基于ANSYS的一型剪力墙热桥的位移场和应力场研究

1 概述

在工程中，由于温度的变化，结构会产生膨胀或收缩，当结构受到约束时，就会产生温度应力。温度应力对结构的刚度、强度会产生一定的影响，甚至使结构产生裂缝，进而降低结构的使用寿命。因此，分析结构温度应力很有必要，清楚了结构温度应力场的分布规律就可以对结构采取相应的保护措施，减轻建筑结构内部应力变化，防止产生裂缝，加强建筑物的耐久性，提高建筑使用寿命。

建筑中的热桥是墙体耗能的主要部位。为降低建筑能耗，我国对建筑结构采取了节能保温措施。目前对于墙体的节能措施大致为2种：内保温和外保温。该文从力学的角度，运用有限元软件ANSYS，以一形剪力墙为研究对象，对其3种结构形式（不保温、内保温和外保温）的位移场及应力场进行分析研究。3种结构形式的结构图如图1～图3。

图1 不保温一型剪力墙热桥结构图

图2 内保温一型剪力墙热桥结构图

图3 外保温一型剪力墙热桥结构图

图中数字说明：1-外饰面砖，2-40mm聚苯板保温层，3-10mm厚空气层，4-200mm厚钢筋混凝土墙热桥，5-石灰砂浆及内饰面，6-陶粒加气混凝土砌块。

2 模拟采用的假定

（1）位移、应力在热桥和填充墙内的分布是连续的；

（2）热桥和填充墙是纯弹性体，服从虎克定律；

（3）热桥和填充墙为均匀和各向同性的，泊松比、弹性模量等常数不随坐标和方向而改变；

（4）热桥和填充墙在温度作用之前，无初始应力，模拟计算的应力仅由温度作用产生；

（5）热桥和填充墙的位移和变形对物体尺寸变化影响甚微，忽略不计；

（6）在温度作用下，仅考虑沿一型剪力墙热桥墙体厚度的方向位移和应变。

3 模拟采用的边界条件

热桥和填充墙满足室内、室外边界处面力为零的静力边界条件和位移边界条件。

4 模拟的参数选用

所用材料（C30钢筋混凝土、陶粒加气混凝土砌块）的参数取自《建筑节能技术标准规范汇编》和《混凝土结构设计规范》GB50010-2002，见表1。

表1 热应力计算参数表

选用各种材料的材料热工参数见表2，参数取自《民用建筑热工设计规范》GB50176-93。

表2 材料热工参数表

以西安为研究对象，边界条件的室外空气计算温度取冬季室外平均温度，边界条件的室内空气计算温度取冬季采暖居住建筑的温度，参数取自《建筑节能技术标准规范汇编》，热桥内、外表面换热系数取自《民用建筑热工设计规范》GB50176-93，见表3。

表3 计算的边界条件参数

5 应力场模拟与结果分析

采用有限元软件ANSYS模拟得到3种结构形式的热桥在稳态传热下的位移场分布图及应力场分布图，并对模拟结果进行了分析。

5.1 位移场模拟结果分析

对比3种结构形式热桥发现，不保温热桥和内保温热桥的位移场的分布规律类似，沿墙体厚度方向呈现为热桥内部位移小、两侧表面位移大的现象，位移变化趋势为由热桥内部向两外表面发展。而外保温热桥的位移场与前两者截然不同，位移沿墙厚方向由室外向室内逐渐变大，位移变化趋势为由室外向室内发展。3种结构形式的最大位移均出现在热桥内表面，其中以外保温形式位移为最大，内保温位移为最小。

分析3种结构形式热桥的位移变化发现，外保温最大位移与最小位移之比接近1，位移变化平稳。而内保温和不保温结构热桥的最大位移与最小位移之比接近10000，位移变化极为剧烈。结构内部位移的剧烈变化对结构很不利，容易使结构内部产生裂缝，从而影响结构强度和刚度，进而缩短结构使用寿命。

5.2 应力场模拟结果分析

对比3种结构形式热桥发现，不保温热桥和内保温热桥的应力场的分布规律类似，沿墙体厚度方向，应力变化呈现为由室外向室内逐渐变大的趋势，最大应力值出现在墙体室内表面，最小应力出现在墙体室外表面。而外保温热桥的应力场与前两者又截然不同，应力沿墙厚方向不发生变化，应力值为一常数。

比较3种结构形式热桥的应力变化发现，外保温最小，最大应力与最小应力相同，应力在热桥内部不发生变化；内保温次之，热桥的最大应力与最小应力之比约为2.7；不保温最大，热桥的最大应力与最小应力之比大于4。由此可见，热桥经过保温后内部应力变化减小，而外保温最能有效降低结构内部应力。

5.3 热应力变化对比分析

为更具体地比较3种结构形式热桥的应力变化，对热桥室内外两侧表面的应力变化进行量化分析。由于一型剪力墙热桥为对称结构，应力分布也对称，故取一半热桥结构进行分析。以热桥的对称轴线与热桥外表面交点为坐标原点，沿热桥厚度方向建立平面直角坐标系，规定厚度沿室内方向为正，沿厚度方向分别取值并整理数据，绘制曲线图如图4所示。

图4 应力变化曲线图

由上面的曲线图不难发现，不保温热桥斜率最大，应力变化最大。内保温热桥斜率次之，应力变化较大。外保温热桥应力曲线斜率最小，为一条水平线，应力值为一常数，应力在热桥内部不发生变化。因此，对热桥采取外保温后可有效减小热桥内部的应力变化。

6 结论

通过模拟不保温、内保温、外保温3种形式的一型剪力墙热桥在稳态温度场作用下的应力场和位移场，分析对比发现，外保温结构的热桥位移变化平稳，应力不发生变化。从力学角度论证了外保温结构是一种良好的结构体系，能有效地降低热桥由于温差作用产生的温度应力，改善结构受力性能，减轻温度应力对结构产生的不利影响，因此能增强建筑物的耐久性，提高建筑使用寿命。外保温结构的热桥具有重要的经济效益和社会效益。该研究对西安地区建筑节能理论研究和技术应用也具有一定的参考意义。

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责任编辑:李 红

Research on Displacement Field and Stress Field of ANSYS-based Thermal Bridge of Shear Wall

李彦伯1，马 宁2,于晓辉3
（1中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司，陕西西安710075；2神华宁煤集团麦垛山煤矿，宁夏灵武750409；3中铁电气化铁路运营管理有限公司，北京100036）

该文运用稳态传热理论，采用有限元软件ANSYS模拟分析一型剪力墙热桥在3种结构形式(不保温、内保温及外保温)下的位移场、应力场，并量化分析对比热桥沿墙厚方向的应力变化。分析结果发现，外保温结构是一种良好的结构体系，能有效降低热桥由于温差作用产生的温度应力，改善结构受力性能，增强建筑物的耐久性，提高建筑结构使用寿命。因此具有重要的经济和社会效益。

一形剪力墙热桥；稳态传热；外保温；位移场；应力场；应力变化

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

李彦伯（1983-）,男，内蒙古人，硕士，助理工程师，主要从事建筑结构设计工作。

马宁（1978-），男，宁夏人，学士，助理工程师，主要从事建筑施工管理工作。

于晓辉（1982-），男，内蒙古人，学士，工程师，主要从事建筑施工。