轻钢龙骨构件,构件的抗弯刚度随着轻龙骨腹板高度的增加显着增大。
  
  王春刚,梁润嘉,张壮南等[27]进行了 8 个简支梁试件稳定性试验研究,对比分析了腹板开孔对两种不同截面形式的冷弯薄壁型钢受弯构件稳定性的影响。试件的开孔会降低试件的承载能力,改变试件的应力分布,使孔洞周边区域出现应力集中的现象,腹板加劲肋的构造措施能够减弱开孔对截面的影响。
  
  丁井臻[28]进行了 7 片轻钢龙骨腹板高度和覆面板类型不同的腹板开孔轻钢龙骨墙体抗弯试验,分析轻钢龙骨腹板高度和覆面板刚度对试件承载力和抗弯刚度的贡献。研究表明,覆面板的存在限制了轻钢龙骨墙板的整体屈曲,提高抗弯承载力。覆面板材料的刚度越大,覆面板对截面抗弯的贡献越大。龙骨腹板高度、龙骨板件厚度、竖龙骨间距及覆面板材料等参数均对腹板开孔轻钢龙骨墙板抗弯性能影响显着。
  

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  1.4 装配式 S 型轻钢龙骨保温复合墙板
  1.5 本论文的主要研究内容
  1.6 本章小结

  第 2 章 装配式 S 型轻钢龙骨保温复合墙板钢龙骨抗弯承载力计算

  2.1 引言
  2.2 装配式 S 型轻钢龙骨保温复合墙板的构造
  2.3 墙板风荷载标准值计算
  2.4 轻钢龙骨保温复合墙板钢龙骨抗弯承载力计算
  2.5 本章小结

  第 3 章 装配式 S 型轻钢龙骨保温复合墙板传热性能试验研究

  3.1 试验目的
  3.2 试验设备及工作原理
  3.2.1 试验设备
  3.2.2 工作原理
  3.3 试件设计
  3.4 试验方案
  3.4.1 试件的安装
  3.4.2 材料热工性能的测定
  3.4.3 测量方案
  3.4.4 试验过程
  3.5 试验结果
  3.5.1 传热系
  3.5.2 温度场结果
  3.6 本章小结

  第 4 章 装配式 S 型轻钢龙骨保温复合墙板传热有限元分析

  4.1 引言
  4.2 围护结构传热学基本原理
  4.2.1 热量传递的基本方式
  4.2.2 围护结构的传热过程
  4.3 传热学有限元理论
  4.4 传热分析有限元模型的建立
  4.4.1 部件的创建
  4.4.2 单元的选取及网格的划分
  4.4.3 材料的热工参数
  4.4.4 模型的假定及边界条件
  4.4.5 有限元结果
  4.4.6 试验与有限元结果的对比分析
  4.5 本章小结

  第 5 章 装配式 S 型轻钢龙骨保温复合墙板抗弯性能试验研究

  5.1 试验目的
  5.2 试件设计及制作
  5.2.1 试件的设计
  5.2.2 试件制作方案
  5.3 材性试验
  5.3.1 轻钢龙骨材性试验
  5.3.2 纤维增强水泥压力板材性试验
  5.4 试验方案
  5.4.1 加载方案
  5.4.2 测量方案
  5.5 试验结果及分析
  5.5.1 试件的破坏过程
  5.5.2 荷载-挠度曲线
  5.5.3 龙骨应变分析
  5.6 本章小结

  第 6 章 结论

  装配式S型轻钢龙骨保温复合墙板,具有良好的保温性能和优良的抗弯性能,适宜装配式住宅的工业化生产。根据本文的试验研究,仅限于本文的试验,得出以下结论:

  (1)S 型轻钢龙骨直接增加龙骨传热路径的保温设计,能够较好的增加钢龙骨的热阻,降低轻钢龙骨保温复合墙板的传热系数;(2)S 型轻钢龙骨腹板开设长圆孔的保温措施,间接增加龙骨的传热路径,能够显着降低试件的传热系数,显着提高试件钢龙骨处纤维水泥压力板室内一侧测点温度,有效降低试件表面的温度差;(3)S5-0-5 型轻钢龙骨保温复合墙板、S5-3-5 型轻钢龙骨保温复合墙板的传热系数满足《吉林省居住建筑节能设计标准(75%)》(DB-22/T1887-2013)标准的要求;(4)S5-3-5 型轻钢龙骨保温复合墙板的最小抗弯承载力为 5.78kN/m2,满足吉林省 C 类地区 100 米及以下高度建筑风荷载的使用要求。

  参 考 文 献

    刘振岐. 装配式S型轻钢龙骨保温复合墙板性能研究[D].长春工程学院,2020.
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