鄭圓 王力 夏赟

摘?要：為了設(shè)計(jì)以脲醛樹(shù)脂泡沫保溫材料為保溫層的外墻外保溫系統(tǒng)，首先對(duì)各部件材料進(jìn)行材性試驗(yàn)，給出相應(yīng)的材料參數(shù);其次采用硅鈣裝飾板為外模板，設(shè)計(jì)兩種外墻外保溫系統(tǒng)方案，并應(yīng)用有限元軟件ABAQUS建模，針對(duì)兩種方案在溫度變形、失水收縮以及風(fēng)荷載下的受力性能進(jìn)行模擬分析，給出兩種方案的構(gòu)造措施;最后采用ABAQUS中的brittle cracking本構(gòu)模型模擬脲醛樹(shù)脂的本構(gòu)關(guān)系，探究保溫層因裂縫擴(kuò)展而形成熱橋的可能性。研究表明：針對(duì)哈爾濱等嚴(yán)寒地區(qū)的高層建筑，所提出的外墻外保溫系統(tǒng)方案滿(mǎn)足安全性和經(jīng)濟(jì)性要求，同時(shí)對(duì)建筑高度為30米以下的外墻外保溫系統(tǒng)，建議選用Ф24mm的圓柱形ABS塑料連接件和厚度6mm的硅鈣裝飾板，可同時(shí)保證結(jié)構(gòu)安全且不產(chǎn)生熱橋。

關(guān)鍵詞：脲醛樹(shù)脂;外墻外保溫系統(tǒng);ABAQUS模擬;裂縫模擬

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.008

中圖分類(lèi)號(hào)： TU352.59

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2018）06-0040-06

Abstract：In order to design exterior wall external insulation system as urea formaldehyde is taken as the insulating layer?some material experiments are carried out to determine the material parameters of all parts in the system.?Two schemes of exterior wall external insulation system are designed?which use calcium silicate boards as exterior formwork.?The finite element software ABAQUS is utilized to simulate two systems under temperature deformation?shrinkage of insulating layer and wind load by model building.?Constructional measures of both schemes are put forward.?Finally?urea formaldehyde foam insulation uses the brittle cracking constitutive model in ABAQUS as its constitutive relation to investigate the possibility of insulating layer forming into heat bridge because of crack propagation.?The numerical results show that the schemes of exterior wall exterior insulation system for civil high buildings in severe cold area like Harbin can meet the demand for safety and economy.?It is recommended that Ф24mm cylindrical ABS connectors and 6mm thick calcium silicate boards should be chosen in exterior wall external insulation system when the building height is below 30m.?These can meet not only the demand for safety?but also the rules of not forming heat bridge in the insulation layer.

Keywords：urea formaldehyde; exterior wall external insulation system; ABAQUS simulation; crack simulation

0?引?言

目前國(guó)內(nèi)常用聚苯板作為建筑墻體的保溫材料，但其易燃特性，給人們生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了巨大隱患[1]，因此采用不易燃燒的新型保溫材料替代聚苯板，會(huì)有很好的市場(chǎng)前景[2]。脲醛樹(shù)脂泡沫保溫材料（UFFI）是一種燃燒性能等級(jí)達(dá)B1級(jí)的有機(jī)保溫材料[3]，即使遇明火也不會(huì)燃燒或快速熔融[4]，同時(shí)它還兼具聚苯板的保溫性能和廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn)[5]，是聚苯板很好的替代產(chǎn)品。

脲醛樹(shù)脂泡沫保溫材料是由尿素和甲醛先后發(fā)生加成和縮合反應(yīng)[6-7]，再加入酸類(lèi)固化劑和發(fā)泡劑后，得到的固化產(chǎn)物。該材料在俄羅斯已廣泛應(yīng)用幾十年[8]，但在國(guó)內(nèi)還屬于新型保溫材料，僅在夾芯保溫結(jié)構(gòu)中的現(xiàn)澆墻體保溫和屋頂保溫中應(yīng)用[9]。目前還沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行過(guò)較系統(tǒng)的研究，實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題也沒(méi)有解決，而對(duì)其在建筑節(jié)能的外墻外保溫系統(tǒng)中的應(yīng)用至今無(wú)人研究。

本文提出的現(xiàn)澆脲醛樹(shù)脂外墻外保溫系統(tǒng)是采用硅鈣裝飾板為外側(cè)免拆模板，用基墻做內(nèi)側(cè)模板，通過(guò)連接件將內(nèi)外兩側(cè)模板連接成截面尺寸準(zhǔn)確的空腔構(gòu)造，在空腔內(nèi)澆筑UFFI脲醛樹(shù)脂泡沫所形成的外墻外保溫系統(tǒng)[10-11]，如圖1所示。

1?材性試驗(yàn)

該外墻外保溫系統(tǒng)中連接件材料采用ABS塑料[12]。為了對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，對(duì)系統(tǒng)采用的各類(lèi)材料進(jìn)行了必要的材性試驗(yàn)，包括密度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等試驗(yàn)。在有限元分析模型中考慮部件材料間的相互作用，引入摩擦系數(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定脲醛樹(shù)脂分別與ABS塑料、硅鈣板和混凝土之間的摩擦系數(shù)。相關(guān)試件及試驗(yàn)如圖2所示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

2?有限元分析

采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行模擬分析，該系統(tǒng)的有限元模型由4部分組成：硅鈣裝飾板、保溫層、基墻及連接件。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，對(duì)所提出的外墻外保溫系統(tǒng)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出合理的尺寸構(gòu)造方案，并探究外墻外保溫系統(tǒng)中保溫層因裂縫擴(kuò)展而形成熱橋的可能性。本研究以哈爾濱地區(qū)為例。

2.1?外墻外保溫系統(tǒng)分析

2.1.1?方案1有限元模型

選取600mm×600mm范圍內(nèi)的保溫系統(tǒng)，本方案所建立的模型中部均勻布置四個(gè)連接件，間距400mm，每個(gè)連接件距離裝飾板邊緣100mm，形狀為圓柱體。圖3為該方案有限元模型整體及局部效果圖。模型中各部件的材料及尺寸見(jiàn)表2。

2.1.2?方案2有限元模型

由于方案1裝飾板四邊是自由邊，在實(shí)際應(yīng)用中要在每塊裝飾板的四周做企口，使板與板能搭接在一起，并且需預(yù)制四個(gè)孔來(lái)固定連接件，裝飾板制作工藝較復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)了方案2。

方案2的連接件截面為十字形，建立9塊裝飾板范圍內(nèi)的有限元模型，每塊裝飾板的規(guī)格依然采用600mm×600mm，脲醛樹(shù)脂保溫層厚度100mm，圖4為該方案有限元模型效果圖。

模型中各部件均采用實(shí)體單元C3D8R，連接件與外層裝飾板、內(nèi)層基墻的接觸面采用Tie約束，而在中間保溫層與其它部件的接觸面上，法向方向建立硬接觸（Hard Contact），切向方向采用罰摩擦（Penalty）來(lái)模擬[13]。模型材料參數(shù)根據(jù)材性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行設(shè)定。

由于外墻外保溫系統(tǒng)主要承擔(dān)自重和風(fēng)荷載作用，同時(shí)考慮脲醛樹(shù)脂現(xiàn)澆后失水收縮和溫度收縮性能，因此在定義模型分析步時(shí)分為三個(gè)分析步，以分別考慮三類(lèi)荷載作用對(duì)該系統(tǒng)的影響。第一個(gè)分析步模擬模型承受重力作用。第二個(gè)分析步模擬中間保溫層失水收縮和溫度收縮作用，此分析步中通過(guò)設(shè)定脲醛樹(shù)脂的線(xiàn)膨脹系數(shù)，以及定義初始溫度和終止溫度的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)保溫層收縮變形的效果[14]。第三個(gè)分析步模擬風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，擬按照三種不同建筑高度進(jìn)行分析，即在某高層建筑的10層（30m）、20層（60m）和30層（90m）位置處，參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）中哈爾濱地區(qū)的基本風(fēng)壓，按C類(lèi)地面粗糙度，計(jì)算普通民用住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)吸和風(fēng)壓荷載標(biāo)準(zhǔn)值，先后作用在該系統(tǒng)的裝飾板上，進(jìn)行有限元模型的受力分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

2.1.3?模擬結(jié)果與分析

由于模型中各構(gòu)件的受力形式主要為拉應(yīng)力，而連接件材料（ABS塑料）和裝飾板材料（硅鈣板）都是脆性材料，因此基于第一強(qiáng)度理論，設(shè)計(jì)連接件尺寸時(shí)，其最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力應(yīng)分別小于材料的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度[15];設(shè)計(jì)裝飾板厚度時(shí)，其最大主應(yīng)力應(yīng)小于材料抗拉強(qiáng)度，同時(shí)裝飾板平面外偏離保溫層的距離需控制在規(guī)范規(guī)定的3mm范圍內(nèi)。

通過(guò)理論分析和有限元計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，連接件的受力比較復(fù)雜，除了受面內(nèi)的拉力外，還受剪力、彎矩和扭矩作用。因此，在進(jìn)行有限元計(jì)算前，通過(guò)修改inp文件可輸出連接件端部控制截面內(nèi)的力和力矩，根據(jù)材料力學(xué)原理進(jìn)行分析計(jì)算，從而得到連接件的最大拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。同時(shí)根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同的構(gòu)件尺寸條件下，結(jié)構(gòu)在風(fēng)吸作用下，四類(lèi)控制參數(shù)數(shù)值均大于風(fēng)壓作用的計(jì)算結(jié)果，因此依據(jù)風(fēng)吸作用下的四類(lèi)控制參數(shù)計(jì)算結(jié)果來(lái)設(shè)計(jì)構(gòu)件尺寸。

經(jīng)計(jì)算分析得到在風(fēng)吸作用下，方案1四類(lèi)構(gòu)件控制參數(shù)在三種建筑高度（30m、60m和90m）下的計(jì)算結(jié)果，以表4、表5為例;方案2的計(jì)算結(jié)果，以表6為例。根據(jù)材性試驗(yàn)及相關(guān)規(guī)范得到的ABS塑料和硅鈣板的4個(gè)控制指標(biāo)，如表7所示。

將四類(lèi)控制參數(shù)的計(jì)算結(jié)果與表7中材料的控制指標(biāo)進(jìn)行比較，從而提出經(jīng)濟(jì)合理并具有一定安全儲(chǔ)備的尺寸構(gòu)造方案。對(duì)方案1，當(dāng)建筑高度為30m、60m及90m以下時(shí)，建議分別采用直徑24mm、厚度6mm，直徑26mm、厚度6mm，直徑28mm、厚度8mm的連接件和裝飾板;對(duì)方案2，當(dāng)建筑高度為30m、60m及90m以下時(shí)，建議采用10mm×50mm的十字形連接件和厚度10mm的硅鈣裝飾板。

以30m以下建筑高度為例，方案1和方案2外墻外保溫系統(tǒng)平面布置如圖5、圖6所示。

2.2?保溫層裂縫擴(kuò)展分析

2.2.1?有限元模型

保溫層材料采用的脲醛樹(shù)脂是一種脆性材料，抗拉強(qiáng)度較低，易開(kāi)裂，考慮到裂縫對(duì)其保溫效果影響較大[16]，因此采用有限元軟件模擬的方法，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少保溫層材料的裂縫開(kāi)展，避免由于開(kāi)裂后形成的裂縫區(qū)域過(guò)大而產(chǎn)生熱橋。鑒于脲醛樹(shù)脂受壓為線(xiàn)彈性而受拉為脆性的特點(diǎn)，在上述方案1有限元模型的基礎(chǔ)上，選用ABAQUS中的脆性裂縫本構(gòu)模型（brittle cracking）作為脲醛樹(shù)脂材料的本構(gòu)關(guān)系[17-18]。由于該本構(gòu)模型只能在顯式分析中應(yīng)用，因此整個(gè)模型改用顯式分析Explicit進(jìn)行計(jì)算。為顯示出保溫層裂縫擴(kuò)展區(qū)域，應(yīng)用了ABAQUS中單元失效的概念，增加場(chǎng)變量STATUS的輸出[19]。要判斷材料任一點(diǎn)是否開(kāi)裂主要是根據(jù)該點(diǎn)處最大主應(yīng)力的大小[20]，通過(guò)上述有限元模型的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，風(fēng)荷載作用對(duì)于保溫層最大主應(yīng)力的影響很?。L(fēng)吸情況降低0.3%，風(fēng)壓情況提高0.2%），因此本模型中僅考慮重力和保溫層收縮變形的影響。

2.2.2?模擬結(jié)果與分析

本文只對(duì)方案1進(jìn)行分析，根據(jù)有限元模擬建筑高度30m處的計(jì)算結(jié)果可知，保溫層裂縫集中出現(xiàn)在連接件附近。裂縫開(kāi)展近似呈十字形，主要是因?yàn)檫B接件阻止保溫層的收縮變形，以致于在靠近連接件附近的材料內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到開(kāi)裂強(qiáng)度而產(chǎn)生裂縫[21]。當(dāng)分析步進(jìn)行到0.6時(shí)（相當(dāng)于收縮應(yīng)變?yōu)?.72×10-3），上層連接件附近保溫層首先出現(xiàn)細(xì)微裂縫，裂縫開(kāi)展的方向與對(duì)角連接件的連線(xiàn)近似垂直，裂縫區(qū)域的寬度為1.6mm、長(zhǎng)度為7mm。隨著保溫層繼續(xù)收縮變形，上層裂縫逐漸擴(kuò)展，同時(shí)下層連接件附近保溫層也開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，且與上層裂縫開(kāi)展方向類(lèi)似。最后，每個(gè)連接件附近均出現(xiàn)兩處裂縫，而位于上層的裂縫區(qū)域最大，寬度為5.2mm、長(zhǎng)度為45mm。其余各裂縫區(qū)域，均在寬度3.5mm、長(zhǎng)度25mm左右，上層左側(cè)連接件附近的保溫層裂縫區(qū)域如圖7所示。

裂縫區(qū)域特點(diǎn)：由于保溫層收縮變形以及連接件的位置都是中心對(duì)稱(chēng)的，所以保溫層均勻向連接件中心收縮，當(dāng)受到四角連接件的阻礙時(shí)，與對(duì)角連接件連線(xiàn)垂直方向的保溫層受拉而首先出現(xiàn)裂縫。

采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，采用STATUS命令，實(shí)現(xiàn)零應(yīng)力狀態(tài)單元的缺失，從而間接表示材料的裂縫區(qū)域，但這只是裂縫擴(kuò)展的范圍，并非是真實(shí)的裂縫。首先，模擬采用的是實(shí)體單元，而事實(shí)上裂縫可以是單元內(nèi)的任意一個(gè)面，因此模擬中當(dāng)單元應(yīng)力降為零后發(fā)生的變形就會(huì)比實(shí)際裂縫寬度要大。其次，當(dāng)材料產(chǎn)生裂縫時(shí)，裂縫周邊小范圍內(nèi)材料應(yīng)力也隨之降為零，應(yīng)用STATUS命令，則裂縫周邊零應(yīng)力單元也隨之消失，因此零應(yīng)力區(qū)域比實(shí)際裂縫寬度還要寬。基于以上兩點(diǎn)可以判斷，有限元模擬中單元缺失區(qū)域同時(shí)包含裂縫及其周邊小范圍內(nèi)零應(yīng)力狀態(tài)的區(qū)域，所以實(shí)際裂縫寬度要比模擬出的單元缺失區(qū)域?qū)挾刃『芏?。因此，可認(rèn)為沒(méi)有產(chǎn)生熱橋。但是建議適當(dāng)提高脲醛樹(shù)脂材料的抗拉強(qiáng)度和韌性，以保證裂縫寬度滿(mǎn)足要求。

3?結(jié)?論

1）對(duì)方案1，當(dāng)建筑高度為30m、60m及90m以下時(shí)，建議分別采用直徑24mm、厚度6mm，直徑26mm、厚度6mm，直徑28mm、厚度8mm的連接件和裝飾板;對(duì)方案2，當(dāng)建筑高度為30米、60米及90米以下時(shí)，建議采用10mm×50mm的十字形連接件和厚度10mm的硅鈣裝飾板。

2）保溫層裂縫集中出現(xiàn)在連接件附近，裂縫開(kāi)展呈十字形，每個(gè)連接件附近有兩處裂縫，而位于上層連接件附近的裂縫區(qū)域最大，寬度為5.2mm、長(zhǎng)度為45mm，其余各裂縫區(qū)域，均在寬度3.5mm、長(zhǎng)度25mm左右。

3）對(duì)于方案1，建筑高度30m以下時(shí)，保溫層產(chǎn)生的裂縫寬度滿(mǎn)足規(guī)范中保溫層不產(chǎn)生熱橋的規(guī)定。但仍然建議適當(dāng)提高保溫層材料脲醛樹(shù)脂泡沫的抗拉強(qiáng)度和韌性，以保證節(jié)能效果。

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（編輯：關(guān)?毅）