王封顺 王西奇 张 浩

东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318



温差对含相变材料玻璃幕墙温度和应力的影响及分析

王封顺 王西奇 张 浩

东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318

玻璃幕墙对建筑的节能有着不可代替的作用，含相变材料的玻璃幕墙对保温有良好的作用，也是发展的趋势。本文主要对含石蜡玻璃幕墙在温差作用下，利用ansys对室内室和室外温度的变化对玻璃幕墙温度及应力的影响。

ansys；温度场；应力分布

随着社会的进步，玻璃幕墙已经大面积的使用在建筑中，对建筑的使用功能和建筑的装饰功能有不可代替的功能。

但是玻璃幕墙也有着各种隐患，比如在温差作用下，玻璃幕墙两侧就会产生温度应力，温度应力的存在不仅影响玻璃的寿命和室内热量的损失(特别是冬季)，还有可能产生断裂破坏，危害着人民的生命财产安全。

本文主要研究温差对含石蜡玻璃幕墙温度和应力的影响及分析，在温差作用下，幕墙温度场的分布及应力的分布。

一、有限元分析模型的建立

(一)含石蜡玻璃幕墙四周约束的简化

目前，很多学者对玻璃幕墙进行了有限元分析研究，得到了一些规律性的结论。但大部分是基于边界固定约束或简支式约束，与设计结果相比，固定约束计算值偏大；而简支式约束由于应力得到释放，结果与计算值相比偏小。含相变材料玻璃幕墙处于刚刚起步阶段，国内外学者对含石蜡玻璃幕墙的研究甚少，为了保证其可靠性，本次模拟选择固定约束。

(二)有限元模型的建立

采用热应力耦合单元Brick 20 node 226单元模拟含石蜡玻璃幕墙在温差作用下温度分布和应力分布规律。玻璃幕墙外层尺寸为500mm×500mm×4mm，中间层石腊的厚度为9mm。材料参数：玻璃弹性模量7.2×10-5Mpa，泊松比0.2，线膨胀系数1×10-5厚度，导热系数为0.76，密度为140kg/m3，比热容为790J/(kg·℃)；石蜡的比热容为4810/3110 J/(kg·℃)，导热系数为0.2，密度为880 kg/m3。

二、温差作用下玻璃内外温度及应力分布

(一)温差作用下玻璃内外温度的分布

我国是一个能源消耗大国，合理的利用和控制能源的使用有着重大意义。玻璃幕墙建筑已成为当今潮流。如何更好的利用玻璃幕墙节约能源是我们专业的重大责任。本文主要通过玻璃幕墙内外温度差来模拟一下，玻璃幕墙表面的温度变化情况，假定室内外温度如下表1、图1所示：

表1

根据内外温差的不同，利用ansys进行模拟，得出了玻璃幕墙内外玻璃表面温度的变化范围规律，从室内外玻璃表面温度变化规律对比可以看出，当室外温度为零下30摄氏度时，内外温度相差特别大，随着室外温度逐渐升高，室内外温差逐渐变小，但是室内玻璃幕墙表面的温度的变化相对来说不是很大，这充分说明了，室内外玻璃表面温差越大，保温效果越好，大大减少了能量的损耗，节约能源。

(二)玻璃幕墙温度应力的分析

含相变材料玻璃幕墙根据上面的分析，对保温效果相对来说还是不错，但同时也要满足应力的要求，下面就利用ANSYS进行温度应力的分析，室内外的温度设定还是利用上面的数据进行模拟，模拟结果如下图2所示：

图1

图2

由图可以分析当温度是零下三十度时最大拉压应力都比较大，主要原因是内外温差过大，导致压应力和拉应力都比较大。随着室外温度逐渐升高，直到零下十度时，拉应力和压应力都有所降低。温度为三十度时，拉压应力又回升到最大，但是都不超过应力的最大值，也就是不会对玻璃产生应力破坏。

三、结论

对含相变材料玻璃幕墙在不同温差作用下玻璃内外表面温度分布规律，以及温差作用下玻璃表面应力最大值的分析，可以知道，内含相变材料玻璃幕墙内外温差较大，对保温效果比较乐观，所以对建筑节能方面比较有实际应用价值。玻璃幕墙只有在温差较大时才会对玻璃表面产生较大应力，其他温度作用下，应力分布较小，但是最大值也不超过普通玻璃的规定值。所以含相变材料不仅不会造成应力破坏，同时还会减少能量损失，节约大量能源。

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