保溫外墻體的溫度場理論研究

2保溫外墻體的溫度場及溫度應力數值模擬理論研究保溫外墻體屬于復合墻體，包括結構層和保溫層，結構層就是建筑物中承重受力的外墻體，稱為基層或基層墻體，目前最常用的是混凝土或砌體材料；保溫層是用保溫隔熱材料做成的非承重構造層，比較常見的有聚苯乙烯泡沫塑料板、保溫砂漿等。復合墻體中的基層與保溫層要通過一定的技術手段粘結在一起，外表面還要進行保護和裝飾，因此，在基層與保溫層之間和保溫層的外表面，還有粘結層、保護層及飾面層等附加層。按照保溫層與基層在復合墻體中的相對位置劃分，建筑外墻保溫的具體形式有四種：保溫層在基層室內一側的外墻內保溫；保溫層在基層室外空氣一側的外墻外保溫；保溫層處于兩層基層之間的夾芯保溫；不做保溫層，基層自身具有保溫隔熱效果的自保溫。外墻內保溫由于保溫層在墻體結構層之內，墻體結構層溫度變化較大，墻體結構層相應的溫度應力變化也會較大。外墻外保溫由于保溫層在墻體結構層之外，保溫層的隔熱、隔冷作用使墻體結構層溫度相對穩(wěn)定，相應的溫度應力變化也較小，可以對墻體進行保護，有利于提高建筑壽命。工程的紅外熱像圖表明，不同保溫做法對墻體結構層內一年四季的溫度變化影響顯著，外保溫做法的墻體結構層溫度變化小，而內保溫做法、夾芯保溫做法、內外保溫結合做法和不完全外保溫做法的墻體結構層溫度變化大，進而引發(fā)較大的溫度應力,這是引起墻體結構開裂的重要因素之一。因此，保溫層的位置不僅影響保溫效果，而且會影響墻體結構層內部的溫度場。不合理的保溫層構造位置會產生有損于建筑結構的溫度應力，所以選取合理的保溫層構造位置是目前墻體保溫工程需要注意的。在建筑物的實際使用過程中，外界環(huán)境包括太陽輻射、大氣溫度等都在不斷地發(fā)生變化，因此，常用的穩(wěn)態(tài)傳熱分析方法得到的保溫墻體內部溫度場的分布結果與實際情況會存在較大差異。而隨著計算機技術的發(fā)展和數值模擬理論的進步，數值模擬越來越多地應用于實際工程的分析，研究表明：對保溫墻體的溫度場進行實時數值計算分析是可行的，也是必要的。本章前兩節(jié)討論保溫層的構造位置對建筑外墻溫度場(考慮成一維傳熱)及溫度應力的影響，主要探討了不同季節(jié)、方位（東西南北）的建筑外墻，采用典型外保溫、內保溫、夾芯保溫、自保溫等保溫技術時墻體內溫度場和溫度應力隨時間、位置的變化規(guī)律。通過理論計算，得到了不同保溫層構造位置的建筑外墻溫度場和溫度應力的分布規(guī)律，通過對比基層的溫度場和溫度應力，得出了對建筑結構壽命最有利的外墻保溫是外墻外保溫。本章第三節(jié)用ANSYS軟件計算外保溫外墻的某些出挑部位（熱橋）的二維溫度場和溫度應力，得出外保溫外墻出挑部位必須做外保溫，否則墻體可能會出現空鼓、開裂和脫落等質量問題。2.1保溫外墻體的溫度場數值模擬2.1.1保溫外墻體溫度場計算模型熱傳導方程計算在大氣溫度變化及太陽輻射、空氣對流等復雜邊界條件下保溫墻體內部溫度場是對保溫墻體進行應力及耐久性分析的基礎。本章建立典型保溫墻體在外界大氣溫度變化等條件下溫度場的計算模型，包括外墻內保溫、外墻外保溫、夾芯保溫、自保溫，選取了各個季節(jié)典型天氣條件下四個朝向墻體結構作為研究對象，同時為便于比較，對沒有施加保溫的普通墻體也建立了計算模型。模型中假設墻體為均勻連續(xù)、多層復合結構；層間緊密，并忽略層間熱阻。墻體中任何時刻，任意位置（x，y，z）處的溫度滿足：(2-1-1)式中：——導熱系數，單位為kJ/(m·h·℃)；——材料的比熱，單位kJ/(kg·℃)；——時間，單位h；——材料的密度，單位kg/m3。對于建筑外墻（忽略門窗、出挑構造等部位的影響，針對門窗、出挑構造等熱橋部分的傳熱過程將在本章的第2.3節(jié)用ANSYS軟件進行數值模擬），其內部溫度在長度（y）和寬度（z）兩個方向的溫度變化很小，即，僅在其厚度方向溫度變化劇烈，所以通常條件下建筑外墻的熱傳導方程可簡化為沿墻厚方向的一維的熱傳導方程，即(2-1-2)墻體內部沿厚度方向溫度場的求解就是在給定邊界條件和時間下對偏微分方程（2-1-2）的求解問題。初始條件和邊界條件熱傳導方程建立了物體內部溫度與時間、空間的關系。但滿足熱傳導方程的解有無限多，為了確定需要的溫度場，還必須知道初始、邊界條件。初始條件為在初始瞬時物體內部的溫度分布，邊界條件為外墻體表面與周圍介質(如空氣或水)之間溫度相互作用的規(guī)律，初始條件和邊界條件合稱邊值條件(或定解條件)。熱傳導問題的邊界條件通常有四類，本章中只有以下兩類：1．第一類邊界條件經過物體表面的熱流量與物體表面溫度和空氣溫度之差成正比，即：(2-1-3)其中，為表面換熱系數（單位面積物體單位時間內溫度變化1℃時放出或吸收的熱量），單位kJ/(m2·h·℃)。2．第二類邊界條件當兩種性質不同的固體相互接觸時，如果接觸良好，則在接觸面上溫度和熱流量都是連續(xù)的，邊界條件如下：(2-1-4)2.1.2有限差分法求解保溫外墻體的一維熱傳導方程采用有限差分方法，對外墻保溫系統溫度場進行求解。有限差分法是求解微分方程的基本數值方法，其思想是把連續(xù)的定解區(qū)域用有限個離散點構成的網格來代替，這些離散點稱作網格的節(jié)點；把連續(xù)定解區(qū)域上的連續(xù)變量的函數用在網格上定義的離散變量函數來近似；把原方程和定解條件中的微商用差商來近似，于是原微分方程和定解條件就近似地代之以代數方程組，即有限差分方程組，解此方程組就可以得到原問題在離散點上的近似解。保溫墻體結構按照其構成分成若干層面，對應各層面輸入幾何尺寸、材料性質等，為了對比內保溫、外保溫兩種常見的保溫模式的保溫性能，在建立模型的過程中，將內保溫和外保溫的相對應各層的材料屬性取相同的數值。圖2-1-1為典型膠粉聚苯顆粒外墻外保溫墻體個功能層結構圖，以此為例，建立溫度場求解的有限差分方程。內裝飾面內裝飾面圖2-1-1典型外保溫墻體結構模型保溫墻體沿厚度方向的節(jié)點可分為內部節(jié)點（同一材料內部）、內表面節(jié)點、外表面節(jié)點和兩種不同性質的材料的交匯點。內表面邊界條件主要包括室內空氣對流換熱，外表面的邊界條件包括太陽輻射、外表面輻射和室外空氣對流等。外墻體內表面的對流換熱邊界條件對流是指流體內部各部分發(fā)生相對位移，依靠冷熱流體互相混雜和移動引起的熱量傳遞方式。墻體表面和流體之間在對流和導熱同時作用下進行的能量傳遞稱為對流換熱。對流換熱熱流密度與壁面（墻體表面）和主流區(qū)（大氣）溫度之差成正比。對墻體內表面，設室內空氣溫度為，室內空氣與墻體內表面對流換熱系數為，墻體內表面溫度為（第一個節(jié)點），忽略室內和墻體內表面之間以及各層墻體材料的相互熱輻射。此時，墻體內表面與室內空氣的對流熱交換量可表達為：(2-1-5)在我國《民用建筑熱工設計規(guī)范》（GB50176-93）中，詳細規(guī)定了換熱系數的取值，在后續(xù)計算中，取W/(m2·℃)（見表2-1-1）。外墻體外表面的對流換熱邊界條件與墻體內表面類似，對墻體外表面，設室外空氣溫度為，室外空氣與墻體外表面對流換熱系數為，墻體外表面溫度為（第n個節(jié)點），忽略室內和墻體內表面之間以及各層墻體材料的相互熱輻射。此時，墻體外表面與室外空氣的對流熱交換量可表達為：(2-1-6)同樣，我國《民用建筑熱工設計規(guī)范》（GB50176-93）中，詳細規(guī)定了室換熱系數的詳細取值問題。與室外建筑物表面風速有關，在后續(xù)計算中，的取值見表2-1-1。太陽輻射熱環(huán)境的數值模擬對于建筑物的熱環(huán)境來說，太陽輻射是一項非常重要的外部影響因素。在寒冷季節(jié)，太陽輻射為人們提供免費的熱源，而在氣溫較高的季節(jié)，人們又不得不花費一定的代價，以抵消其對房間溫度的干擾。到達地面的太陽輻射由兩部分組成，一部分是方向未經過改變的，叫做直射輻射；另外一部分是由于大氣中氣體分子、液體或固體顆粒反射，達到地面時沒有特定的方向，這部分叫散射輻射。直射輻射和散射輻射之和就是達到地面的太陽總輻射，簡稱太陽輻射。太陽輻射強度大小用單位面積、單位時間內接收的太陽輻射的能量來表示，分別叫做太陽直射輻射照度、太陽散射輻射照度和太陽總輻射照度，后者也簡稱作太陽輻射照度。太陽輻射的問題實際上比較復雜，影響太陽輻射的因素很多。由于地球自轉形成晝夜，地球公轉形成四季，不同時間、不同季節(jié)的太陽入射角度、地球與太陽的距離等都有變化，直接影響太陽輻射強度；天氣陰晴雨雪，大氣透明度，地面情況，建筑物表面材料特性等對太陽輻射的影響也都比較大。本章的出發(fā)點是對典型條件下的保溫墻體結構內部的溫度場與應力場進行研究，因此在考慮各種因素時盡可能地避免特殊情況，對一些次要影響因素等做以合理的簡化和處理，避免研究過程復雜化，并保證最終的結果具有普遍性。下面描述太陽輻射強度的具體計算方法。1．直射輻射照度直射輻射照度與大氣透明度等因素有關，地球上某一垂直于太陽光線表面上的直射輻射照度可表達為：(2-1-7)其中，為太陽直射輻射照度，為太陽常數，為大氣光學質量，，為太陽高度角，為大氣透明度。水平面上和垂直面上的太陽直射照度的可分別表達為：(2-1-8)(2-1-9)其中，為墻面法線在水平面上的投影與太陽光線在水平面投影之間的夾角，，與分別為壁面太陽方位角（太陽光線在水平面投影與南向的夾角）和墻面方位角（壁面法線在水平面上的投影與正南向的交角）。太陽高度角（地球表面上某點和太陽的連線與地平面之間的夾角）可由下式計算：(2-1-10)其中為地理緯度（某點與地球中心連線與地球赤道平面的夾角），為太陽赤緯角（地球中心與太陽中心連線與地球赤道平面的夾角）。為時角，由下式計算：(2-1-11)為地方太陽時。太陽方位角由下式計算：(2-1-12)2．散射輻射照度墻體外表面從天空中所接受的散射輻射包括了三個部分：天空散射輻射，地面反射和大氣長波輻射。1）天空散射天空散射輻射時陽光經過大氣層時，由于大氣層中薄霧、塵埃的作用，使光線向各個方向反射和折射，形成一個由整個天穹所照射的散射光。對于晴天水平地面的天空散射輻射照度，一般由貝拉格公式近似，即：(2-1-13)對于各朝向的垂直墻面上所受到的散射輻射照度為：(2-1-14)2）地面反射太陽光線輻射到達地面之后，其中的一部分被地面反射。垂直墻面受到的地面反射輻射為：(2-1-15)其中為地面對太陽輻射的反射率，一般城市地面反射率可近似取0.2，有雪條件下取0.7。3）長波輻射大氣吸收太陽直射輻射的同時，還吸收地面和墻面的反射輻射，具有一定的溫度?？紤]大氣和地面、墻面之間進行輻射換熱，這部分輻射稱為長波輻射。其計算依照下式：(2-1-16)式中為地面或墻面與大氣之間輻射換熱的輻射熱流；為當量輻射系數，、分別為墻面絕對溫度和大氣層的長波輻射溫度。3．太陽總輻射照度計算垂直墻面的輻射照度時，要考慮地面對墻面的輻射，所以垂直墻面的太陽輻射照度為：(2-1-17)式中的、、分別為垂直墻面上的太陽直射輻射照度、天空散射輻射照度和地面反射輻射照度。按上述計算過程，即可得到不同地區(qū)、不同方向上太陽輻射照度。同時，不同的表面材料對太陽輻射的吸收能力，即吸收率也各不相同。所以垂直墻面外表面的熱流邊界條件即太陽輻射邊界條件為：(2-1-18)其中為墻體外表面太陽輻射吸收率。圖2-1-2為按上述模型計算獲得的北京地區(qū)一年四季東西南北垂直墻面上的太陽輻射強度與時間關系圖，太陽輻射常數及緯度取值見表2-1-1。可見，墻面接收的太陽輻射強度受季節(jié)、朝向、時間影響異常顯著，冬、春、秋季節(jié)南墻輻射強度最大，而夏季東西墻輻射強度較南墻大，四季中，北墻輻射強度最低。各墻面太陽輻射的時間在各季節(jié)也不相同。表2-1-1對流及輻射參數季節(jié)對流換熱系數[W/(m2·K)]赤緯角太陽常數(W/m2)內表面外表面春季（3月）8.721.00o1365夏季（6月）8.719.0+23.45o1316秋季（9月）8.721.00o1340冬季（12月）8.723.0-23.45o1392圖2-1-2不同朝向、不同季節(jié)太陽輻射強度保溫外墻體溫度場計算的有限差分方程根據保溫墻體的結構，可將有限差分計算節(jié)點分成四類，即內部節(jié)點（同一材料內部）、內表面節(jié)點（墻體內表面）、外部節(jié)點（墻體外表面）和兩種性質相異的材料的結合點。節(jié)點圖2-1-3為外墻板外墻體一維溫度場求解中典型四類節(jié)點示意圖，下面分別導出每類節(jié)點的差分方程。圖2-1-3墻體中典型節(jié)點示意圖1．墻體內部節(jié)點對內部節(jié)點m（圖2-1-3a所示），依據有限差分原理，時刻溫度對位的二階微分可近似表達為：(2-1-19)節(jié)點m處溫度對時間的變化率可近似為：(2-1-20)將（2-1-19），（2-1-20）式代入到一維熱傳導方程（2-1-2）中，得到節(jié)點m經過時間間隔（）后溫度計算表達式為：（2-1-21）式中，。利用式（2-1-21），根據時刻相鄰三個節(jié)點的溫度，就可以直接求出時刻m點的溫度，而不必求解方程組，故被稱為顯式差分法。由式（2-1-21）獲得穩(wěn)定解的條件為≥0，即。2．墻體內表面節(jié)點對與空氣接觸的墻體內表面節(jié)點（圖2-1-3b所示），設混凝土表面對流換熱系數為[kJ/(m2·℃)]，由能量平衡原理有：(2-1-22)式中，，，獲得穩(wěn)定解須滿足。3．墻體外表面節(jié)點對與空氣接觸的墻體外表面節(jié)點（圖2-1-3c所示），墻體表面換熱需增加太陽輻射部分。設墻體外表面對流換熱系數為[kJ/(m2·℃)]，太陽總輻射量為（單位面積、單位時間內接收的太陽輻射能，kJ/(m2·h)），墻體表面對太陽輻射的吸收系數為，同樣由能量平衡有：（2-1-23）式中，，，獲得穩(wěn)定解須滿足。4．墻體內不同性能材料之間的連接點設第n個節(jié)點左側材料導熱系數為，節(jié)點間距為，右側材料導熱系數為，節(jié)點間距為（與圖2-1-3a所示類似），由前面所述的第二類邊界條件，有：(2-1-24)由式(2-1-24)即可由非界面節(jié)點（）時刻的溫度求出界面節(jié)點（）時刻的溫度。2.1.3溫度場計算結果及分析計算的墻體保溫形式類型應用以上計算模型，對北京地區(qū)采用膠粉聚苯顆粒保溫漿料涂料飾面的外墻外保溫做法（圖2-1-4所示），及相對應的外墻內保溫做法（調整各功能層位置使保溫層位于墻體基層內側）、以及加氣混凝土自保溫墻體（以20mm水泥砂漿+200mm加氣混凝土+20mm水泥砂漿復合墻體為例）、夾芯保溫墻體（以50mm混凝土板+50mm巖棉板+50mm混凝土板復合保溫墻板墻體為例）的一年四季、東西南北四面墻體在室外太陽輻射及氣溫變化下的實時溫度場進行了全面計算。圖2-1-4膠粉聚苯顆粒涂料飾面外墻外保溫結構室內外空氣溫度為研究方便，對室內溫度根據春、夏、秋、冬季節(jié)的變化各取一個典型溫度，設定這個溫度為恒定，具體見表2-1-2。而室外溫度隨著晝夜交替不斷變化，由于天氣（陰晴雨雪、風力等）和季節(jié)的影響，這個數值并不是理想地周期性變化。為了研究方便，取各個季節(jié)典型天氣狀態(tài)的日最高（）和最低（）溫度數值（具體見表2-1-2），并利用下式模擬大氣溫度的日周期性變化：(2-1-25)其中為室外大氣溫度（時間及日最高、最低溫度的函數），為時間。表2-1-2室內、室外溫度參數季節(jié)室內氣溫（℃）室外最高溫度（℃）室外最低溫度（℃）春季（3月）23.025.34.4夏季（6月）25.039.023.0秋季（9月）23.026.59.7冬季（12月）20.01.5-11.5本研究選取北京市春夏秋冬四個季節(jié)典型日最高、最低氣溫為計算輸入參數（氣溫資料來自氣象部門，見表2-1-2），通過(2-1-25)式模擬日氣溫變化。北京市春夏秋冬四個季節(jié)典型日氣溫（24h）變化如圖2-1-5所示。圖2-1-5北京地區(qū)四季典型日氣溫變化模擬圖2-1-65周期內墻體內表面溫度變化初始條件及加載時間在對外墻體溫度場進行計算之前，需要指定時刻外墻體內部的溫度場。由于室外溫度、太陽照度等邊界條件是以24h為周期變化的，而在通過計算模型計算之前的特定時刻，外墻體內部的溫度場是無法準確獲得的。人為指定的初始條件與實際情況會存在一定的偏差，而這一偏差會影響到通過計算模型得到的結果的準確性。如果設定的計算總時間為一個周期，即24h，那么很顯然初始條件的偏差會對計算結果產生較大的影響。對此，可以通過延長計算時間的方法，加載總時間越長，初始條件的偏差對最后一個周期的計算結果的影響就越小。當然，加載總時間延長也會造成計算量增加，因此不可能無限延長下去，這就需要通過試算選擇一個比較適中的加載時間，計算量既不會太大，計算結果的偏差也在可以接受的范圍內。以北京地區(qū)某建筑夏季南墻溫度場分析為例，太陽輻射照度數據，各層材料參數，室內溫度取25℃恒定，加載時間初步設為5個周期，即120h。計算得到5個周期內的墻體溫度變化曲線如圖2-1-6所示。通過計算結果可以看出，隨著時間增長，墻體內溫度變化越來越具有規(guī)律性，第4、5個周期的溫度變化已經非常接近，說明從第4個周期開始初始條件造成的影響已經可以忽略。本后續(xù)分析中采用計算得到的第材料參數按前面所述墻體保溫的典型形式，對其溫度場進行計算，計算過程采用的相關材料熱物理參數及時內外環(huán)境溫度參數列于表2-1-3和表2-1-4中。表2-1-3材料的物理參數之一（膠粉聚苯顆粒單一保溫）結構形式材料名稱厚度（mm）密度（kg/m3）比熱（J/kgK）導熱系數（W/mK）膠粉聚苯顆粒外墻外保溫涂料飾面內飾面層2130010500.60基層墻體20023009201.74界面砂漿2150010500.76保溫漿料6025010700.06抗裂砂漿5160010500.81涂料飾面3110010500.50膠粉聚苯顆粒外墻內保溫涂料飾面內飾面層2130010500.60抗裂砂漿5160010500.81保溫漿料6025010700.06界面砂漿2150010500.76基層墻體20023009201.74涂料飾面3110010500.50表2-1-4結構形式材料名稱厚度（mm）密度（kg/m3）比熱[J/(kgK)]導熱系數[W/(mK)]加氣混凝土自保溫墻體涂料飾面內飾面層2130010500.60內抹面砂漿20180010500.93加氣混凝土20070010500.22外抹面砂漿20180010500.93涂料飾面3110010500.50混凝土巖棉夾芯保溫墻體涂料飾面內飾面層2130010500.60混凝土板5023009201.74巖棉板5015012200.045混凝土板5023009201.74涂料飾面3110010500.50計算結果與分析采用上表中所列參數為模型輸入數值，計算各類典型內保溫、外保溫、夾芯保溫、自保溫墻體的溫度場，下面詳細描述計算結果并對其進行對比分析。圖2-1-7—圖2-1-8分別為膠粉聚苯顆粒涂料飾面的內外保溫做法夏冬（春秋兩個季節(jié)墻體溫度相對較為平緩，在這里不給出結果）兩個季節(jié)的東西南北各朝向墻體的典型位置溫度隨時間變化關系圖。（a）南墻（b）北墻（c）東墻（d）西墻圖2-1-7冬季不同朝向的膠粉聚苯顆粒涂料飾面外保溫墻體不同層的溫度隨時間變化1.膠粉聚苯顆粒涂料飾面保溫墻體圖2-1-7是冬季北京地區(qū)采用膠粉聚苯顆粒涂料飾面外保溫做法的外墻體內部各層的溫度在五天內隨時間變化圖。圖中給出了墻體內各層由內到外，即墻體內表面（相當于結構層內表面）、保溫層內表面（相當于結構層外表面）、保溫層外表面、墻體外表面及外部環(huán)境溫度隨時間的發(fā)展變化曲線。從圖示結果首先可以看出，本研究所建模型成功模擬了室外環(huán)境溫度變化對墻體溫度場的影響。墻體內溫度隨室外大氣溫度的周期性變化而變化，變化幅度與墻體內位置有關。保溫材料的使用大大減小了墻體與外部環(huán)境的熱量傳遞，使室內溫度受室外變溫影響明顯減小，例如墻體內表面的溫度隨時間的變化程度最小，日變化量在3℃以內，越靠近墻體外表面，節(jié)點溫度受大氣溫度的影響程度越大。因此墻體外表面溫度變化幅度最大。且外墻體外表面溫度變化幅度高于環(huán)境溫度變化的幅度，具體差值與墻體方位有關。其次，太陽輻射強度及作用時間對墻體溫度場影響明顯，尤其是保溫層以外的部分。各方位墻體太陽輻射強度及作用時間見圖2-1-2。在冬季，各朝向墻體表面最高溫度次序為南墻（12.7℃）>西墻（7.5℃）>東墻（3.4℃）北墻（3.4℃），各朝向最低溫度與環(huán)境最低溫度基本相同（-11.4℃）。因此在冬季墻體外表面晝夜最大溫差為24℃。在夏季，各朝向墻體表面最高溫度次序為西墻（57℃）>南墻（48℃）>東墻（47（a）南墻（b）北墻（c）東墻（d）西墻圖2-1-8夏季不同朝向的膠粉聚苯顆粒涂料飾面外保溫墻體不同層的溫度隨時間變化（a）南墻（b）北墻（c）東墻（d）西墻圖2-1-9冬季不同朝向的膠粉聚苯顆粒涂料飾面內保溫墻體不同層的溫度隨時間變化（a）南墻（b）北墻（c）東墻（d）西墻圖2-1-10夏季不同朝向的膠粉聚苯顆粒涂料飾面內保溫墻體不同層的溫度隨時間變化為了研究保溫層位置對外墻保溫系統溫度場的影響，對膠粉聚苯顆粒涂料飾面內保溫墻體的溫度場進行計算。內保溫墻體結構參數見表2-1-3。計算中除了保溫層位置變化外，其它相關材料參數與外保溫均相同（見表2-1-3）。圖2-1-9～圖2-1-10為膠粉聚苯顆粒涂料飾面內保溫墻體夏冬兩個季節(jié)的東西南北各朝向墻體的典型位置溫度隨時間變化關系圖。從膠粉聚苯顆粒涂料飾面內保溫墻體不同層的溫度隨時間變化圖首先可以看出：一、由于保溫層的作用，墻體內表面溫度隨時間的變化程度仍然很小，與外保溫形式的墻體接近，也就是說，從墻體保溫效果上看，只要保溫層材料、厚度相當，內外保溫墻體的保溫效果相差很小。二、與外保溫類似，越靠近墻體外表面，墻體節(jié)點溫度受大氣溫度的影響程度越大。但是，由于采用內保溫形式，墻體結構層靠近外部，結構層內的溫度變化明顯大于外保溫墻體結構層的溫度變化。三、同樣季節(jié)，同樣朝向的墻體外表面最高溫度，內保溫較外保溫低，例如采用膠粉聚苯顆粒涂料飾面內保溫墻體外表面夏季最高溫度次序為：西墻（48℃）>南墻（42℃）>東墻（40℃）>北墻（39℃），而相應外保溫墻體外表面溫度為：西墻（57℃）>南墻（48℃）>東墻（47℃）>北墻（43℃）。其原因在于外保溫形式外墻體靠近外表面的是保溫材料，由于其熱阻較大，使得熱量從外表面向墻體內部傳遞非常緩慢，即熱量比較集中于墻體外表面。而采用內保溫形式的墻體，接近外表面材料的熱阻較小，熱量能夠比較快速地傳遞分散到墻體內部，避免了熱量集中，從而降低了墻體外表面溫度。四、采用外保溫的墻體結構層內溫度即使在冬季，在室內正常采暖條件下也能保持在水的冰點之上（16℃～墻體保溫形式（內外）對墻體溫度場的影響將更明顯地體現在給定時刻溫度沿墻體厚度方向的分布上。圖2-1-11為膠粉聚苯顆粒涂料飾面保溫墻體西墻，（a）外保溫（b）內保溫，冬季、夏季在溫度穩(wěn)定變化后墻體表面溫度最高、最低時沿墻體厚度方向的溫度分布圖，其中橫坐標零點為墻體內表面（室內）。保溫墻體在其它季節(jié)、任意時刻的溫度沿板厚墻體厚度分布都將落在圖中兩條邊界線之內。（a）外保溫（b）內保溫圖2-1-11冬季、夏季西面墻體表面溫度最高、最低時保溫墻體沿墻厚方向溫度分布從圖2-1-11所示結果，首先可以看出：一、無論內保溫形式還是外保溫形式，保溫層內溫度變化均是最劇烈的，但相對而言，外保溫保溫層溫度變化幅度更大，同樣夏季西墻，外保溫時為（26～57）℃，而內保溫時為（25～35）℃；冬季西墻，外保溫時為（-10～17）℃，而內保溫時為（-2.5～17）℃。二、基層墻體內溫度變化幅度明顯不同。采用外保溫形式，結構層（基層）溫度變化幅度很小，僅為8℃（16℃～24℃），而采用內保溫時，結構層（基層）溫度變化幅度較大，為55℃（-8℃～472．不加保溫層時墻體溫度場為比較保溫層對變溫動態(tài)條件下墻體溫度場的影響，也對不加保溫層的相應墻體溫度場進行了計算，結果列于圖2-1-12和圖2-1-13中。（a）南墻（b）北墻（c）東墻（d）西墻圖2-1-12冬季不同朝向無保溫墻體不同層溫度隨時間變化由計算結果首先可以看出：一、與有保溫層時相比，無保溫層時墻體內表溫度與室內恒定溫度之間差距變大，溫度波動變強。因此通過墻體傳遞的熱量變大，維持室內恒定溫度時需要的能量增大，能耗增加。二、墻體外表面夏季最高溫度較有保溫層時降低了近10℃。冬季墻體外表面溫度提高了近3℃（有保溫層時為-8℃圖2-1-14為無保溫墻體西墻在冬季、夏季溫度穩(wěn)定變化后墻體表面溫度最高、最低時沿墻體厚度方向的溫度分布圖，其中橫坐標零點為墻體內表面（室內）。其基層墻體內溫度分布與內保溫、外保溫明顯不同。其一為墻體內表面溫度變化范圍變大，無保溫時為（10～30）℃（室內春夏秋冬溫度取恒定值），采用內、外保溫時為（19～25）℃，因此這類墻體必然是冬季采暖能耗高，夏季制冷能耗也高。其二為無保溫時，墻體外表面夏季最高溫度降低，冬季最低溫度升高。墻體外表面裝飾層所承受的溫度變形及溫度應力會有所下降。（a）南墻（b）北墻（c）東墻（d）西墻圖2-1-13夏季不同朝向無保溫墻體不同層溫度隨時間變化0020406080100120140160180200220Location(mm)-15.0-10.0-5.00.05.010.015.020.025.030.035.040.045.050.055.060.0Temperature(C)WuBW-W夏季冬季圖2-1-14無保溫層時冬夏季西面墻體表面溫度最高、最低時墻體沿墻厚方向溫度分布3．加氣混凝土自保溫墻體溫度場為比較不同保溫結構對墻體溫度場的影響，對自保溫墻體（見表2-1-3）冬夏兩季的溫度場進行計算，結果列于圖2-1-15和圖2-1-16中。（a）南墻（b）北墻（c）東墻（d）西墻圖2-1-15冬季不同朝向的加氣混凝土涂料飾面自保溫墻體不同層溫度隨時間變化由計算結果首先可以看出：一、與施加內外保溫層的外墻相比，200mm厚加氣混凝土自保溫墻體內表溫度與室內恒定溫度之間差距大，溫度波動稍強。自保溫墻體的保溫效果取決于加氣混凝土的厚度。二、墻體外表面夏季最高溫度和冬季墻體外表面最低溫度與有保溫層的墻體相比變化不大。（a）南墻（b）北墻（c）東墻（d）西墻圖2-1-16夏季不同朝向的加氣混凝土涂料飾面自保溫墻體不同層溫度隨時間變化圖2-1-17為加氣混凝土自保溫墻體在冬季、夏季溫度穩(wěn)定變化后，西面墻體外表面溫度最高、最低時沿墻體厚度方向的溫度分布圖。自保溫墻體內側年溫差為8℃，而外側溫差可達65℃，外側年溫差是內側年溫差的8倍，內側變形應力小，而外側變形應力大，導致墻體收縮膨脹的不一致，致使產生大量的溫度應力，破壞了墻體的穩(wěn)定性。圖2-1-17為加氣混凝土自保溫墻體在冬季、夏季溫度穩(wěn)定變化后西面墻體外表面溫度最高、最低時沿墻體厚度方向的溫度分布圖，其中橫坐標零點為墻體內表面（室內）。可見，加氣混凝土層內溫度變化明顯，墻體內表面溫度變化范圍變大，200mm厚加氣混凝土墻體為（18～26）℃（室內春夏秋冬溫度取恒定值），采用內、外保溫時為（19～25）℃。另外墻體外表面冬夏季最低最高溫度差較大，墻體外表面裝飾層所承受的溫度變形及溫度應力與內外保溫墻體相比變化不大。圖2-1-17冬季、夏季西面墻體表面溫度最高、最低時保溫墻體沿墻厚方向溫度分布4．混凝土巖棉夾芯保溫墻體溫度場為比較不同保溫結構對墻體溫度場的影響，對巖棉夾芯保溫墻體（見表2-1-3）冬夏兩季的溫度場進行計算，結果列于圖2-1-18和圖2-1-19中。（a）南墻（b）北墻（c）東墻（d）西墻圖2-1-18冬季不同朝向的巖棉夾芯保溫涂料飾面墻體不同層溫度隨時間變化（a）南墻（b）北墻（c）東墻（d）西墻圖2-1-19夏季不同朝向的巖棉夾芯保溫涂料飾面墻體不同層溫度隨時間變化由上述計算結果可以看出，夾芯保溫墻體只要保溫層厚度得當，就可以達到預期的墻體保溫效果。溫度沿板厚墻體厚度方向分布規(guī)律與外保溫墻體類似。圖2-1-20為巖棉夾芯保溫西面墻體在冬季、夏季溫度穩(wěn)定后墻體外表面溫度最高、最低時沿墻體厚度方向的溫度分布。外層混凝土在冬夏兩季溫度變化達53℃圖2-1-20為巖棉夾芯保溫西面墻體在冬季、夏季溫度墻體外表面溫度最高、最低時沿墻體厚度方向的溫度分布。外層混凝土年溫差變化65℃，而內側結構墻體的溫度變化為8℃，外側結構墻體的年溫差是內側結構墻體的8倍，其溫度應力及變溫下的結構穩(wěn)定性應引起重視。圖2-1-20冬季、夏季西面墻體表面溫度最高、最低時保溫墻體沿墻厚方向溫度分布5．四種保溫形式墻體關鍵構造位置隨不同時間的溫差分析圖2-1-21不同保溫形式各墻體關鍵位置年溫差將圖2-1-11至圖2-1-20中各保溫形式墻體關鍵位置溫度隨時間變化的溫度變化進行整理，對比結果如圖2-1-21至圖2-1-24所示（其中夾芯保溫做法的結構墻體外表面為外側結構的外表面，結構墻體內表面為內側結構的內表面）。各保溫形式墻體關鍵位置年溫差如圖2-1-21所示，外保溫做法、自保溫做法、夾芯保溫做法的結構墻體內表面的年溫差較小，內保溫做法的年溫差較大；外保溫做法的結構墻體外表面年溫差較小，其他三種做法的年溫差均非常大；無論保溫形式如何，保溫層內表面的年溫差均較小，保溫層外表面年溫差均較大。圖2-1-22不同保溫形式各墻體關鍵位置晝夜溫差（夏季）如圖2-1-22所示，在夏季不同保溫形式墻體各關鍵位置的晝夜溫差有很大差別。結構墻體內表面的晝夜溫差均較小；外保溫做法的結構墻體外表面晝夜溫差最小，小于2℃，其他三種做法的晝夜溫差約在19～30℃；保溫層內表面晝夜溫差均較?。粌缺氐谋貙邮軌w保護，保溫層外表面晝夜溫差較小，約為2℃，其他保溫形式的晝夜溫差都非常大，約在25～35℃。圖2-1-23不同保溫形式各墻體關鍵位置晝夜溫差（冬季）圖2-1-23為冬季不同保溫形式墻體各關鍵位置的晝夜溫差。從圖2-1-22和圖2-1-23可以看出，冬季和夏季的晝夜溫差較為類似，而冬季的外界溫度環(huán)境和室內溫度變化幅度小于夏季，其產生的晝夜溫度變化略小于夏季。圖2-1-24是不同季節(jié)溫度最高和最低時，結構墻體的內表面和外表面的溫差，從圖中可以看出，外保溫在各種情況下，結構墻體的內表面和外表面溫差均較?。粌缺責o論在何種情況下，其結構墻體內表面與外表面總是存在溫差；自保溫和夾芯保溫在夏季最熱和冬季最冷時，其結構墻體內外表面的溫差非常大。圖2-1-24不同季節(jié)結構內表面與外表面溫差保溫層的位置會影響結構墻體的溫度變化，產生的溫度應力會影響系統穩(wěn)定性，不合理的保溫層構造形式，會加劇建筑結構的溫度應力破壞，降低結構壽命。在四種保溫形式中，外保溫結構墻體內表面年溫差和外表面年溫差均是最小的，內表面溫差為8℃，外表面溫差為11℃；內保溫的墻體內表面溫差為38℃，外表面溫差為55℃，是外保溫結構墻體外表面溫差的5倍，不穩(wěn)定性遠大于外保溫；自保溫和夾芯保溫的內表面溫度雖然也較為穩(wěn)定，年溫差可以達到8℃，但是其結構墻體外表面溫差卻高達65℃，因此，內保溫、自保溫和夾芯保溫的結構墻體溫度變化非常劇烈，長期處于不穩(wěn)定的運動狀態(tài)。外保溫在環(huán)境溫度變化時，結構墻體內表面和外表面溫度始終一致，自身不致產生內表面和外表面變形不一致的情形，溫差小于2℃（見圖2-1-21）。而其他保溫形式，內表面和外表面的溫度變化始終不能統一,導致內外表面變形速度和變形量的不同，最終影響結構墻體壽命。例如，夾芯保溫在夏季溫度最高時，外側結構墻體外表面溫度和內側結構內表面溫度相差30℃，外表面膨脹應力明顯大于內表面，產生的溫差較外保溫高28℃，影響結構穩(wěn)定性。外保溫系統的保溫層外側年溫度變化均非常劇烈。外保溫墻體的保護層及其裝飾層一年四季、白天黑夜溫度變化較其他保溫形式（達到同樣的節(jié)能要求）都要大，其中外保溫外飾面年溫度變化達到67℃（-10～57℃）。外保溫墻體，對其保護層、裝飾層抵抗溫度變形及疲勞溫度應力的能力有更高的要求。2.1.4小結綜合對北京地區(qū)不同季節(jié)、不同朝向的各種保溫形式墻體的溫度場隨時間及沿墻體厚度方向的變化規(guī)律計算、分析，可以得出如下結論：（1）建立了考慮太陽輻射作用、環(huán)境溫度變化條件下建筑外墻實時溫度場的數值計算模型。利用該模型，可以方便快捷地計算各時刻墻體的溫度分布及其隨時間的變化規(guī)律。該模型的建立為外墻保溫系統各功能層溫度應力的計算，打下了基礎。（2）建筑外墻溫度分布受太陽輻射影響顯著，其影響程度與季節(jié)、朝向密切相關。夏季西墻表面溫度峰值最高，溫度波動最大；冬季南墻表面溫度峰值最高，溫度波動較大；所有季節(jié)北面墻體的平均溫度最低，溫度波動也最?。淮呵飪杉緣w溫度介于冬夏季之間。（3）無論內保溫形式還是外保溫形式，或者加氣混凝土自保溫形式、巖棉夾芯保溫形式，保溫層內溫度變化均是最劇烈的，但外保溫保溫層溫度變化幅度更大。保溫層以外部分溫度變化大，保溫層以內部分溫度變化小。（4）內外保溫基層墻體內溫度變化幅度明顯不同。采用外保溫形式，結構層（基層）年溫度變化幅度只有8℃（16℃～24℃），而采用內保溫時，結構層（基層）溫度變化幅度則有55℃（-8℃（5）計算結果表明，外保溫墻體結構層溫度均在零度以上，而內保溫墻體結構層溫度有時處于零度以下。因此外保溫形式墻體的結構層工作環(huán)境溫度更為理想。（6）外保溫墻體的保護層及其裝飾層一年四季、白天黑夜溫度變化較其它保溫形式（達到同樣的節(jié)能要求）都要大，其中外保溫外飾面年溫度變化達到67℃（-10℃～57℃（4）外墻內保溫墻體年溫差變化量是外墻外保溫墻體年溫差變化量的5倍，夾芯保溫構造外側結構墻體的年溫差是內側結構墻體的8倍，自保溫墻體的墻體外側是內側年溫差的8倍。因此，內保溫、夾芯保溫和自保溫做法降低了建筑結構的穩(wěn)定性，縮短了建筑結構的壽命。（5）目前，混凝土結構設計壽命是在70年左右，外墻外保溫對于混凝土結構的保護可以使建筑結構穩(wěn)定，使其壽命達百年以上，穩(wěn)定的建筑結構是不穩(wěn)定建筑結構壽命的2倍以上。為了實現百年建筑設計目標，應盡早對不穩(wěn)定的保溫墻體構造，增加外墻外保溫做法。（6）外保溫做法穩(wěn)定了結構溫度，提高了結構壽命，而且外保溫及其飾面層可維護和修繕，當飾面層和保溫層出現問題時，可以通過維修和翻新方式，繼續(xù)保護結構墻體，而結構墻體一旦破壞則無法修繕。縮短結構墻體壽命的保溫做法，是不合理建筑節(jié)能技術，危害了建筑節(jié)能的良性發(fā)展。（7）外墻外保溫表面溫度變化最為強烈，對其保護層、裝飾層抵抗溫度變形及疲勞溫度應力的能力有更高的要求。2.2保溫墻體的溫度應力計算在上一節(jié)中，對帶有保溫結構的建筑物外墻的溫度場進行了數值模擬，獲得了北京地區(qū)在外界變溫環(huán)境和太陽輻射作用下內保溫、外保溫、無保溫、自保溫、夾芯保溫等不同形式的墻體的溫度場變化規(guī)律。溫度場的計算除了分析墻體溫度變化、保溫層保溫效果、不同形式保溫形式的差異以及保溫結構設計需要外，另外一個目的就是研究在各類保溫形式下墻體內因溫度變化引發(fā)的溫度應力的大小及其變化規(guī)律；研究保溫層及其附加功能層在使用條件下因溫度變化而引發(fā)的長期耐久性問題。本節(jié)將對各種保溫形式的墻體在外界變溫環(huán)境下各層的溫度應力進行數值模擬，分析因溫度應力可能引發(fā)的墻體開裂以及飾面層的安全、耐久性問題。2.2.1保溫墻體溫度應力計算模型單一墻板墻體的溫度應力模型一般建筑外墻的長度、寬度比厚度大很多（通常15～20倍以上），在外部變溫環(huán)境條件下，溫度只在厚度方向（）變化，因此墻體溫度場（）可以認為只是時間（）和板厚墻體厚度（）的函數，即：（2-2-1）因此在不考慮局部帶有門窗等構件的影響的前提下，可以認為建筑外墻是沿長度和高度兩個方向無限大的板墻體。因此，本研究將重點分析沿墻體厚度方向的溫度應力分布及其大小。設一建筑墻板墻體的平面尺寸大于板厚墻體厚度的10倍（平面應力問題），高度方向，寬度方向，厚度方向（圖2-2-1）。在給定時刻，溫度只沿厚度方向變化。設材料彈性模量為，泊松比為，熱變形系數為，初始溫度（彈性模量為零時）為，。根據廣義虎克定律，有：（2-2-2）xxyz0圖2-2-1建筑墻體外墻板溫度應力計算坐標示意圖下面根據墻板墻體的約束情況分類計算因溫度變化（）引發(fā)溫度應力的大小。1．嵌固板墻體的溫度應力嵌固板墻體指板墻體的四周完全被約束（，方向），既不能上下、左右移動，也不能轉動。在完全嵌固條件下，，。將上述條件代入（2-2-2）有:（2-2-3）解此方程組，有：（2-2-4）溫度應力正負號規(guī)定如下：溫度升高，（）為正，或為負，為壓應力；溫度降低，（）為負，或為正，為拉應力。后續(xù)溫度應力的符號規(guī)定均與此相同。2．自由板墻體的溫度應力自由板墻體是完全不受外界約束，在各個方向都可以自由變形的板墻體，自由板墻體內的溫度應力純粹是由于板墻體內溫度分布不均勻而產生的自生應力。板墻體內的正應力和正應變?yōu)椋海?-2-5）將上述條件代入（2-2-5）有：（2-2-6）墻板墻體因溫度變形后，應變沿板墻體厚度的分布應符合平截面假設，即可表達為：（2-2-7）式中，，為與坐標無關的參數，把（2-2-7）代入（2-2-6），有：（2-2-8）在自由板墻體內，任意時刻，任意截面上的軸向力和彎矩都應等于零，即：（2-2-9）式中為板墻體厚度。注意截面原點位于截面中心，由（2-2-9）解得：（2-2-10）其中，，為截面（沿）平均溫度變化，即參數為平均溫度變化，為等效線性溫度變化差，為沿斷面溫度變化（）的力矩。將（2-2-10）代入（2-2-8），有自由板墻體溫度應力：（2-2-11）其中，為平均溫度變化引發(fā)的應力，為線性溫度變化引發(fā)的應力，為嵌固板墻體溫度應力（完全約束）。對（2-2-11）式進行簡單變換，非線性溫度場下嵌固板墻體的溫度應力由三個應力分量構成，即：（2-2-12）式中自由板墻體溫度應力亦可稱為非線性溫度變化應力。式（2-2-12）表明，完全約束墻板體的溫度應力可表達為平均溫度變化引發(fā)的應力（），線性溫度變化引發(fā)的應力（）和非線性溫度變化引發(fā)的應力（）之和。如果溫度分布為線性，則。實際墻板體中溫度應力的大小取決于臨近結構對墻板體四周的約束情況，通?？赡苡龅接腥缦滤姆N情況：1）墻板體既能伸縮，又能轉動（自由板墻體），則：（2-2-13）2）板墻體不能伸縮，只能轉動，則：（2-2-14）3）板墻體不能轉動，只能伸縮，則：（2-2-15）4）板墻體既不能伸縮，又不能轉動，則：（2-2-16）上述自由板墻體溫度應力表達式確定了無限平板墻體中的溫度應力，對于有限平板墻體，在靠近板墻體的四邊，應力分布與上式有所不同。但根據圣維南原理，在離板墻體的邊緣的距離超過板墻體的厚度時，上述結果即可適用。多層復合保溫墻板體的溫度應力模型對實施內保溫或外保溫的外墻板外墻體，墻體材料沿板墻體厚方向并不是單一材料，為多種功能材料復合的建筑外墻板外墻體。其主要功能層包括內外裝飾層、結構層、保溫層及保溫功能附加層等。下面建立時變溫度場下多層復合墻板體的溫度應力計算模型。假設各層間粘結完好，每層溫度分布函數為，位于每層的中間位置。根據平截面假定，設每層應變?yōu)椋海?-2-17）其中，每層溫度分布參數，可通過每層溫度場獲得，即：（2-2-18）因此，第層板墻體內溫度應力分量可分別表達為：（2-2-19）（2-2-20）（2-2-21）其中，為第層板墻體完全約束的溫度應力，為第層板墻體平均溫度變化引發(fā)的應力，為第層板墻體線性溫度變化引發(fā)的應力。根據實際墻板體所受約束情況，通?？赡苡龅接腥缦滤姆N情況：1）墻板體既能伸縮，又能轉動（自由板墻體），則:（2-2-22）2）板墻體不能伸縮，只能轉動，則:（2-2-23）3）板墻體不能轉動，只能伸縮，則:（2-2-24）4）板墻體既不能伸縮，又不能轉動，則:（2-2-25）具有保溫層的復合墻體，根據約束和受力情況，大體上可以劃分成以混凝土或砌塊基層為主體的結構層，和以保溫層以及在保溫層之上附著的防護構造等部分（可稱之為附加層）。其約束多數來自于和墻體基層之間的錨固等粘結手段，對比結構層，在力學性能上差異較大。對于以保溫層為主體的附加層而言，一方面他本身往往沒有牢固的約束作用，更多的是隨結構層一起發(fā)生形變，另一方面附加層一般體積較小，材料的彈性模量等力學性能比較結構層的混凝土等材料低得多，兩者對比，明顯可以看出一剛一柔，結構層對附加層的影響是占主導地位的，而反過來看附加層對于結構層的作用則比較有限。建筑結構對結構層的約束比較復雜，通常可能來自樓板、相連接的梁板及相鄰墻體的相互約束。這是通常條件下建筑結構內溫度應力不好定量的基本原因。總之對附加層的約束主要來自結構層，結構層與附加層的溫度變形差異是在附加層內引發(fā)溫度應力的主要原因之一。下面將按上述溫度應力計算模型，定量計算各種簡單約束條件下各構造層內的溫度應力大小。同時定性研究不同朝向、不同季節(jié)、不同時刻墻體內溫度應力的分布及發(fā)展規(guī)律。為保溫墻體結構設計，尤其是外保溫裝飾層材料設計及選擇提供理論指導。材料參數按前文所述墻體保溫的典型形式和所建模型，對溫度應力進行計算。計算過程采用的相關材料熱力學性能參數列于表2-2-1、表2-2-2中。表2-2-1材料熱力學參數之一（膠粉聚苯顆粒單一保溫）結構形式材料名稱厚度（mm）密度（kg/m3）熱變形系數10-6（1/K）彈性模量（GPa）膠粉聚苯顆粒外墻外保溫涂料飾面內飾面層21300102.00基層墻體20023001020.00界面砂漿215008.52.76保溫漿料602008.50.0001抗裂砂漿516008.51.50涂料飾面311008.52.00膠粉聚苯顆粒外墻內保溫涂料飾面內飾面層21300102.00抗裂砂漿516008.51.50保溫漿料602008.50.0001界面砂漿21500100.76基層墻體20023001020.00涂料飾面311008.52.00膠粉聚苯顆粒外墻外保溫面磚飾面內飾面層21300102.00基層墻體20023001020.00界面砂漿215008.52.76保溫漿料602008.50.0001抗裂砂漿101600103.87粘結砂漿51500105.00面磚飾面826001020.00膠粉聚苯顆粒外墻內保溫面磚飾面內飾面層21300102.00抗裂砂漿51600103.87保溫漿料602008.50.0001界面砂漿215008.52.76基層墻體20023001020.00粘結砂漿101500105.00面磚飾面826001020.00表2-2-2材料的熱物理參數之二（加氣混凝土自保溫與巖棉夾芯保溫墻體）結構形式材料名稱厚度（mm）密度（kg/m3）熱變形系數10-6（1/K）彈性模量（GPa）加氣混凝土自保溫墻體涂料飾面內飾面層21300102.00內抹面砂漿2018001020.00加氣混凝土200700102.00外抹面砂漿2018001020.00涂料飾面311008.52.00混凝土巖棉夾芯保溫墻體涂料飾面內飾面層21300102.00混凝土板5023001020.00巖棉板501508.50.10混凝土板5023001020.00涂料飾面311008.52.002.2.2保溫墻體溫度應力計算結果及分析利用前面溫度場計算結果，采用上表中所列參數作為模型輸入數值，計算各類典型內外保溫墻體、加氣混凝土自保溫墻體和混凝土巖棉板夾芯保溫墻體的溫度應力。計算中初始溫度取15℃。該參數的真正物理意義為材料內溫度應力為零時的溫度數值。而這個數值在實際結構中是較難確定的，對現場澆注的混凝土或砂漿，該值為混凝土或砂漿初凝（水泥漿由塑性向彈性轉變的轉變點）時的溫度，該溫度通常與施工的季節(jié)、時間密切相關。由于高溫季節(jié)、時刻施工的混凝土結構更容易產生開裂，因此通常采用對原材料進行降溫處理的方法，即降低值。對保溫墻體，由于結構層、保溫層及其附加層均在不同時刻施工完成，這給保溫墻體溫度應力計算中的取值帶來更大的困難。為統一比較計算結果，計算中各層材料的初始溫度選取為一個相同的數值。由于冬季、夏季溫度變化最大，因此在這兩個季節(jié)墻體內因溫度變化引發(fā)的應力最大，所以計算中僅對冬夏兩個季節(jié)中溫度變化最大的墻體中的溫度應力進行了計算。膠粉聚苯顆粒涂料飾面外保溫墻體圖2-2-2～圖2-2-4分別為膠粉聚苯顆粒外保溫涂料飾面墻體（西墻）在冬季、夏季典型氣候條件下外裝飾表面、抗裂砂漿外表面、承重基層外表面溫度應力與時間（24h內）關系圖。圖中給出了處于四種典型約束狀態(tài)即（1）板墻體既不能伸縮，又不能轉動（嵌固板墻體）；（2）板墻體不能伸縮，只能轉動；（3）板墻體不能轉動，只能伸縮及（4）板墻體既能伸縮又能轉動（自由板墻體由圖2-2-2可以看出：一、裝飾層外表面在（1）（2）兩種約束情況時溫度應力的差異很小，說明墻體外表面彎曲應力很小，裝飾層內外表面溫度相差很小，溫度應力主要來自于橫縱方向的約束。二、自由板墻體溫度應力接近于零，表明外裝飾層內溫度分布的非線性度很?。ǚ蔷€性度越大，自由應力越大）。三、溫度升高，溫度應力減小，溫度降低，溫度應力增大。溫度峰值對應應力峰值。四、冬季墻體表面應力為拉應力，夏季為壓應力，因此墻體表面冬季開裂風險大。五、初始溫度15℃時，冬季面層受拉，最大拉應力達0.54MPa，夏季面層受壓，最大拉應力為0.9MPa。冬季墻體表面層應力每天變化幅度（0.54～0.16）MPa，夏季墻體表面層應力每天變化幅度（0.90～0.17）MPa，因此一年內（冬夏季）表面層應力變化幅度將達（0.54～0.90）（a）冬季（b）夏季圖2-2-2實際的溫度應力值將介于全約束溫度應力與自由變形溫度應力之間，大小取決于實際約束程度。（盡管實際約束程度不好確定，但所計算應力數值仍可作比較，其大小順序不變。）由圖2-2-3可以看出：一、與裝飾層類似，（1）（2）兩種約束情況時溫度應力的差異很小，說明該層內彎曲應力也比較小，即抗裂砂漿層內外表面溫度差也比較小，溫度應力主要來自于橫縱方向的軸向約束作用。二、自由板墻體溫度應力同樣接近于零，說明抗裂砂漿層內溫度分布的非線性度很小（非線性度越大，自由應力越大）。三、溫度升高，溫度應力減小，溫度降低，溫度應力增大。溫度峰值對應應力峰值。四、初始溫度15℃時，冬季抗裂砂漿層表面應力為拉應力，夏季為壓應力，但拉、壓應力幅值比外飾面層有所降低，24h內最大拉、壓應力分別為0.35MPa和-0.57MPa。第五，初始溫度15℃時，冬季墻體表面層應力每天變化幅度（0.35～0.10）MPa，夏季墻體表面層應力每天變化幅度（0.57～0.11）MPa，因此一年內表面層應力變化幅度為（0.35～0.57（a）冬季（b）夏季圖2-2-3由圖2-2-4可以看出：一、盡管基層內外表面溫度相差不大，但由于基層厚度較大，（1）（2）兩種約束情況下溫度應力有所差異，說明墻體外表面彎曲應力與外飾面層、抗裂砂層相比有所增大。盡管如此，溫度應力的主要部分仍來自于橫縱方向的軸向約束（平均溫度變化較大）。二、自由板墻體溫度應力仍接近于零，說明基層內溫度分布的非線性度仍然很小。三、同樣，溫度升高，溫度應力減小，溫度降低，溫度應力增大。溫度峰值對應應力峰值，但基層內溫度變化較小，所以應力變化幅度不大。四、初始溫度15℃時，即使在冬季，全約束時基層墻體表面應力仍為壓應力，因此墻體做外保溫后因溫度變化而引發(fā)基層開裂的風險很小。五、初始溫度15℃時，冬季基層表面應力每天變化幅度（-0.39～-0.22）MPa，夏季墻體表面層應力每天變化幅度（3.44～2.78（a）冬季（b）夏季圖2-2-4上述應力分析中均沒有考慮材料徐變對溫度應力的松弛作用的影響，如考慮這一因素，溫度應力數值會有所降低。圖2-2-5為冬夏兩個季節(jié)24（a）冬季（b）夏季圖2-2-5保溫墻體溫度應力沿墻體厚度方向的分布將更能直觀地表現各層溫度應力的分布規(guī)律。圖2-2-6為膠粉聚苯顆粒外保溫涂料飾面墻體在冬季外表面溫度最低時、夏季外表面溫度最高時全約束溫度應力沿墻體厚度方向的分布圖。圖中將該時刻溫度沿板墻體厚度由圖2-2-6可見，全約束溫度應力分布呈階梯狀。冬季由室內到室外，溫度應力逐漸增大，基層墻體主要受壓，抗裂砂漿層及裝飾層受拉；保溫層內應力幾乎為零（保溫材料彈性模量僅為0.1MPa）；外裝飾層最大拉應力為0.54MPa。夏季由于墻體溫度均高于初始溫度，因此墻體主要部分均受壓應力；由室內到室外，基層內溫度應力逐漸增大，最大壓應力為3.44Mpa；保溫層內應力幾乎為零，外裝飾層最大壓應力為0.9MPa。（a）冬季（b）夏季圖2-2-6膠粉聚苯顆粒外保溫涂料飾面墻體在冬、夏季外表面溫度最低、最高時刻全約束溫度應力沿墻體厚度方向的分布圖膠粉聚苯顆粒面磚飾面外保溫墻體圖2-2-7～圖2-2-10分別為膠粉聚苯顆粒外保溫面磚飾面墻體在冬季（南墻）、夏季（西墻）典型氣候條件下外裝飾表面、抗裂砂漿外表面、承重基層外表面溫度應力與時間（24h內）關系圖。圖中給出了處于四種典型約束狀態(tài)即（1）板墻體既不能伸縮，又不能轉動（嵌固板墻體）；（2）板墻體不能伸縮，只能轉動；（3）板墻體不能轉動，只能伸縮及（4）板墻體既能伸縮又能轉動（自由板墻體）時相同溫度變化條件下墻體表面溫度應力的大小。由圖2-2-7可以看出：一、與涂料飾面類似，裝飾層外表面在（1）（2）兩種約束情況下溫度應力的差異很小，說明墻體外表面彎曲應力很小，裝飾層內外表面溫度相差很小，溫度應力主要來自于橫縱方向的約束。二、自由板墻體溫度應力接近于零，表明外裝飾層內溫度分布的非線性度很小（非線性度越大，自由應力越大），這也可以從溫度場計算結果得以證實。三、溫度升高，溫度應力減小，溫度降低，溫度應力增大。溫度峰值對應應力峰值。四、冬季墻體表面應力為拉應力，夏季為壓應力，因此墻體表面冬季開裂風險大。五、初始溫度15℃時，冬季面層受拉，最大拉應力達6.38MPa，夏季面層受壓，最大拉應力為10.48MPa。冬季墻體表面層應力每天變化幅度(6.38～0.62)MPa，夏季墻體表面層應力每天變化幅度(10.48～0.17)MPa，因此一年內（冬夏季）表面層應力變化幅度將達(6.38～10.48)MPa（a）冬季（b）夏季圖2-2-7膠粉聚苯顆粒外保溫面磚飾面墻體外表面應力隨時間發(fā)展關系面磚飾面與涂料飾面的面層溫度應力的最大區(qū)別在于面磚飾面的面層溫度應力較涂料飾面有大幅度上升，盡管二者面層溫度變化幅度基本相同。這主要是由于面磚本身的彈性模量（20GPa）較涂料面層（2GPa）有大幅度增長，抗裂砂漿的彈性模量也有所提高（見表2-2-1）。如果保溫墻體面層裝飾材料剛度過大，墻面開裂是不可避免的。例如，如果面層為普通砂漿層，則面層拉應力應該與瓷磚面層相當，達6MPa左右，開裂是不可避免的。如果考慮面磚尺寸及嵌縫材料對面磚裝飾層整體剛度的影響，面磚飾面的整體剛度應該比面磚本身的剛度低些。具體剛度推算如下：取面磚與嵌縫材料形成的代表單元（如圖2-2-8），設面磚彈性模量為，單塊長度為，嵌縫材料彈性模量為E2，單塊長度為。根據復合材料原理，復合后單元的彈性模量可表達為：（2-2-26）ll1l2圖2-2-8面磚與嵌縫材料代表單元示意圖可見，面磚飾面復合體的彈性模量是面磚、嵌縫材料的彈模及長度的函數，若=20GPa，=40mm，=5GPa，=5mm，則有=15GPa。以15GPa為面磚飾面面層彈性模量，計算得到的面層溫度應力與圖2-2-7的結果趨勢一致，但值有所下降。初始溫度15℃時，冬季面層最大拉應力降為4.8MPa，夏季面層最大拉應力降為7.875Pa。冬季墻體表面層應力每天變化幅度變?yōu)椋?.8～0.45）MPa，夏季墻體表面層應力每天變化幅度變（7.875～1.538）MPa，一年內（冬夏季）表面層應力變化幅度變?yōu)椋?.8～7.875）MPa。盡管應力幅值有所降低，但面層開裂風險仍較大，面層在冬季抗拉周期性荷載作用下易發(fā)生抗拉疲勞脫落。圖2-2-9為抗裂砂漿層外表面在各種約束條件下溫度應力隨時間變化關系圖，其規(guī)律與涂料飾面類似，只是由于用于面磚飾面的抗裂砂漿的彈性模量較用于涂料飾面的抗裂砂漿的彈性模量高些，因此溫度應力也略高。初始溫度15℃時，冬季抗裂砂漿層表面應力每天變化幅度（1.04～0.10）MPa，夏季墻體表面層應力每天變化幅度（1.71～0.34）MPa，一年抗裂砂漿層應力變化幅度為（1.04～1.71）MPa。可見，該層內最大拉應力接近1MPa圖2-2-10為膠粉聚苯顆粒外保溫面磚飾面墻體基層外表面在各種約束條件下溫度應力與時間關系圖，結果與涂料飾面類似，應力相差不大。（a）冬季（b）夏季圖2-2-9膠粉聚苯顆粒外保溫面磚飾面墻體抗裂砂漿層表面應力隨時間變化圖（a）冬季（b）夏季圖2-2-10膠粉聚苯顆粒外保溫涂料飾面墻體基層表面應力隨時間發(fā)展關系圖2-2-11為冬夏兩個季節(jié)24h內面磚飾面保溫墻體內典型功能層表面全約束溫度應力與時間關系圖，從圖示結果可以清晰地了解各層溫度應力隨時間的發(fā)展情況。除了面層、抗裂砂漿層應力峰值較涂料飾面偏高外，其余與涂料飾面類似，發(fā)展規(guī)律也相同。（a）冬季（b）夏季圖2-2-11膠粉聚苯顆粒外保溫面磚飾面墻體典型功能層表面應力隨時間發(fā)展關系匯總保溫墻體溫度應力沿墻厚度方向的分布將更能直觀地表現各層溫度應力的分布規(guī)律。圖2-2-12飾面層剛度為20GPa，膠粉聚苯顆粒外保溫面磚飾面墻體在冬季外表面溫度最低的時刻、夏季外表面溫度最高的時刻全約束溫度應力沿墻體厚度方向的分布圖。圖2-2-12中將該時刻溫度沿板墻體厚度分布也列于其中。與涂料飾面類似，全約束溫度應力分布呈階梯狀。無論在冬季還是在夏季，基層墻體均承受壓應力，保溫層內應力幾乎為零（其彈性模量為0.1MPa）。在冬季，保溫層之外的抗裂砂漿層及裝飾層受拉；在夏季，保溫層之外的抗裂砂漿層及裝飾層受壓。外飾面層剛度對其應力大小有明顯影響，面層彈性模量為20GPa時，飾面層最大拉、壓應力分別為6.38MPa和-10.48MPa。面層彈性模量為15GPa時，飾面層最大拉、壓應力分別為4.8MPa和7.875MPa。且抗裂砂漿層內最大應力比涂料飾面內抗裂砂漿相應應力值高出許多，前者冬季最大拉應力為1.04MPa，后者為0.35MPa。這一差別主要是由其彈性模量（剛度）差異引起的。（a）冬季（b）夏季圖2-2-12膠粉聚苯顆粒外保溫面磚飾面墻體（面層剛度20GPa）在冬、夏季外表面溫度最低、最高時刻全約束溫度應力沿墻體厚度方向的分布圖膠粉聚苯顆粒涂料飾面內保溫墻體為了研究保溫層位置對外墻保溫系統溫度應力的影響，本研究也對膠粉聚苯顆粒涂料飾面內保溫墻體（將保溫及其附加層置于結構層之內）的溫度應力場進行了計算。內保溫墻體結構層尺寸、參數見表2-2-1。計算中除了保溫層位置變化外，其它相關材料參數與外保溫均相同。為了使結果的對比程度更明顯，內保溫各功能層做法對應于外保溫形式的各功能層做法（見表2-2-1）。與相對應的外保溫墻體類似，對內保溫墻體，首先計算了不同約束條件下24h的溫度應力。圖2-2-13～圖2-2-15分別為膠粉聚苯顆粒外保溫涂料飾面墻體（西墻）在冬季、夏季典型氣候條件下外裝飾表面、承重基層外表面及內裝飾面溫度應力與時間（24h內）關系圖。圖中給出了處于四種典型約束狀態(tài)即（1）板墻體既不能伸縮，又不能轉動（嵌固板墻體）；（2）板墻體不能伸縮，只能轉動；（3）板墻體不能轉動，只能伸縮及（4）板墻體既能伸縮又能轉動（自由板墻體）時相同溫度變化條件下墻體表面溫度應力的大小。（a）冬季（b）夏季圖2-2-13膠粉聚苯顆粒內保溫涂料飾面墻體外表面應力隨時間發(fā)展關系由圖2-2-13可見，內保溫墻體外飾面（涂料）表面溫度應力峰值與相應外保溫墻體相比略低（因為溫度峰值略低），但變化不大。其隨時間變化規(guī)律二者相同。裝飾層外表面（1）（2）兩種約束情況時溫度應力的差異很小，說明墻體外表面彎曲應力很小，裝飾層內外表面溫度相差很小，溫度應力主要來自于橫縱方向的約束。其次，自由板墻體溫度應力接近于零，表明外裝飾層內溫度分布的非線性度很?。ǚ蔷€性度越大，自由應力越大），這也可以從溫度場計算結果得以證實。第三，溫度升高，溫度應力減小，溫度降低，溫度應力增大。溫度峰值對應應力峰值。第四，冬季墻體表面應力為拉應力，夏季為壓應力，因此墻體表面冬季開裂風險大。第五，初始溫度15℃時，冬季面層受拉，最大拉應力為0.49MPa（相應外保溫墻體為0.54MPa），夏季面層受壓，最大壓應力為0.7MPa（相應外保溫墻體為0.9MPa）。冬季墻體表面層應力每天變化幅度(0.49～0.26)MPa，夏季墻體表面層應力每天變化幅度(0.70～0.27)MPa，因此一年內（冬夏季）表面層應力變化幅度將達(0.49～0.70)MPa圖2-2-14為墻體基層外表面在各種約束條件下溫度應力與時間關系。由圖示結果首先可以看出，各種約束條件下的溫度應力峰值明顯高于相應的外保溫墻體。初始溫度為15℃時，在冬季基層內應力基本為拉應力，而采用外保溫的墻體的基層表面應力為壓應力，說明采用外保溫形式對基層（結構層）的保護是非常明顯的。因此外保溫墻體結構層因溫度引發(fā)開裂的風險遠低于相應內保溫形式的墻體基層的開裂風險。內保溫墻體冬季基層表面應力每天最大變化幅度為(5.68～3.21)MPa，而相應的外保溫墻體為(0.39～0.22)MPa；夏季墻體表面層應力每天變化幅度(8.00～3.34)MPa，而相應的外保溫墻體為(3.44～2.78)MPa（a）冬季（b）夏季圖2-2-14膠粉聚苯顆粒內保溫涂料飾面墻體基層表面應力隨時間發(fā)展關系另外，由于基層內外表面溫差較大，同時基層厚度較大，（1）（2）兩種約束情況下溫度應力差異明顯大于相應外保溫墻體，說明墻體外表面彎曲應力大于相應外保溫墻體。盡管如此，溫度應力的主要部分仍來自橫縱方向的軸向約束（平均溫度變化較大）。自由板墻體溫度應力較外保溫墻體有所增大，說明內保溫墻體基層內溫度分布的非線性度較外保溫墻體大。同樣，溫度升高，溫度應力減小，溫度降低，溫度應力增大。溫度峰值對應應力峰值，但基層內溫度變化較小，所以應力變化幅度不大。（a）冬季（b）夏季圖2-2-15膠粉聚苯顆粒內保溫涂料飾面墻體內飾面表面應力隨時間變化圖圖2-2-15為膠粉聚苯顆粒內保溫涂料飾面墻體內飾面表面應力隨時間變化圖?？梢姡瑢蕊椕娑?，無論冬季還是夏季，其表面溫度應力較相應外保溫外飾面明顯降低，因此對內飾面材料性能要求可低于外飾面。這些做法已在實際工程中采用，在此不再贅述。圖2-2-16為冬夏兩個典型季節(jié)內保溫墻體中典型功能層表面全約束溫度應力與時間關系匯總。從圖示結果可以清晰地了解各層溫度應力隨時間的發(fā)展情況并相互比較。與相應外保溫墻體相比，主要差別在于基層應力。（a）冬季（b）夏季圖2-2-16膠粉聚苯顆粒內保溫涂料飾面墻體典型功能層表面應力隨時間發(fā)展關系匯總保溫墻體溫度應力沿墻體厚度方向的分布能更直觀地表現各層溫度應力的分布規(guī)律。圖2-2-17為膠粉聚苯顆粒內保溫涂料飾面墻體在冬季外表面溫度最低、夏季外表面溫度最高時全約束溫度應力沿墻體斷面的分布圖。圖中將該時刻溫度沿板厚墻體厚度分布也列于其中。（a）冬季（b）夏季圖2-2-17膠粉聚苯顆粒內保溫涂料飾面墻體在冬、夏季外表面溫度最低、最高時全約束溫度應力沿墻體厚度方向的分布圖由圖2-2-17可見，與其它保溫形式的墻體類似，膠粉聚苯顆粒內保溫涂料飾面墻體全約束溫度應力沿墻厚方向分布呈階梯狀。冬季由室內到室外，