兼顾热工性能的混凝土自保温空心砌块力学性能优化分析研究.pdf

全国中文核心期刊 钎 建巍 兼顾热工性能的混凝士宜保温空心砌块 力学性能优化分析研究 张锋， 田安国， 张振东 ( 淮海工学院 士木工程学院， 江苏 连云港2 2 2 0 0 5 ) 摘要 ： 依据试验数据， 利用数值分析工具， 对混凝二 f 自保温空心砌块进行二次力学性能和热工性能优化。通过调整砌块各肋的 刚度， 使 自保温砌块受力趋于合理， 同时使热 阻值得 以提 高。 关键词： 混凝土空心自 保温砌块； 孔型优化； 热工性能； 力学性能 中图分类号： T U 5 2 2 3 + 4 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 O ) 0 3 0 0 3 0 0 4 M e c ha ni c al pr o per t i e s opt i mi z at i o n a na l y s i s o f s e l f he a t -i n s u l at i o n c onc r e t e h ol l o w b l o c k c at e r i ng t o t he r m a l pe r f o r ma nc e Z HANG F e ng， T 1 AN An g u o， Z HANG Zh e nd o n g ( De p a r t me n t o f Ci v i l En g i n e e r i n g ， Hu a i h a i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y， L i a n y u n g a n g 2 2 2 0 0 5， J i a n g s u， Ch i n a ) 自 保温空心砌块避免了 传统黏土砖的缺点， 具有保温、 节 能、 节省材料等特点 1 】 。本文以混凝土自保温空心砌块为研究 对象， 运用有限元分析与试验相结合的方法， 对其热阻值和应 力分布情况进行对比 研究，得到最佳热工性能和力学性能的 空心砌块孔洞布置形式。 1 材料性能及研究目的和方法 本文采用连云港某建材公司生产的混凝土自 保温空心砌 块， 该砌块是一种新型非烧结多排孔混凝土空心砌块， 主要采 ( a ) 原 自保温砌块 用硅酸盐水泥、 炉底渣、 粉煤灰、 碎石、 磷尾矿等地方材料， 在 砌块内设置了5 9 排矩形孔， 并将有机或无机密闭多孔材料 充填于部分孔道中， 制成了自 保温空心砌块。 作为一种新型墙 材，其孔型和几何尺寸是依据经验而来，有必要对其进行优 化， 以改善其热工性能和力学性i l I l 。 I 1 自保温砌块的基本参数 采用承重型M U I O 型混凝土自保温空心砌块，规格尺寸 为2 4 0 m m x 2 4 0 m m 1 1 5 m m( 见图 1 ) ， 净面积： 3 1 0 1 0 5 l a i n 2 ， 密度为2 3 O 0 k 咖 ， 孔洞率为4 6 1 。 ( b ) 初次优化后自保温砌块 ( c ) 一次优化后自保温砌块 图 1 混凝土 自保温空心砌块的平面几何尺寸 基金项 目： 江苏省经贸委墙体材料革新项 目 江苏建筑业科研项 目( J G j H2 0 0 8 1 9 ) 收稿 日期： 2 0 0 9 1 1 - 2 0 作者简介： 张锋 ， 男， 1 9 7 6年 生， 江苏泰兴人， 讲师 ， 国家一级注册结构工程师。电话： 1 3 5 0 5 1 3 2 6 3 3 ， E - ma il ： z h f y d 1 1 6 3 c o rn。 3 O 新型建筑材料 2 0 1 0 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张锋， 等： 兼顾热工性能的混凝土 自保温空心砌块力学性能优化分析研 究 1 2 抗压强度试验 抗压试验的加载装置为2 0 0 0 k N短柱压力试验机。试件 数量3 件， 试验前采用细砂找平； 试验过程中， 观察裂缝发展 情况， 其破坏特征基本是中间横肋被压破坏， 导致沿高度方向 产生竖向裂缝。试验极限破坏荷载平均值为2 5 0 k N ， 抗压强 度为8 M P a 。 2 有限元模型的确定 用 A N S Y S 建立空心砌块的三维模型13 1 ( 见图2 ) 。为了使 理论计算结果与试验数据具有可比性，模型边界条件与试验 条件相一致， 存砌块顶面和底面模拟钢垫板， 利用压力机垫板 与砌块接触面的摩擦阻力， 限制砌块的横向膨胀。 保温砌块分 析时按 C 1 5 混凝土考虑， 弹性模量为2 2 0 x 1 0 M P a ， 泊松比为 0 -2 ，f ,k = 1 0 0 M P a ， = 1 2 7 M P a 。 垫板采用Q 2 3 5 钢板， 弹性模量 为 2 0 6 x 1 0 M P a ， 泊松比为 0 2 5 。 白 保温砌块采用 S O L I D 6 5 单 元， 垫板采用S O L I D 4 5 单元， 变形约束为底部固端约束， 载荷 为在上端面加均布荷载8 M P a 。 图 2有限兀模 型 3 强度理论与热阻值计算方法 3 1 强度理论 保温砌块为脆性材料，通常认为当构件承受的载荷达到 一 定大小时，其材料就会在应力状态最危险的一点处首先发 生破坏。 故为了保证构件能正常工作， 必须找出材料进入危险 状态的原因，并根据一定的强度条件设计或校核构件的截面 尺寸。 经过分析和归纳发现， 尽管材料失效现象比较复杂， 但强 度小足引起的失效其主要形式有屈服和断裂2 种。 相应地， 强 度理论也分成2 类， 一类是解释断裂失效的， 其中有最大拉应 力理论和最大伸长线应变理论； 另一类是解释屈服失效的， 其 中有最大切应力理论和形状改变比能理论4 1 。 按最大拉应力理论( 第 强度理论) ， 最大拉应力是使材 料发生断裂破坏的主要因素， 即认为不论是什么应力状态， 只 要最大拉应力达到与材料性质有关的某一极限值，材料就发 生断裂。 特别适用于拉伸型应力状态( 如O j 盯 仃 = 0 ) ， 混合 型应力状态中拉应力占 优者( 盯 0 ， r 3 I ) 。但是这 一 理论没有考虑其它2 个主应力的影响，且对没有拉应力的 状态( 如单向压缩、 三向压缩等) 也无法应用。 形状改变比能理论( 第四强度理论) 基本观点： 材料中形 状改变比能到达该材料的临界值( f ) 时， 即产生塑性屈服。 表达式： t t f- ( H f) ( 1 ) 复杂应力状态( 盯 l 叮 2 盯 3 ) ： M F 【 ( 盯 2 ) 2 ) ) 2 】 ( 2 ) 形状改变比能准则： 【 ( o - l 一 盯 2 ) + ( 盯 2 一 =I) + ( o - 3 一 盯 1 ) 2 2= 盯 3 ( 3 ) 相应的强度条件： 、 ： 2 + ( (r 2 ( 膪眭 ) ( 4 ) 它既突出了最大主剪应力对塑性屈服的作用，又适当考 虑了其它两个主剪应力的影响。此准则也称为V o n M i s e s ( 范 米塞斯) 屈服准则， 当材料的载荷往往较为稳定， 应较多 地采用第四强度理论。 综上， 该自 保温砌块应力分析应采用第四强度理论。 3 2 热阻值理论计算 3 2 1 空心砌块平均热阻的计算方法 空心砌块由于其属于由2 种以上材料组成的、两向非均 质材料， 因此其热工性能的计算比较复杂。 现在一般按照G B 5 O 1 7 6 9 3 民用建筑热工设计规范 附录二规定的方法计算 其平均热阻J R。 k- = l百 1 P 0 j： R l (5 ) l 且+ 旦 + 旦 一 一 l (5 ) 【尺0 】。 尺0 2 。 尺0 n J 3 2 2 考虑对流 与辐射换热条件下空气间层热阻的 计算方法 定形空气问层在稳定条件下， 封闭空气间层热阻R的计 算圈 见式( 6 ) 。 肚 式中： 卜空气间层厚度， n l ； A 间层空气导热系数， W ( m K ) ； A 一间层空气对流当量导热系数， W ( m K ) ； A 间层辐射当 量导热系数， W ( m K ) 。 N E W BUI L DI NG MAT E RI AL S 3l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张锋， 等： 兼顾热工性能的混凝土自 保温空心砌块力学性能优化分析研究 4 空 心 砌 块 力 学 陛 能 优 化 蓦 4 1 初步优化砌块有限元分析结果 自 保温砌块的整体V o n M i s e s 应力图。表 1 给出Tggn- 对竖肋4 厚度进行加强外， 其它竖肋均减小了厚度， 同时 自 保温砌块各部分最大应力。 7 6 27 7 7 51 7 87 6 8 00 0 81 2 5 7 6 89 7 8 13 7 93 8 8 063 ( a ) 厚 自保温砌块 7 4 9 0 7 6 2 2 7 7 5 4 7 8 8 5 8 O l 7 7 5 5 6 7 6 8 8 7 8 l 9 7 9 5 l ( b ) 初 次优化后 自保温砌块 图 3 砌块整体 V o n M i s e s 应力图 表 1 自保温砌块优化前后各部分最大应力 由图3 、 表1 可知， 横肋的应力明显比竖肋应力大， 有必要 予以加强。结合保温效果， 建议减小竖肋厚度， 增大横肋厚度， 以减小空气问层厚度， 增大空气层长度， 这对提高砌块的保温 效果有利 从原自 保温砌块V o n M i s e s 应力分布情况来看， 在 竖肋4 处( 砌块端部) 应力集中明显， 其孔型有待优化。 由图3 、 表 1 还可知， 经过初次优化之后， 横肋的应力与 竖肋应力接近， 砌块受力更合理， 但竖肋4 处应力依然明显集 中， 有必要对其孔型进行优化。 4 2 二次优化砌块有限元分析结果 二次优化是在初步优化的基础上对竖肋4 处孔型作了调 整， 由原来的 I ， 4 圆弧调整为半圆弧， 同时使得竖肋4 厚度增 大。 平面几何尺寸如图l 所示， 其它边界条件和载荷条件同原 砌块。 对比初次优化分析结果( 见图3 、 表 1 ) ， 经二次优化后， 由 于平面面积增大， 各肋的应力均降低， 同时通过调整各肋厚度 导致各肋刚度重新分布使得横肋的应力与竖肋应力相近， 以 及最大应力有所降低， 同时竖肋4 处应力集中趋缓， 砌块受力 更加合理。 3 2 新型建筑材料 2 0 1 0 3 7 3 7 0 7 5 0 5 7 6 3 9 7 7 7 3 7 9 0 8 7 4 3 7 7 5 7 2 7 7 0 6 7 8 4 l ( c ) 二 次优化后 自保温砌块 5 空心砌块热工性能优化 5 1 空气问层厚度变化 通常情况下，空气问层的热阻随着空气间层厚度的增加 而增大， 从而显著影响整个空心砌块的保温性能婀 。因此， 实 际工程应用中， 在满足承载力要求的条件下， 增大空气问层的 厚度成为一种提高空心砌块保温性能的有效方法而被普遍采 用。然而， 实际上， 虽然增大空气间层的厚度在一定程度上能 够提高空心砌块的保温性能。 但是， 随着空气间层厚度的不断 增加， 其对空气砌块热工性能的提高效果也越来越小。 甚至当 厚度增加到一定程度后， 由于对流换热的显著增加， 空气间层 的热阻将趋于稳定不变的状态。 对比原自 保温砌块与初次优化后自保温砌块厚度方向调 整后的尺寸( 见图1 ) ， 两者主要区别在于原始尺寸其第2 排 与第4 排孔洞厚度均为4 5 m m ， 而调整后尺寸均为3 5 m i ll ， 相 应的孔洞两边的壁厚同时增加了5 m m 。 采用空心砌块平均热 阻的计算方法进行计算得到原始尺寸条件下空心砌块的热阻 值为0 5 4 4 m z K W，而尺寸调整后空心砌块的热阻值为 0 5 4 3 m 2 K W。根据针对空心砌块力学性能的有限元分析可 知， 在第2 排和第4 排孔洞两边的横肋处应力分布较为集中。 因此， 砌块孔洞尺寸调整后， 其横肋的壁厚增大， 力学性能得 到加强。 然而其热阻值则由0 5 4 4 m 2 K W降低到0 5 4 3 m 2 K w， 但降低幅度仅为0 2 。由此可知， 通过调整第2 排与第4 排孔洞厚度， 空心砌块的力学性能得到了一定程度的提高， 而 其对热工性能影响较小。 5 2 空气问层长度的影响 空气间层长度的变化决定着空心砌块孔洞率的大小， 从 而显著地影响着砌块热阻值的变化。 空气间层的长度越大， 砌 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张锋 ， 等： 兼顾热工性能的混凝土 自保温空心砌块力学性能优化分析研究 块的热阻值越高。 对比原自 保温砌块与初次优化后自保温砌块长度方向调 整后的尺寸( 见图 1 ) ， 两者主要区别在于调整后的第2 排到 第4 排孔洞长度比原始尺寸分别增加了2 0 、 l 0 和2 0 m m 。采 用空心砌块平均热阻的计算方法进行计算得到原始尺寸条件 下空心砌块的热阻为0 5 4 4 m L K W， 而尺寸调整后空心砌块 的热阻为0 5 8 9 m K W。根据针对空心砌块力学性能的有限 元分析可知，在第2 排到第4 排孔洞两边的纵肋处应力分布 较小， 因此， 适当减小纵肋壁厚并不影响整个空心砌块的力学 性能。然而其热阻值却由0 5 4 4 m K W提高到0 5 8 9 m 2 , K w， 提高幅度达到8 2 ， 效果十分明显。由此可知， 通过调整 第2 排到第4 排孔洞的长度， 空 15 砌块的力学性能并未降低， 而砌块的热工性能却有较明显的提高。 5 - 3 结 果分 析 通过对空心砌块的肋壁厚度以及相关位置进行优化， 不 但提高了砌块的力学性能，而且在一定程度上改善了砌块的 热工性能， 具有较为明显的效果。 采用空心砌块平均热阻的计算方法进行计算得到原始尺 寸条件下空心砌块的热阻为0 5 4 4 m K 侧 ， 而一次优化尺寸 调整后空心砌块的热阻为0 5 8 9 I ll K W， 其热阻值提高幅度 达到8 2 ， 热工性能改善十分明显。 而通过二次优化后， 空心 砌块的力学性能得到了较大的改善， 而其热阻为0 5 8 0 m 2 t K W， 与原始尺寸相比， 其热阻提高幅度为6 5 。 其力学与热工 性能优化数据如表2 所示。 表 2 自保温砌块二次优化参数对 比 根据空心砌块力学性能有限元分析结果，充分考虑应力 分布的规律， 通过调整空心砌块相关孔洞的长度与厚度， 使砌 块的力学性能与热工性能均得到明显的提高。 6 结语 ( 1 ) 经过二次优化后由于平面面积的增大， 各肋的应力均 降低，同时通过调整各肋厚度使得横肋的应力与竖肋应力相 近， 砌块受力更加合理。 ( 2 ) 兼顾到保温效果， 减少竖肋 1 3 的厚度， 一方面使得 空气问层长度增大， 使得砌块的热工性能得到明显提高， 另一 方面使得砌块的冷桥效应降低， 也能改善砌块的热工性能。 ( 3 ) 通过增大竖肋4的厚度， 能明显改善该处应力集中的 不利分布， 从而能提高砌块的整体承载力。 ( 4 ) 拓扑优化是近年来结构优化研究领域中的前沿课题 和热点问题， 该砌块可以依据拓扑理论和数值分析工具， 进行 拓扑优化分析， 以得到更合理的孔型和几何尺寸。 参考文献 ： 1 李 利群 ， 王杏林 ， 刘伟庆 新型混凝 土小型 空心砌块 砌体 的力学 性能研究l J 1 新型建筑材料 ， 2 0 0 3 ( 2 ) ： 3 6 3 8 f 2 】 郭樟根 ， 孙 伟民， 叶燕华 ， 等 混凝 土小型空心砌块孔 型优化 设计 J 1 新型建筑材料 ， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 2 4 2 6 【 3 】 徐铨彪 ， 金伟 良， 余祖 国， 等 混凝 土小型空心砌块墙体非线 性有 限元分析 J I 浙江大学学报 ( 3 2 学版) ， 2 0 0 5 ， 3 9 ( 6 ) ： 8 6 3 8 6 8 【 4 何春林 ， 龚成 中 混凝土小型空心砌块 的非线性力学性能【 J J 建筑 材料学报， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 1 5 7 1 6 1 5 章熙 民， 任泽霈 ， 梅 飞呜 传热学 M 北京： 中国建筑工业 出版社， 2 o o 3 6 1 陈丽萍 ， 魏玲 ， 程建杰 应 用二维热 阻 图研 究空心节 能墙体砌 块 传热特性【 J 1 南京工业大 学学报 ， 2 0 0 4 ， 2 6 ( 6 ) ： 9 0 9 3 A ( 上授 第 1 0贞 ) 显下降， E P S 混凝土5 0 次冻融循环后的质量损失率随着粉煤 灰掺量的增加而明显增加。 ( 3 ) 掺加0 5 聚丙烯纤维对E P S 混凝土的抗压强度没有 明显的影响， 但能够明显降低干燥收缩值、 冻融循环后的质量 损失率和干湿循环变形值。 ( 4 ) E P S 混凝土为非燃烧体， 耐火时问大于2 h 。 参考文献 ： 1 王武祥 E P S颗粒一粉煤 灰复合保 温材料 的研究 与应用 J 1 新 型 建筑材料 ， 2 0 0 5 ( 1 1 ) ： 5 6 5 8 2 1 曾珍， 张雄 泡沫一 聚苯 乙烯保温砂浆工 艺及性能研究 J 】 粉 煤灰 综合 利用 ， 2 0 0 6( 1 ) ： 5 0 5 3 f 3 潘武略 ， 邓 德华 ， 原通鹏 ， 等 E P S轻混凝 士配合 比对其流 动性与 力学性能的影 IN J 混凝土， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 6 3 6 6 4 陈兵 ， 陈龙珠 E P S轻质混凝土 力学性能研究I J J _混 凝土与水泥制 品 ， 2 0 0 4( 3 ) ： 4 1 4 4 5 C a n e s h B a b u K， S a r a d h i DB e h a v i o u r o f l i g h t w e i g h t e x p a n d e d p o l y s t y r e n e e o n e r e t e c o n t a i n i n g s i l i c a f u me J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 3 ， 3 3 ： 1 1 1 0 1 1 1 6 A NE W BUI L DI NG M ATE R I AI S 33 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m