基于ANSYS的一型剪力墻熱橋的位移場和應力場研究

基于ANSYS的一型剪力墻熱橋的位移場和應力場研究

1 概述

在工程中，由于溫度的變化，結構會產生膨脹或收縮，當結構受到約束時，就會產生溫度應力。溫度應力對結構的剛度、強度會產生一定的影響，甚至使結構產生裂縫，進而降低結構的使用壽命。因此，分析結構溫度應力很有必要，清楚了結構溫度應力場的分布規律就可以對結構采取相應的保護措施，減輕建筑結構內部應力變化，防止產生裂縫，加強建筑物的耐久性，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，我國對建筑結構采取了節能保溫措施。目前對于墻體的節能措施大致為2種：內保溫和外保溫。該文從力學的角度，運用有限元軟件ANSYS，以一形剪力墻為研究對象，對其3種結構形式（不保溫、內保溫和外保溫）的位移場及應力場進行分析研究。3種結構形式的結構圖如圖1～圖3。

圖1 不保溫一型剪力墻熱橋結構圖

圖2 內保溫一型剪力墻熱橋結構圖

圖3 外保溫一型剪力墻熱橋結構圖

圖中數字說明：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-石灰砂漿及內飾面，6-陶粒加氣混凝土砌塊。

2 模擬采用的假定

（1）位移、應力在熱橋和填充墻內的分布是連續的；

（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、彈性模量等常數不隨坐標和方向而改變；

（4）熱橋和填充墻在溫度作用之前，無初始應力，模擬計算的應力僅由溫度作用產生；

（5）熱橋和填充墻的位移和變形對物體尺寸變化影響甚微，忽略不計；

（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變。

3 模擬采用的邊界條件

熱橋和填充墻滿足室內、室外邊界處面力為零的靜力邊界條件和位移邊界條件。

4 模擬的參數選用

所用材料（C30鋼筋混凝土、陶粒加氣混凝土砌塊）的參數取自《建筑節能技術標準規范匯編》和《混凝土結構設計規范》GB50010-2002，見表1。

表1 熱應力計算參數表

選用各種材料的材料熱工參數見表2，參數取自《民用建筑熱工設計規范》GB50176-93。

表2 材料熱工參數表

以西安為研究對象，邊界條件的室外空氣計算溫度取冬季室外平均溫度，邊界條件的室內空氣計算溫度取冬季采暖居住建筑的溫度，參數取自《建筑節能技術標準規范匯編》，熱橋內、外表面換熱系數取自《民用建筑熱工設計規范》GB50176-93，見表3。

表3 計算的邊界條件參數

5 應力場模擬與結果分析

采用有限元軟件ANSYS模擬得到3種結構形式的熱橋在穩態傳熱下的位移場分布圖及應力場分布圖，并對模擬結果進行了分析。

5.1 位移場模擬結果分析

對比3種結構形式熱橋發現，不保溫熱橋和內保溫熱橋的位移場的分布規律類似，沿墻體厚度方向呈現為熱橋內部位移小、兩側表面位移大的現象，位移變化趨勢為由熱橋內部向兩外表面發展。而外保溫熱橋的位移場與前兩者截然不同，位移沿墻厚方向由室外向室內逐漸變大，位移變化趨勢為由室外向室內發展。3種結構形式的最大位移均出現在熱橋內表面，其中以外保溫形式位移為最大，內保溫位移為最小。

分析3種結構形式熱橋的位移變化發現，外保溫最大位移與最小位移之比接近1，位移變化平穩。而內保溫和不保溫結構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。結構內部位移的劇烈變化對結構很不利，容易使結構內部產生裂縫，從而影響結構強度和剛度，進而縮短結構使用壽命。

5.2 應力場模擬結果分析

對比3種結構形式熱橋發現，不保溫熱橋和內保溫熱橋的應力場的分布規律類似，沿墻體厚度方向，應力變化呈現為由室外向室內逐漸變大的趨勢，最大應力值出現在墻體室內表面，最小應力出現在墻體室外表面。而外保溫熱橋的應力場與前兩者又截然不同，應力沿墻厚方向不發生變化，應力值為一常數。

比較3種結構形式熱橋的應力變化發現，外保溫最小，最大應力與最小應力相同，應力在熱橋內部不發生變化；內保溫次之，熱橋的最大應力與最小應力之比約為2.7；不保溫最大，熱橋的最大應力與最小應力之比大于4。由此可見，熱橋經過保溫后內部應力變化減小，而外保溫最能有效降低結構內部應力。

5.3 熱應力變化對比分析

為更具體地比較3種結構形式熱橋的應力變化，對熱橋室內外兩側表面的應力變化進行量化分析。由于一型剪力墻熱橋為對稱結構，應力分布也對稱，故取一半熱橋結構進行分析。以熱橋的對稱軸線與熱橋外表面交點為坐標原點，沿熱橋厚度方向建立平面直角坐標系，規定厚度沿室內方向為正，沿厚度方向分別取值并整理數據，繪制曲線圖如圖4所示。

圖4 應力變化曲線圖

由上面的曲線圖不難發現，不保溫熱橋斜率最大，應力變化最大。內保溫熱橋斜率次之，應力變化較大。外保溫熱橋應力曲線斜率最小，為一條水平線，應力值為一常數，應力在熱橋內部不發生變化。因此，對熱橋采取外保溫后可有效減小熱橋內部的應力變化。

6 結論

通過模擬不保溫、內保溫、外保溫3種形式的一型剪力墻熱橋在穩態溫度場作用下的應力場和位移場，分析對比發現，外保溫結構的熱橋位移變化平穩，應力不發生變化。從力學角度論證了外保溫結構是一種良好的結構體系，能有效地降低熱橋由于溫差作用產生的溫度應力，改善結構受力性能，減輕溫度應力對結構產生的不利影響，因此能增強建筑物的耐久性，提高建筑使用壽命。外保溫結構的熱橋具有重要的經濟效益和社會效益。該研究對西安地區建筑節能理論研究和技術應用也具有一定的參考意義。

[1]李維特，黃保海.熱應力理論分析及應用[M].北京：中國電力出版社，2004：130-133.

[2]王潤富，陳國榮.溫度場和溫度應力[M].北京：科學技術出版社，2005：3-5.

[3]建設部建筑節能辦公室.建筑節能技術標準規范匯編[M].北京：中國建筑工業出版社，2003：289-290.

[4]GB50010-2002混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2002：17-18.

[5]GB50176—93民用建筑熱工設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，1993：14，21，24-25.

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

[7]李彥伯.剪力墻結構溫度效應與熱橋效應研究[D].西安：西安建筑科技大學，2009：18，15，51.

責任編輯: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中煤國際工程集團北京華宇工程有限公司，陜西西安710075；2神華寧煤集團麥垛山煤礦，寧夏靈武750409；3中鐵電氣化鐵路運營管理有限公司，北京100036）

該文運用穩態傳熱理論，采用有限元軟件ANSYS模擬分析一型剪力墻熱橋在3種結構形式(不保溫、內保溫及外保溫)下的位移場、應力場，并量化分析對比熱橋沿墻厚方向的應力變化。分析結果發現，外保溫結構是一種良好的結構體系，能有效降低熱橋由于溫差作用產生的溫度應力，改善結構受力性能，增強建筑物的耐久性，提高建筑結構使用壽命。因此具有重要的經濟和社會效益。

一形剪力墻熱橋；穩態傳熱；外保溫；位移場；應力場；應力變化

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，內蒙古人，碩士，助理工程師，主要從事建筑結構設計工作。

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

于曉輝（1982-），男，內蒙古人，學士，工程師，主要從事建筑施工。