通讯作者: 邸 芃(1959-),女,辽宁北镇人,教授,主要从事建筑节能方向研究.
(College of Architecture and civil engineering,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China)
CL structure; wallboard composition; thermal indexes; reasonable thickness
备注
通讯作者: 邸 芃(1959-),女,辽宁北镇人,教授,主要从事建筑节能方向研究.
CL结构是一种新型的复合剪力墙结构体系,它集保温隔热等优势于一身,符合建筑节能减排的要求。通过对几组不同厚度的CL墙板进行热工指标的计算,在满足建筑节能设计规范的条件下,得出该体系中混凝土板的最佳厚度。并通过分析研究找到CL墙板的节能构造措施,找出CL墙板的合理构造层次,为今后的CL结构体系应用提供一定的参考数据和节能措施。
CL structure is a new type of composite shear wall structure system with thermal insulation advantages,accordding with the requirement of building energy conservation and emission reduction.Through a group of different thickness of the CL wallboard for the calculation of the thermal indexes,under conditions of meeting the building energy efficiency design specification meet the conditions,the best board thickness is obtained. CL wallboard energy saving structural measures are put forward, and the reasonable structure of the CL wallboard is proposed.
引言
1 CL结构体系概述
3 结 论
因为在结构整体中,混凝土的自重对结构受力影响较大,同时在经济方面也占有较大的比重,故文中将混凝土层厚度的变化作为主要研究因素[8],简化其他的影响因素,直接根据工程经验取几组较为合理的斜向钢筋含量和保温层厚度进行综合考虑。通过计算和分析得出在满足节能的条件下,设计和施工中混凝土板总厚度的合理取值范围。
通过前面的计算和分析可知,传热系数和热惰性指标与混凝土层的总厚度有关。当保温层厚度加厚时,传热系数相应显著增大; 保温层厚度一定时,传热系数随混凝土层厚度变化不大。可得出结论,传热系数受保温层厚度变化影响较大,受混凝土层厚度变化影响较小。因为保温层的密度较小,热惰性指标随保温层厚度变化不大,同时热惰性指标随保温层厚度的变化成正比关系; 热惰性指标的变化主要来自混凝土层,并随混凝土层厚度的变化成一次线性关系,但是混凝土层越厚越不经济,同时自重和结构刚度增大,这时应综合力学分析后确定。关于围护结构周边混凝土粱、柱、剪力墙等有“热桥”的影响[9],这里仅研究了复合墙板本身,只考虑墙板内部的热桥效应,没有考虑边缘构件的热桥效应。
通过研究说明CL墙板是一种在实际工程中切实可行的新型节能墙板,具有可靠的保温隔热效果。并且通过对其热工指标的计算,找到合理的构造层次,为今后的CL结构体系应用提供一定的参考数据和节能措施。
1.1 体系的组成CL结构体系(Composite Light-weight英文轻便结构之缩写)是将一种永恒的节能技术措施融入墙体[1],构成新型复合钢筋混凝土剪力墙结构体系。它是由CL复合剪力墙、现浇楼(屋)盖、现浇边缘构件组合而成的装配整体或整体现浇结构。其核心构件为复合混凝土剪力墙,是由CL网架板(1种由2层或2层钢筋焊网夹以EPS保温板后用三维斜插钢筋焊接而成的网架)两侧浇筑混凝土后形成的集保温、隔音于一体的墙体,内外两侧受力构件由2层钢筋网片组成,两侧浇筑混凝土后构成CL墙板,充当剪力墙结构(如图1,2所示)。该墙体主要用于建筑物的外墙、楼(电)梯间墙、分户墙等有保温及隔声要求部位的墙体,发挥了受力和保温的双重作用。其最大优势:可使建筑物在使用周期内不需要对保温层进行维护、维修,解决了目前普遍采用外墙粘贴、外挂保温层技术易产生的裂缝、空鼓、渗漏、脱落等隐患[2],以及使用寿命短而造成后期产生大量建筑垃圾和维修资金的问题。并可直接进行CL结构外墙体的各类外墙面装饰工程。
1.2 CL结构体系的发展CL结构体系在国内经过近20 a的应用发展[3],应用地区和适用范围不断扩大,北到内蒙古,南到湖北,西到新疆,东到天津均有相关项目应用; 无论从城市住宅到农村新民居建设,再到工业厂房,CL建筑体系都得到很好的应用。特别在青海玉树灾后重建中,被列为重点支撑技术(如图3所示)。
夏热冬冷地区CL墙板的合理混凝土层厚度分析按全国建筑热工设计分区,将我国分位5个区[4],分别为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。夏热冬冷地区处于我国寒冷地区与温和地区之间,属于过渡地带。建筑热工设计必须满足夏季防热要求[5],同时兼顾冬季保温。现在国家把建筑节能的重点放在夏热冬冷地区,这是因为:夏热冬冷地区的建筑围护结构的隔热保温性能不好; 由于环境潮湿,通风要求很高,通风能耗很大; 这个地区建筑需要空调制冷和采暖的时间很长,总共约在半年左右。由于存在这些增大能耗的因素,在达到热舒适的情况下,其单位建筑面积能耗,要比寒冷地区更高。所以研究夏热冬冷地区的节能措施,对我国的节能减排有重要意义。
2.1 节能热工设计标准夏热冬冷地区的住宅围护结构外墙的建筑节能设计标准为[6]:(详见JGJ134-2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》第4页)
K≤1.5,D>2.5或K≤1.0、D≤2.5.
其中 K为围护结构传热系数,W/m2·K,即:在稳态条件下,围护结构两侧空气温差为1 K,在单位时间内通过单位面积围护的传热量; D为围护结构热惰性指标,表征围护结构反抗温度波动和热流波动能力的无量纲指标,其值等于材料层热阻与蓄热系数的乘积。
2.2 CL墙板热工指标的影响因素混凝土夹芯复合墙板结构体系作为一种复合墙板[7],其保温隔热性能与保温层厚度和两侧混凝土板厚度有直接关系,所以该墙板对热工指标的影响因素为保温层的厚度和混凝土层的厚度,在考虑钢筋的热桥效应时,钢筋含量也是其热工指标的影响因素。通过分析和计算其热工指标,找到在满足节能的情况下,最合理的混凝土层厚度。
2.3 不同混凝土板厚度时热工指标计算在这里计算时考虑钢筋的热桥效应,同时分2种不同钢筋含量的情况分别进行热工指标计算,并和节能规范比较。相应的建筑材料热工性能计算参数见表1.
为了使研究结果更具有实践意义,计算数据选取了夏热冬冷地区已建成工程:石家庄市信通花园小区住宅楼。项目概况:地下1层,层高2.5 m,地上11层,层高2.9 m,建筑面积13 702.42 m2。主体结构采用CL结构体系,建筑高度为34.20 m.地上部分采用CL复合墙体,1层~11层外墙、分户墙、楼梯间墙厚250 mm(外侧混凝土层厚度50 mm,内侧混凝土层厚200 mm),中部保温层厚度为50 mm,板内斜向钢筋含量约为0.05%; 内墙为170 mm厚实心墙。楼面为现浇钢筋混凝土。
为了找出混凝土板厚度变化对热工性能的影响,根据工程实践经验,取外侧混凝土厚度为50 mm,保温层厚度分别取60 mm和80 mm,钢筋含量(穿过保温层的斜向钢筋截面面积,占保温层截面面积的百分率)分别取0.05%和0.1%,内侧混凝土厚度取100~300 mm,内外粉刷层厚度取为20 mm进行计算分析如下。
例:按照上面的条件计算,当混凝土总厚度为190 mm时,
材料层热阻 R=δ/λ,
式中,δ为材料层厚度,m; λ为材料的导热系数,W/m·K.
维护结构的传热阻
R0=Ri+R+Re=0.11+0.04/0.87+0.19/1.74+0.06/(0.1%*58.2+99.9%*0.003)=0.96 m2·K/W
式中 Ri为内表面换热阻,取0.11 m2·K/W; Re为外表面换热阻,取0.04 m2·K/W.
维护平均传热系数
K0=1/R0=1/0.96=1.04 W/(m2·K).
式中,K为围护结构传热系数,W/m2·K.
热惰性指标
D0=(0.19/1.74)*17.2+(0.04/0.87)*10.75+[0.06/(0.1%*58.2+99.9%*0.003)]*(0.1%*126+99.9%*0.36)=2.69.
由以上计算可得:当混凝土总厚度为190mm时,不满足夏热冬冷地区的住宅围护结构外墙的建筑节能设计标准。(K≤1.5,D>2.5或K≤1.0,D≤2.5)
其余各个厚度的计算同上计算式。
传热系数K和热惰性指标D计算结果见表2,3,4,5.
为了更清楚反映其变化规律,根据计算所得如上表格,将传热系数、热惰性指标分别与混凝土板厚度变化时的关系绘制如图4~7所示。
除钢筋含量取0.05%,其余条件均与(1)中相同。计算方法同(1)。
传热系数果见表4,5.
表2 传热系数和热惰性指标计算结果表(保温层厚度为60 mm,斜向钢筋含量0.1%)
Tab.2 Coefficient of heat transfer and hot laziness index results(insulation layer thickness 60 mm,reinforced content 0.1%)表3 传热系数和热惰性指标计算结果表(保温层厚度为80 mm,斜向钢筋含量0.1%)
Tab.3 Coefficient of heat transfer and hot laziness index results(insulation layer thickness 80 mm,reinforced content 0.1%)表4 传热系数和热惰性指标计算结果表(保温层厚度为60 mm,斜向钢筋含量0.05%)
Tab.4 Coefficient of heat transfer and hot laziness index results(insulation layer thickness 60 mm,reinforced content 0.05%)表5 传热系数和热惰性指标计算结果表(保温层厚度为80 mm,斜向钢筋含量0.05%)
Tab.5 Coefficient of heat transfer and hot laziness index results(insulation layer thickness 80 mm,reinforced content 0.05%)为了更清楚反映其变化规律,根据计算所得如上表格,将传热系数、热惰性指标分别与混凝土板厚度变化时的关系绘制如图6,7所示。
2.4 小 结通过上面的计算结果和图表,可以得出该工程的混凝土复合墙板在不设置额外保温措施的情况下,其传热系数和热惰性指标能满足夏热冬冷地区建筑外墙节能设计标准。其保温层厚度、混凝土层最小总厚度及斜向钢筋含量的对应关系见表6.
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