严寒地区装配式钢结构框架-ALC外墙传热性能有限元分析

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外墙保温性能

是制约装配式钢结构建筑

在严寒地区推广应用的关键问题之一

中建科工北方大区张相勇博士创新工作室与哈尔滨工业大学联合立项住房和城乡建设部重点课题 《严寒地区装配式钢结构外围护系统关键技术研究》 。研发团队历时2年，已开展并完成严寒地区装配式钢结构外墙保温材料和保温体系比选、装配式ALC墙体保温性能试验和热桥测试试验、装配式ALC墙体保温性能有限元分析以及技术集成示范房的建设和长期监测等多项研究，输出科研成果论文2篇，申报国家专利2项。

 

针对严寒地区气候特点和建筑节能要求，研发团队开展了 钢结构框架-ALC外墙的传热性能有限元分析 ，揭示了钢梁、钢管混凝土柱以及梁柱节点等对墙体热工性能的影响机理并进行了保温层热阻等关键参数对墙体传热系数、热桥效应和温度分布影响的系统性参数分析。本文将分享该项研究内容及成果。

 

 有限元模型简介

研发团队选取哈尔滨作为严寒地区代表城市，基于ABAQUS软件建立钢框架-ALC外墙传热分析的有限元模型。ALC墙板采用竖直拼装，与钢框架采用内嵌式连接。ALC墙板与钢梁采用钩头螺栓法连接，钩头螺栓穿透墙体后通过等边通长角钢与钢梁相连。ALC板与钢管混凝土柱相接处仅做拼缝处理，无需设置连接件。采用外保温体系，粘贴保温板薄抹灰外墙，选用模塑聚苯板作为保温层。模型如下图所示。

 

典型的钢框架-ALC墙体外保温体系  

经有限元计算墙体传热阻和传热系数与试验结果对比，平均传热系数误差的平均值为+1.26%，传热阻误差的平均值为-0.20%，本研究建立的有限元模型，可用于模拟墙体的热工性能。

 典型算例分析

基于验证后的有限元模型，研发团队进行钢框架-ALC外墙的传热性能分析。研究结果表明：墙体温度在保温层内分布基本均匀，但钢构件尤其是钢管混凝土柱对墙体传热影响较为显著，钢构件存在明显热桥效应，该区域温度较相邻区域低，且呈明显非均匀分布，钢管混凝土柱占比越大，对墙体传热影响越明显。

 

典型算例墙体温度和热流密度分布

参数影响分析

01

保温层和ALC墙板热阻的影响

研究结果表明：随材料层热阻增大，墙体平均传热系数近似线性降低，增大保温层热阻，可有效改善墙体保温性能，而加厚ALC板的效果并不明显。

 

保温层厚度和ALC墙板厚度对墙体温度分布的影响

02

钢梁连接件类型的影响

研究结果表明：连接件处存在明显热桥效应，连接件类型对墙体温度和热流密度分布规律基本无影响，由于连接件体积较小，主要影响局部传热，对墙体整体热工性能的影响较小。

 

连接件类型对墙体热工性能影响

03

钢管混凝土柱截面形式的影响

研究结果表明：钢管混凝土截面形式对墙体温度和热流密度分布影响较小，在常用参数范围内，可忽略异形柱中间钢板对热工性能的影响，将多肢异形钢管混凝土柱简化为相同外尺寸的单腔矩形柱。偏于安全，可将矩形柱计算结果乘1.01的放大系数。

 

钢管混凝土柱截面形式对墙体热工性能影响

04

混凝土楼承板和保温形式的影响

研究结果表明：混凝土楼板对提高墙体内表面温度有利，但对墙体整体传热性能不利；内保温形式下墙体内部易冷凝结露，影响外墙正常使用和耐久性，在严寒地区，建议采用外保温形式。

 

混凝土楼承板和保温形式对墙体墙体热工性能影响

上述研究成果将为严寒地区装配式钢结构外围护体系的热工性能设计及构造措施提供参考，为装配式钢结构建筑在严寒地区推广应用奠定基础。工作室将持续更新严寒地区装配式钢结构外围护系统关键技术研究更多研究成果，敬请期待。

欢迎检索并阅读原文

     

张相勇,陈华周,高占祥,李静姝,杨冬冬,杨华. 严寒地区装配式钢结构框架-ALC外墙传热性能有限元分析[J]. 建筑钢结构进展:1-13.  

    

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