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
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1、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
2、 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
3、 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,
4、 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
5、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
6、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,
7、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
8、。 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
9、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(
10、 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
11、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
12、( 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
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