严寒地区基于热工和力学性能的混凝土自保温砌块设计及优化

丁晓燕 罗永磊 陈忠范 徐 明

(东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 南京 210096)

严寒地区基于热工和力学性能的混凝土自保温砌块设计及优化

丁晓燕 罗永磊 陈忠范 徐 明

(东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 南京 210096)

设计了一种墙厚280 mm、满足东北严寒地区节能要求的混凝土自保温砌块．首先,分析了影响混凝土自保温砌块保温及受力性能的主要指标;其次,基于规范对砌块块形的相关要求,设计了15种自保温砌块块形;然后,利用ANSYS有限元分析软件,求解这15种砌块的传热系数和抗压强度;最后,运用多目标性能优化方法对砌块热工性能、力学性能和容重进行综合优化,得出最佳块形,并对其进行二次热工性能、力学性能优化,以得到最终最优块形．结果表明:最终最优块形的传热系数为0.350 W/(m2·K),毛截面抗压强度为6.50 MPa,横肋与竖肋应力相近,自保温砌块受力更加合理;在空心率相同的前提下,自保温层宜采用非均匀排列,近冷热源两侧端面的保温层越厚,砌块保温节能效果越好．

自保温砌块;热工性能;力学性能;ANSYS;优化分析

自保温混凝土砌块具有节能、节土、利废、环保、劳动生产率较高等优点,是我国墙体改革重点推广的新型建筑材料之一．国外工业发达国家的混凝土砌块已有数百年发展历史,尽管各国墙体材料发展情况不同,但大都采用高效保温材料,砌块规格、品种齐全,能够达到规定的保温隔热标准,混凝土砌块已成为各国墙体材料的主要产品．随着我国节能减排国策的实施,建筑节能已得到研究者们的高度重视．我国已颁布了与节能相关的规范和标准,对建筑节能提出了明确要求,国家及各省市的建筑节能规范已将自保温砌块作为节能墙体的重要类型．

目前,国内许多学者已对混凝土自保温砌块的热工和力学性能分别进行了深入研究,但并未对这两方面性能进行综合优化．热工性能和力学性能是相互冲突的,很难使这二者同时达到最优效果．

本文拟设计一种满足东北严寒地区的新型自保温砌块,对其热工、力学性能及容重进行综合优化．对砌块的外形尺寸、壁肋厚度和孔腔大小进行最优设计,使该砌块成为一种性能优异的新型自保温墙体材料．

1 自保温混凝土砌块的设计要求

本文设计的自保温混凝土砌块拟用于剪力墙结构的外墙填充墙及村镇住宅低层砌体结构工程中．首先,设计前提应立足我国国情,砌块的生产不宜太复杂,满足经济性要求．其次,尽量一块多用,集保温受力于一体,在符合模数的基础上减轻自重,以便于墙体施工．

当前我国现行墙体的最高节能率为65%,部分国家标准对建筑外墙的传热系数提出了明确要求．如《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 26—2010)[1]中提到,严寒地区(A区)4～8层建筑物外墙的传热系数限值为0.4 W/(m2·K);《农村居住建筑节能设计标准》(GB/T 50824—2013)[2]中提到,严寒地区村镇住宅外墙的传热系数限值为0.50 W/(m2·K)．

另一方面,我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[3]中提到,一、二级剪力墙底部加强部位的墙厚不应小于200 mm,考虑到外墙保温层的设置,可确定外墙最终厚度至少为280 mm．由此,本文将砌块墙厚方向尺寸设计为280 mm．砌块中灰缝是热流传递的主要通道,减少砌体中灰缝的数量和面积可以提高砌体的热工性能．本文选用工程中常用的较大块体尺寸390 mm×190 mm．由此可知,砌块母体的最终尺寸为390 mm×280 mm×190 mm．

2 计算原理

课题组前期已验证了利用ANSYS有限元软件求解计算自保温砌块温度场的准确性,利用标定和防护热箱法,对南京世浩公司生产的自保温砌块墙体进行热工试验,传热系数的测试值为0.963 W/(m2·K),ANSYS模拟值为0.943 W/(m2·K),误差低于2.2%．计算过程中考虑了砌筑砂浆的影响,具体计算方法参见文献[4-5]．

改善和提高自保温砌块的热工性能,主要从改进孔型和材料2个方面来实现．就块型而言,应向“多排孔、薄壁肋、长对流、错排孔”方向发展,不能盲目照搬不同地区的砌块块形．就材料而言,一是尽量降低砌块基材的导热系数,二是在孔洞内填充导热系数较小的保温材料．合理的孔型设计配以高效的保温材料,可以明显提高砌块的保温性能[6]．

以往研究多以多排孔均匀排列为主,本文对比了均匀与非均匀孔洞排列对砌块传热性能的影响．混凝土空心砌块尺寸为390 mm×280 mm×190 mm,共分三排孔和五排孔2组,每次孔洞变化时,砌块的空心率和肋宽不发生变化．孔型分布如图1所示,孔洞中全部插入聚苯板．选用聚苯板作为填充材料,是基于课题组前期研究基础上得以确定的．研究初期设计了将发泡水泥作为填充物的自保温砌块[7],尽管砌块保温隔热性能有所改善,但弊端十分明显,材料不易成型，生产工艺复杂，造价偏高．此后经调研和试验研究发现,将聚苯板作为保温填充材料可获得较好的保温隔热性能,该技术已颇为成熟,价格低廉,生产工艺简单[8]．砌块传热系数见表1．

表1 不同孔洞排列砌块的墙体传热系数

注：孔宽是指沿砌块厚度方向的尺寸．

由表1可知,无论是三排孔还是五排孔,保温层填充物靠近冷热端面厚度越厚,砌块传热系数越小．因此,在空心率相同的前提下,可采用非均匀排列,填充的保温材料应尽可能靠近冷热源的两侧端面,以改善砌块的保温节能效果．

(a) 孔洞1

(b) 孔洞2

(c) 孔洞3

(d) 孔洞4

3 多目标优化模型及优化方法

3.1 砌块的设计模型

选用陶粒混凝土作为基体材料,其导热系数为0.5 W/(m·K),陶粒混凝土具有节土、节能、高强、易施工等特点．肋壁热桥传递着大量热量,除需要削弱肋壁的传热作用外,还应满足孔对孔、肋对肋和错缝搭接的要求[9]．将砌块肋壁设计为楔肋型,孔型锥度为2 mm．为节省聚苯板(其导热系数为0.042 W/(m·K))用量,将其与空气间层复合使用．考虑到自保温砌块的热工性能和力学性能影响因素,设计了15种不同的块形．基本砌块模型见图2．

图2 自保温砌块的基本模型图

砌块两侧孔洞对称,共计5排孔洞,每排孔洞之间的内壁宽度相同,将这种平行于长度方向的内壁称为横肋,肋宽为f．假定每列孔洞之间的内壁宽度相同,将平行于砌块宽度方向的内壁称为竖肋,肋宽为b．令第1排孔洞长为a,宽为e;第2排孔洞长可由竖肋宽度推得,令该排错位孔中小孔的长度为m,则大孔孔长为2m+10,建立函数关系式4m+10+2b=390,即可求得m,且大小孔的孔宽均为g;第3排孔洞长为a,宽为g．

自保温砌块外壁d过薄,将导致砌体墙壁上无法钉钉,不利于用户的使用;外壁过厚,则导致墙体的热工性能差．本文将砌块外壁厚定为20 mm．设定图2中的壁厚c时,可不考虑用户钉钉作用,将其设置为18 mm．由此设计的砌块能够满足《自保温混凝土复合砌块》(JG/T 407—2013)[10]中所提出的“自承重墙体砌块最小外壁厚为15 mm”的要求．

多数学者认为,将自保温砌块孔洞四角变成圆弧状,其受力会更加合理,最佳圆弧尺寸为2 mm,这对砌块的热工性能影响不大．故在本文中,将孔洞四角设计为2 mm圆弧状．为方便计算,优化分析时直接采用直角孔型,但在最后实际砌块制作中则将孔洞四角改为圆弧状．

3.2 多目标优化方法

多目标优化方法采用的是加权求和法,即根据每个目标建立目标函数,将所有目标函数加权求和,得到一个总的优化函数．本文中,权重系数的计算采用层次分析方法[11],即选用-1,0,1三个标度,采用自调节方式建立比较矩阵,再将其转化成一致性判断矩阵,求解得到各目标的权重值．

设计的砌块是用作填充墙或作为农村中低层房屋的承重墙,故在确定各目标的权重系数时,认为热工性能比力学性能重要,力学性能比容重重要．由此给出如下的判断矩阵:

将矩阵R进一步转化为一致矩阵D,其中,dij=exp(rij),则

经过归一化处理后,可以求得矩阵A的特征向量WA={0.563,0.289,0.148}T,即权重系数总数为1,热工性能的权重系数占56.3%,力学性能的权重系数占28.9%,容重的权重系数占14.8%．该系列的权重系数适用于对砌块强度要求低于其热工指标的各类结构中．

3.2.1 自保温砌块优化指标标准化

力学性能、热工性能、容重指标的量纲不同,不能直接用加权求和法进行计算,需对数据进行无量纲化处理,再利用加权求和法进行优化计算和分析．在进行优化分析时,用孔洞率替代容重,传热系数替代热工性能,抗压强度替代力学性能．无量纲计算公式如下:

式中,xi为经转换后的无量纲指标;pi为未经过转化的指标．

设计的15种块形编号见表2．各砌块计算结果见表3．

表2 块形编号

表3 砌块优化指标无量纲计算结果

注：K为传热系数;K0为传热系数无量纲值;R为抗压强度;R0为抗压强度无量纲值;V为孔洞率;V0为抗压强度无量纲值．

3.2.2 自保温砌块块形的优化

本文需优化的目标函数为

s.t.x∈X

(1)

式中,G(X)为目标函数；X为定义域；g1(x)为砌块的传热系数;g2(x)为砌块的抗压强度;g3(x)为砌块的孔洞率;w1=0.563,w2=0.289,w3=0.148．

将自保温砌块的传热系数、抗压强度、孔洞率及其各自的权重系数代入式(1),结果见表4．由表可知,砌块Q3的热工性能、力学性能和容重综合性能最好;其传热系数为0.364 W/(m2·K),毛截面抗压强度为6.50 MPa,空心率为50%,竖肋宽为30 mm,横肋宽为18 mm,外壁厚为20 mm,共5排孔洞,符合相关规范规定．

表4 砌块块形加权分析结果

3.3 空心砌块性能优化

3.3.1 初步优化砌块的有限元分析结果

初步优化思路如下:根据第2节中设计原理,增大靠近冷热源两端保温层的厚度,将36+32+32的孔型改为40+30+30,中间横肋2的宽度减小为17 mm,其余部位不改变．图3为优化前后砌块Q3的平面尺寸,其对应的Mises应力云图见图4．

(a) 原自保温砌块

(b) 初次优化后自保温砌块

(c) 二次优化后自保温砌块

由图4(a)和(b)可知,砌块Q3经初次优化后,横肋1和横肋2的Mises应力明显小于竖肋应力,兼顾到保温效果,必须减小竖肋宽度,减小幅度为1～3 mm．原型砌块的应力表面分布不均匀,其孔型有待二次优化．

3.3.2 二次优化后的有限元结果分析

在初次优化的基础上调整竖肋宽度,将所有竖肋宽度减小至28 mm．表5列出了砌块Q3优化前后肋部的最大应力值．

对比图4和表5可知,经二次优化后,砌块的横肋和竖肋刚度得以重新分布,2个方向上的横、竖Mises应力大小较为相近,受压平面内的应力集中趋缓,砌块受力更加合理．

(a) 原自保温砌块

(b) 初次优化后自保温砌块

(c) 二次优化后自保温砌块

表5 砌块Q3优化前后肋部最大应力

由表5还可以看到,砌块Q3的肋宽及相关位置经过二次优化后,力学性能和热工性能均有明显改善．采用ANSYS分析计算得到原砌块Q3的传热系数为0.364 W/(m2·K),经初次优化调整后变为0.355 W/(m2·K),再经二次优化调整后降为0.350 W/(m2·K),降低幅度达到3.8%．由此可知,以改善力学性能为目的的块形优化同时也导致传热系数提高,达到了二次弱化传热的目的[12]．

我国东北寒区可分为A,B,C三类地区,对应的传热系数限值分别为0.40,0.45,0.50 W/(m2·K)．经过二次优化后的砌块Q3具有优良的热工性能,满足东北严寒地区的节能要求,符合国内墙体材料的发展要求和方向．对应用于B，C类地区及村镇住宅的砌块,传热系数限值有所放松,可因地制宜地减少聚苯板用量,不同地区灵活使用．二次优化后的砌块毛截面抗压强度为6.50 MPa,达到了填充墙体的力学条件要求．随着生产技术和工艺的提高及材料质量的改善,此类砌块的抗压强度也相应提高,可以用于对强度要求更高的承重结构中．

4 结论

1) 通过综合自保温砌块的热工性能、力学性能和容重3个因素,设计出一种墙厚280 mm、可应用于东北寒区的自保温砌块,其砌体的传热系数可降至0.350 W/(m2·K),低于严寒地区建筑传热系数限值的要求．采用的楔肋型有利于脱模,孔洞四角进行圆角处理,有利于减少孔洞四周的应力集中．

2) 所设计的自保温砌块拟用于寒区剪力墙结构中填充墙部位或村镇住宅的低层房屋承重墙中,故在确定各目标的权重系数时,认为热工性能较力学性能重要,力学性能较容重重要．根据ANSYS有限元方法,对设计出的15种自保温砌块的抗压承载力和热工性能进行计算,采用加权求和法对砌块进行综合优化分析,得出砌块Q3的加权求和值最大,其热工性能、力学性能和容重综合最佳．

3) 在空心率相同的前提下,孔洞宜采用非均匀排列,且近冷热源两侧端面的保温层越厚,砌块保温节能效果越好．

4) 以改善力学性能为目的块形优化同时也造成传热系数降低,达到了二次弱化传热的目的．通过调整砌块Q3中各肋的刚度,使横肋与竖肋应力相近,自保温砌块受力更加趋于合理．

References)

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[2]中华人民共和国住房和城乡建设部. GB/T 50824—2013农村居住建筑节能设计标准[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2013.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2010.

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Self-insulation concrete block design and optimization based on thermal and mechanical properties in cold regions

Ding Xiaoyan Luo Yonglei Chen Zhongfan Xu Ming

(Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)

A self-insulation concrete block (SICB) with the thickness of 280 mm meeting the energy-saving standard in northeast cold regions is designed. First, the main influential indices of thermal and mechanical properties of SICB are analyzed. Then, 15 types of SICB are designed according to the criterion of block shape. Their heat transfer coefficients and compressive strengths are calculated by using the ANSYS finite element software. Finally, the multi-objective optimization method is used to comprehensively optimize the thermal property, mechanical property and density, and the best block type is obtained. The mechanical and thermal properties of the best block type are optimized again to obtain the final best block type. The results show that the heat transfer coefficient of the final best block type is 0.350 W/(m2·K) and the compressive strength of the gross section is 6.50 MPa. The stiffness of the transverse rib is similar to that of the vertical rib. The load-bearing capacity of the SICB becomes more reasonable. In the premise of the same hollow rate, it is appropriate to use non-uniform arrangement. The thicker the insulation layer near the hot and cold heat source end face on both sides, the better the energy-saving and insulation effect.

self-insulation concrete block; thermal property; mechanical properties; ANSYS; optimization design

2014-06-15. 作者简介: 丁晓燕(1982—)，女，博士生；陈忠范(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，zfchen@seu.edu.cn.

“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2011BAJ08B04)、江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目(3205004905).

丁晓燕,罗永磊,陈忠范,等.严寒地区基于热工和力学性能的混凝土自保温砌块设计及优化[J].东南大学学报:自然科学版,2015,45(1):145-150.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.01.026

TU522.3

A

1001-0505(2015)01-0145-06