轻钢龙骨混凝土组合外挂墙板热工及抗火性能研究

发布时间：2020-04-03 10:09

【摘要】：本文设计了一种新型轻钢龙骨混凝土组合外挂墙板,为研究其热工性能以及抗火性能,本文针对该类墙板,采用试验研究与有限元分析的研究手段,分析了填充岩棉厚度、龙骨腹板高度、龙骨间距、保温材料与内封板材料等参数对组合墙板保温以及抗火性能的影响规律。具体研究内容如下:(1)组合墙板热工性能试验研究及有限元分析设计了3片不同岩棉填塞厚度的墙板,通过防护热箱试验研究了岩棉填充厚度等因素对墙板热工性能的影响。试验中测量组合墙内外墙表面温度分布以探求龙骨热桥效应;通过热箱中热量平衡求得墙体的传热系数。结果表明:墙板温度场受到龙骨热桥影响波动较大;天地龙骨的热桥影响是不可忽略的;随着内填充保温材料岩棉厚度的增加,墙体传热系数明显降低,保温效果提高明显,但增加到一定厚度时保温效果提升不明显,其中60mm厚岩棉不满足规范,80mm厚和100mm厚满足。基于本文3片墙板的试验数据,通过ABAQUS有限元分析验证组合墙板二维传热模型的正确性。在此前提下,通过有限元进行了参数分析:腹板高度较小时,增加其高度能有效的降低墙体传热系数,但当腹板高度进一步增大时,传热系数的降低幅度就不再明显;随着龙骨间距的增大,墙板传热系数近乎呈线性逐渐小,墙体保温性能有所提高,当龙骨间距大到一定程度后,传热系数的降低幅度开始慢慢减小;石膏板厚度对墙体保温性能影响十分显著,且随着石膏板厚度的增加,墙板保温性能的提高越来越小;随着泡沫混凝土厚度的增加,综合传热系数呈现线性递减趋势,填塞60mm时传热系数大于1.5,不满足热工规范要求,填塞80mm和100mm时,墙板综合传热系数都满足小于1.5的规范要求。(2)组合墙板抗火性能试验研究及有限元分析设计了7片不同填充材料以及内封板材料的组合外挂墙板。通过水平炉试验研究了岩棉填充厚度因素对组合墙板抗火性能的影响,结果表明:火灾作用下,W1、W2、W3由于失去稳定性提前终止试验,耐火时间均不足60min,不满足我国现行建筑设计防火规范的多层民用建筑组合外挂墙板耐火极限要求;填塞的保温材料岩棉具有良好的隔热防火能力,填塞80mm厚岩棉的W2试件的耐火极限比W1提高7min,填塞100mm厚岩棉的W3试件比W1提高12min,足足延长33.3%的耐火时间。通过垂直炉试验研究了泡沫混凝土作为保温材料以及石膏板作为内封板的影响,结果表明:W4~W7试件耐火极限均达到规范要求的60min,对比W4和W5试件,泡沫混凝土厚度的增加能提高墙板的耐火性能,W4和W5试件无翘曲现象,在灾后的整体性明显优于填充岩棉的W6和W7试件,背火面表面开展不同程度的裂缝,竖龙骨无屈曲,且W4和W5绝热性更优良。对比W1~W3与W6和W7的背火面的温度和耐火时间,可以看出石膏板作内封板材料的墙板试件抗火性能更优良。通过ABAQUS有限元验证组合墙板二维传热模型的正确性,在此前提下,进行了参数分析,分析得到:调整腹板高度对墙板试件的耐火极限没有明显提高;龙骨间距从400mm-600mm时,背火面温度在1h火灾模拟分析后会线性降低,当龙骨间距为500mm-600mm时,会大大提高墙板绝热性,最终满足规范要求的1h的耐火极限;采用石膏板的墙板,石膏板厚度从10mm增加到20mm使得墙板60min受火后背火面的温度降低32.0℃,石膏板厚度从20mm增加到30mm使得墙板60min受火后背火面60min后的温度降低6.9℃(远小于32.0℃),证明增加石膏板内封板厚度可以明显提高墙板的抗火性能,在石膏板厚度比较薄的时候增加石膏板厚度对墙板耐火性能的提高尤为显著,且背火面温度均不超过180℃,满足规范要求的1h耐火极限;采用泡沫混凝土的墙板,泡沫混凝土厚度从80mm增加到100mm使得背火面60min后的温度降低23.1%,泡沫混凝土厚度从100mm增加到120mm使得背火面60min后的温度降低12.4%,证明增加泡沫混凝土填塞厚度对墙板试件的耐火性能有着显著提高,且背火面温度不超过180℃,满足规范要求。(3)优化设计在验证ABAQUS有限元模型正确性的前提下进行了优化设计,获得以下优化建议:将泡沫混凝土替代岩棉作为新型填塞保温材料;龙骨腹板高度取值120mm~140mm;在确保墙板连接可靠、承载安全的情况下,一般工程应用中取C型龙骨间距为400mm或600mm;采用石膏板代替水泥纤维板作为内封板材料;在生产成本可控范围内,建议连接部位采用非金属连接件,以削弱墙板中热桥的影响,提高组合墙板的热工及抗火性能。
【图文】：

央视,火灾

言有机保温材料的火灾危险09 年 2 月 9 日，如图 1-1，中国中央电视台新大楼北配楼发生了巨大的火灾，，致使国经济损失，并牺牲了一名优秀的消防队员。火灾的起因是违规燃放烟花，但是由于该温材料——挤塑聚苯乙烯保温板(XPS板)过火极快，火势瞬间从北配楼顶部蔓延到整个将此次大火称为“新中国成立以来建筑物过火燃烧最快的一例火灾”。2010 年 11 月海余姚路胶州路一栋高层公寓在节能改造过程中起火。起火点位于 l0-12 层之间，最后火包围着，造成 58 人死亡，71 人受伤。起火原因是电焊工操作不当，引燃了防护网，温材料——本次节能改造工程外墙采用的是现场喷涂聚氨酯抹灰系统结合聚苯板(E，其中硬泡聚氨酯喷涂薄抹灰系统主要应用于大楼的主墙面，EPS 板薄抹灰系统用于口部位。2011 年 2 月 3 日零时 30 分，沈阳皇朝万鑫酒店发生大火。火灾起因也是燃继而引燃外墙保温板，导致火势瞬问蔓延、扩大，致使建筑外窗破碎，火情蔓延至室内立体燃烧，所幸未造成人员伤亡，但是财产损失巨大。

结构分类,墙体,内保温,保温材料

（a）外保温（b）组合保温（c）内保温图 1-2 保温墙板结构分类内保温墙体主要是将保温材料固定在墙体内侧。内保温墙体目前主要有两种形式：一是在工厂保温芯材和外层增强浆料预制成组合保温板，运到施工现场，将预制保温板粘贴在外墙内侧，为止预制板接缝开裂，在表面用专用粘结剂铺粘一层玻纤网格布，其上满刮一道防水腻子，最后做料等饰面;二是在施工现场将保温材料固定在外墙内侧，表面抹一层粘结砂浆，随即满铺玻纤网格，然后压入粘结砂浆，最后找一遍砂浆面层，干后刮腻子刷涂料饰面[3]。这种墙体需要设置空气间和覆面保护层阻止水分进入保温层。内保温墙体的优点在于其施工一般为干作业施工，施工方便速；因为保温材料在墙体内侧，所以对保温材料的防水性、耐候性要求并不高。由于这种节能墙的外侧结构层密度大、蓄热能力大，因此采用这种墙体时室温波动相对较大，供暖时升温快，不暖时降温也快，这种墙体比较适合于北方[4]。但是也有很明显的缺点：（1）保温材料固定在室内，导致室内使用面积有一定的减小；（2）保温材料固定在室内，导致这些墙体无法再进行装修、二使用；（3）圈梁、楼板、芯柱等部位会因为无法固定保温材料，而造成此处形成“热桥”，造成较的热损失；（4）由于材料、施工等因素，墙体饰面层容易开裂；（5）国家现在提倡对旧有建筑进行造，如果采用内保温的做法，已有民用建筑的改造对日常生活影响比较大。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU398.9

【参考文献】