一种新型自保温过梁抗弯及保温性能试验分析

黄 靓，蒋文龙，王 辉，江 超，黄梅梅，高小宝，王 海

(1.湖南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410082; 2.湖南大学 建筑安全与节能教育部重点实验室,湖南 长沙 410082; 3.中国建筑国际集团有限公司,香港 999077)

一种新型自保温过梁抗弯及保温性能试验分析

黄 靓1,2†，蒋文龙1,2，王 辉3，江 超1,2，黄梅梅1,2，高小宝1，王 海1

(1.湖南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410082; 2.湖南大学 建筑安全与节能教育部重点实验室,湖南 长沙 410082; 3.中国建筑国际集团有限公司,香港 999077)

对研制的一种通过在梁内开缝并填充保温材料来阻断冷热桥实现自保温功能的过梁进行了试验分析.进行了2根实心过梁和8根自保温过梁的抗弯性能试验.试验结果表明,自保温过梁中外叶梁和内叶梁的协调工作性能良好，在正常使用极限状态下的实测最大裂缝宽度均小于短期荷载下的限值，能满足正常使用要求.同时，开缝和宽度比对初裂荷载和破坏模式基本没有影响.此外，虽然开缝导致自保温过梁承载力略小于实心过梁，但两者承载力的差值不明显.自保温过梁的传热系数值比实心过梁下降65%，热工性能明显优于实心过梁.

过梁；开缝；抗弯性能；保温；承载力

持续推进建筑节能保温是中国的一项基本政策.建筑外围护结构作为建筑与外界环境能量交换的窗口，成为解决建筑节能保温最重要的一个环节.在外围护结构中，构成外墙的自隔热保温墙体材料[1-4]和构成门窗的建筑真空玻璃[5-6]在国内外的研究与应用已经有了很大的发展，无须再做内、外保温.但外围护结构中重要组成部分的过梁是典型的结构性冷热桥，一般采用外墙内保温或外保温来解决冷热桥问题，但内保温存在易发霉、效果差、占面积，外保温存在易脱落、与建筑不同寿命等诸多缺点，而自隔热保温构件或结构的研究又很少．因此，本文从结构的角度出发，设计一种自保温过梁，其方法是在过梁中间开缝，缝中填充保温材料，阻断过梁中冷热桥的形成.

目前，国内外针对普通钢筋混凝土梁的研究较多，李志华[7]对梁的受弯承载力、裂缝和挠度进行了试验研究，试验表明，混凝土强度等级对试验梁的裂缝影响不明显；Makhlouf和Malhas[8]在试验中发现配筋率对裂缝宽度没有明显影响;王新宁[9]做了4种8根T形截面钢筋混凝土梁的试验，分析了加载方式、混凝土强度、钢筋强度对试验梁的开裂、裂缝宽度、挠度等的影响.以上研究成果为自保温过梁力学性能试验分析提供了参考.本文对2根实心过梁和8根自保温过梁的抗弯性能和保温性能进行了试验研究.

1 试验设计和材料性能

为了研究这种自保温过梁内、外叶梁的协同工作性能以及开缝和内外叶梁的宽度比对其抗弯性能的影响，本文以是否开缝、宽度比和混凝土强度等级为主要参数设计并制作了10根过梁，包括2根实心对比梁(编号分别为CB1和CB2)和8根自保温过梁(编号分别为B1～B8)，其中自保温过梁的内叶梁用A表示，外叶梁用B表示，内叶梁、外叶梁以及缝的宽度之和与实心过梁相同，因此对于自保温过梁，其真实的混凝土截面宽度要比实心过梁小30 mm.参照实际工程，梁的截面总宽度设计分别为240 mm和300 mm，截面高度为180 mm，具体尺寸及配筋如图1所示．外叶梁和内叶梁在端部现浇成一个整体，其长度为150 mm，试件具体参数见表1，钢筋实测力学性能指标见表2.

过梁的受力形式类似于简支梁，故试验选择两点加载的简支梁形式，试验加载示意图如图2所示，按《混凝土结构试验方法标准》[10]进行预加载，预加荷载取开裂弯矩Mcr的30%，Mcr=0.256ftbh2[11]，测读数据，观察试件、装置和仪表工作是否正常并及时排除故障.正式加载采用单调分级加载，按照混凝土静载加载方法进行.试验过程中观察裂缝发展情况并进行挠度、应变和裂缝宽度的量测.

(a)实心过梁(240 mm宽)

(b)自保温过梁(240 mm宽)

(c)实心过梁(300 mm宽)

(d)自保温过梁(300 mm宽)

表1 各试件参数

表2 钢筋实测力学性能指标

图2 加载装置示意图(mm)

2 试验结果及分析

2.1 试验过程及破坏形态

在试验荷载作用下，自保温过梁裂缝发展的过程和形态与实心过梁相同，当荷载超过开裂荷载后，第1条裂缝均出现在梁的纯弯段，其位置在跨中附近，且总是外叶梁先开裂，然后随着荷载继续加大，内叶梁出现裂缝.随着荷载增加，垂直裂缝陆续在纯弯段出现，裂缝间距比较均匀，裂缝宽度发展缓慢；当纯弯段裂缝基本出齐后，随着荷载增大，在梁的剪力和弯矩共同作用区段出现了弯剪斜裂缝；临近破坏时，裂缝宽度发展很快，破坏预兆明显，梁顶混凝土从出现鼓起痕迹到被压碎的过程中，一般都是内叶梁先出现鼓起痕迹，接着外叶梁梁顶鼓起，然后内、外叶梁先后发生破坏.部分试件破坏后裂缝情况见图3.由图3可以看出，自保温过梁内、外叶梁裂缝数量、形态基本一致，说明内、外叶梁在荷载作用下协调工作性能良好.

2.2 主要试验结果

在试验中测量试件初裂荷载、实测极限荷载、计算极限荷载以及观察试件破坏形态，全部试件的试验参数如表3所示.

2.3 开缝对过梁的影响分析

选取整体宽度相同，开缝与不开缝的过梁进行受弯承载力对比(B2vs.CB1,B3vs.B4vs.CB2)，如表3所示，由于试验误差以及材料强度存在一定的离散性，实心过梁和自保温过梁之间的初裂荷载和实测极限荷载有大有小，但差距并不明显，实心过梁与自保温过梁的初裂荷载最大差值为0.4 kN，最小差值为0.0，其初裂荷载几乎是相同的，且破坏模式都为受弯破坏．实心过梁的极限荷载比对应的自保温过梁都要大，最小差值为2.9 kN(占实心过梁极限承载力的4%)，最大差值为5.3 kN(占实心过梁极限承载力的6%)，这是由于开缝导致自保温过梁的混凝土实际截面宽度比实心过梁小，其极限承载力会有一定程度的降低，因此，开缝对试验梁的开裂和破坏模式基本没有影响，而开缝将导致过梁的极限承载力略微下降.

图3 裂缝图

表3 过梁的受弯性能参数

将规范受弯承载力计算公式中的fc和fy分别取混凝土和钢筋的强度实测值，计算出极限弯矩M，再由力和弯矩的平衡求出计算极限荷载Pc，结果列于表3.实测极限荷载Pe和计算极限荷载Pc的比值均大于1，其平均值为1.17，标准差为0.03，这说明规范公式计算的结果比较准确，具有一定的安全储备，适合对实心过梁和自保温过梁进行承载力计算.

2.4 内、外叶梁宽度比对自保温过梁的影响分析

在试验的自保温梁中选取配筋量、混凝土强度等级、截面面积(宽度相同)都相同而内、外叶梁宽度比不同的两个对比组进行受弯承载力对比(B3 vs. B4 , B5 vs. B6).从表4中可以看出，不同宽度比的自保温过梁之间的初裂荷载最大差值为0.4 kN，最小差值为0，其初裂荷载几乎是相同的；内、外叶梁宽度比不同的自保温过梁的极限荷载最小差值为1.7 kN(仅占自保温过梁极限承载力的约2%)，最大差值为2.4 kN(仅占自保温过梁极限承载力的3%)，两组自保温梁实测极限荷载比值分别为0.968和1.019，平均值为0.99，不同宽度比自保温梁的极限承载力近似相同.因此，自保温过梁内、外叶梁宽度比不同对梁的开裂和破坏模式基本没有影响，过梁的承载力近似相同，规范受弯承载力计算公式适用于内、外叶梁宽度比不同的自保温过梁.

依据规范[12]，梁的保护层厚度最小为25 mm，受力纵筋最小间距不小于25 mm或主筋直径，实际工程中考虑内外墙抹灰厚度情况对保护层的有利作用，综合以上分析内外叶梁设计时最小截面宽度不应小于80 mm.实际施工中，为方便施工、保证效果，建议内外墙宽度比设为1∶1.

表4 内、外叶梁宽度比不同的过梁受弯承载力对比

3 自保温过梁正常使用状态分析

与实心过梁相比，自保温过梁相当于在实心过梁中间开了一条缝，其受力状态、截面刚度等与实心过梁相比会有区别，所以自保温过梁承担荷载时，裂缝宽度和挠度有可能成为构件设计需要考虑的主要因素.

按照GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》[13]规定，荷载效应组合的设计值应从可变荷载效应控制的组合和永久荷载效应控制的组合之中取最不利值确定，正常使用极限状态下，荷载效应的标准组合为：

式中：SGk为按永久荷载标准值计算的荷载效应；SQ1k为在所有可变荷载效应中起控制作用的荷载效应；SQik为按可变荷载标准值计算的荷载效应；ψci为第i个可变荷载效应的组合系数；

对于本次试验梁，可按SGk/SQk=2即Mk=Mu/1.267计算.以钢筋抗拉强度设计值和混凝土抗压强度设计值算出梁的极限弯矩，再推算极限承载力计算值Pu，由Pk=Pu/1.267求得正常使用极限状态承载力计算值Pk.一般地，实测短期最大裂缝宽度乘以扩大系数1.5可推算出长期最大裂缝宽度，这里，将规范[12]的裂缝宽度限值0.3 mm除以1.5推得短期荷载下的裂缝宽度限值为0.2 mm，然后与对应Pk作用下的实测短期最大裂缝宽度去比较，即可看出梁的裂缝宽度是否满足正常使用要求(如表4所示).

以砖砌体为例，过梁上的墙体高度hw取ln/3，墙体荷载按墙体的均布自重采用[14]，取普通砖自重为18 kN/m3[13]，则普通砖对过梁产生的弯矩仅为其承载力设计值的10%左右，远小于正常使用极限状态时的荷载，因此，开缝不会影响过梁在实际结构中的使用.

《混凝土结构设计规范》[12]规定：当受弯构件的计算跨度小于7 m时，其最大挠度不应超过其计算跨度的1/200.受弯构件的挠度应按荷载标准组合并考虑荷载长期作用影响的刚度B进行计算，计算公式为：

如上所述，取可变荷载与永久荷载的比值Qk/Gk=0.5，取可变荷载的准永久系数为0.5，则

梁的计算跨度为1 600 mm，规范[13]允许的挠度限值为1 600/ 200=8 mm，挠度与刚度成反比，因此，短期荷载下的挠度限值为8×0.545=4.36 mm.

表5给出了自保温过梁对应Pk作用下的实测短期最大裂缝宽度和挠度.由表5可知，内、外叶梁的裂缝宽度和跨中挠度都小于短期荷载下的限值，说明自保温过梁能满足正常使用的要求.

表5 短期荷载下的最大裂缝宽度和挠度

4 热工性能分析

以常用的240 mm宽的过梁为例，因其厚度与墙体的厚度相同，故可按平板结构进行计算，根据GB 50176-93《民用建筑热工设计规范》[15]关于围护结构热工设计的计算方法，先将不同材料组成的过梁分层，如图4所示.参照DBJ 43/001-2004《湖南省居住建筑节能设计标准》[16]和DB 51/T5061-2008《水泥基复合膨胀玻化微珠建筑保温系统技术规程》[17]给定的材料热物理性能参数(见表6)，详细计算见表7和表8.

图4 材料分层

表6 材料热物理性能参数

表7 实心过梁的热工计算

表8 自保温过梁的热工计算

通过对实心过梁和自保温过梁的热工计算，可以得到在未做开缝及保温处理时，实心过梁的传热系数达到3.23 W/ (m2·K)，而热惰性指标仅为2.62，在建筑中形成典型的热桥.而自保温过梁的传热系数为1.12 W/ (m2·K)，相对于实心过梁其降幅达65%，热惰性指标为3.01，也有相应的提高.

5 结束语

由2根实心过梁和8根自保温过梁的抗弯性能试验及热工性能分析可得出以下结论：

1)开缝对相同配筋率和混凝土强度梁的初裂荷载和破坏模式基本没有影响，但开缝会导致自保温过梁的极限承载力略小于实心梁，但两者承载力的差值不明显，仅占到实心过梁极限承载力的4%～6%．

2)当过梁截面面积相同(宽度相同)时，内、外叶梁宽度比在一定范围内(内外叶梁的最小截面宽度不应小于80 mm)，自保温过梁内、外叶梁的宽度比不同对梁的承载力基本没有影响，其承载力近似相同.

3)一般墙体作用在过梁上的荷载远小于正常使用极限状态下的荷载，自保温过梁在正常使用极限状态下的短期最大裂缝宽度和挠度均小于规范限值，能满足正常使用要求，故开缝不会影响过梁在实际工程中的使用．

4)自保温过梁的传热系数值相较于实心过梁降幅达65%，而其热惰性指标有一定提高，热工性能明显优于实心过梁，基本消除了过梁在外围护结构中产生的冷热桥影响.

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Experimental Analysis of the Flexural and Thermal Performance of One New Self-insulation Lintel

HUANG Liang1,2†, JIANG Wen-long1,2, WANG Hui3, JIANG Chao1,2, HUANG Mei-mei1,2, GAO Xiao-bao1, WANG Hai1

(1. College of Civil Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China; 2. The Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency of the Ministry of Education, Hunan Univ, Changsha,Hunan 410082, China;3. China State Construction International Holdings Limited, Hong Kong 999077, China)

This study conducted a test to analyze the self-insulation lintel by filling the slit in lintel with the insulation materials to prevent the thermal bridge. Two solid lintels and eight self-insulation lintels were tested to study their flexural properties. The result shows that both the outer wythe and the inner wythe of the self-insulation lintels cooperate well with each other. The measured maximum crack width under the limit state of normal use is smaller when compared with the limit value under short-term load, so it can meet the normal requirement. In addition, the slit and width ratio of the self-insulation lintels has little effect on the initial crack load and failure mode, and because of the slit, the ultimate strength of the self-insulation lintels is slightly less than the solid lintels, while the difference is obvious. Though the heat-transferring coefficient of the self-insulation lintels decreases by 65% compared with the solid lintels, it has much better thermal performance.

lintel; slotted; flexural properties; thermal insulation; bearing capacity

1674-2974(2015)01-0047-06

2014-01-13

国家自然科学基金资助项目(51378193),National Natural Science Foundation of China(51378193)；长沙市墙改课题(2010-11-060，2011-12-042)

黄 靓(1979-)，男，湖南株洲人，湖南大学副教授，博士†通讯联系人，E-mail:huangliangstudy@126.com

TU375.1

A