武汉大学学报(工学版)   2017, Vol. 50 Issue (6): 923-930, 937

文章信息

王勇, 张谊, 蒋欢军
WANG Yong, ZHANG Yi, JIANG Huanjun
基于相变技术的夹芯剪力墙力学和节能性能研究
Study of mechanical and energy-saving capacity of sandwich shear wall based on phase change technology
武汉大学学报(工学版), 2017, 50(6): 923-930, 937
Engineering Journal of Wuhan University, 2017, 50(6): 923-930, 937
http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8844.2017-06-019

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收稿日期: 2017-06-29
基于相变技术的夹芯剪力墙力学和节能性能研究
王勇1,2, 张谊3, 蒋欢军1,2     
1. 同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海 200092;
2. 同济大学结构工程与防灾研究所,上海 200092;
3. 深圳大学土木工程学院,广东 深圳 518061
摘要:为研究基于相变技术的夹芯剪力墙的力学性能,采用有限元软件ABAQUS对其进行了非线性模拟,重点分析了轴压比和混凝土板厚度对其侧向承载力和协同工作性能的影响规律.同时利用EnergyPlus数值模拟软件探究了气候类型、相变层厚度和混凝土板厚度对相变材料调温节能能力的影响.结果表明:在小轴压比下,夹芯剪力墙的侧向承载力随着轴压比的增加而增加,其内侧混凝土厚度对其侧向承载力影响较大;夹芯剪力墙两侧混凝土层能够很好地协同工作.并且得到了相变材料调温和节能最优组合.
关键词相变技术    夹芯剪力墙    非线性    协同工作    调温节能    
Study of mechanical and energy-saving capacity of sandwich shear wall based on phase change technology
WANG Yong1,2, ZHANG Yi3, JIANG Huanjun1,2     
1. State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;
2. Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University, Shanghai 200092, China;
3. College of Civil Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518061, China
Abstract: In order to study the mechanical behavior of sandwich shear wall based on phase change technology, nonlinear finite element software ABAQUS is adopted to analyze the effect of different axial pressure ratios and thicknesses of concrete slab on the lateral bearing capacity and cooperative working performance. At the same time, the influences of climate types, thickness of phase change layer and thickness of concrete slab on the energy-saving ability and temperature control ability of phase change materials are analyzed by using numerical simulation software EnergyPlus. The results show that the lateral bearing capacity of sandwich shear wall increases with the increase of axial pressure ratio under small axial pressue ratios; and the thickness of inner concrete has a great impact on the lateral bearing capacity; the two concrete wall-panels can work well. And the optimum combination of temperature control and energy-saving is obtained.
Key words: phase change technology     sandwich shear wall     nonlinearity     cooperative work     temperature control and energy saving    

混凝土夹芯剪力墙是多层住宅的一种新型承重构件,具有施工快捷、保温隔音性能优良和抗震性能好等优点,在西欧及美国已广泛应用[1, 2].混凝土夹芯墙板以空间钢丝网作骨架,内含保温材料,内、外侧分别浇筑混凝土层,并由空间斜筋连接协同工作[3].目前国内对混凝土夹芯剪力墙仍缺乏研究,限制了其作为承重构件的工程应用.而相变技术应用于夹芯剪力墙中能将暂时不需使用的能量储存起来,在需要的时候释放出来,因而可以显著降低建筑能耗[4],相比较通常的保温板有更加广阔的应用前景.本文将两者有效结合起来,在混凝土夹芯剪力墙板夹芯处设置相变材料,采用有限元软件ABAQUS对其进行非线性模拟,研究了不同参数(轴压比、内外侧混凝土板厚度)对混凝土夹芯剪力墙板的侧向承载力和协同工作特性的影响规律,以揭示混凝土夹芯剪力墙板在竖向荷载和水平荷载共同作用下的力学性能,为该墙板的进一步研究提供参考.同时,设计了一个以夹芯剪力墙为结构的办公楼,采用EnergyPlus数值模拟软件探究了气候类型、相变层厚度和混凝土板厚度对相变材料调温节能能力的影响.通过分析,得到了相变材料调温和节能最优组合,为基于相变技术的混凝土夹芯剪力墙在结构和节能一体化[5]的推广提供了一定的依据.

1 结构模型设计

目前混凝土夹芯剪力墙一般应用于小高层结构,混凝土层厚度一般是外侧较薄,内侧较厚.本文共设计了3组(9个)剪力墙模型,各模型的参数见表 1,配筋见表 2.

表 1 各模型的参数 Table 1 Parameters of every model
试件编号 数量/个 高度/mm 宽度/mm 轴压比 相变材料层厚度/mm 外侧混凝土层厚度/mm 内侧混凝土层厚度/mm
SW1(SW2、SW3) 3 3 000 1 500 0.157(0.209、0.262) 60 0 200
SW4(SW5、SW6) 3 3 000 1 500 0.157(0.209、0.262) 60 50 150
SW7(SW8、SW9) 3 3 000 1 500 0.157(0.209、0.262) 60 60 140
表 2 各模型的配筋详情 Table 2 Reinforcement details of every model
试件编号 配筋
墙板 暗柱 加载梁 基础
SW1(SW2、SW3) 双层钢筋网:水平筋10@100,竖向筋12@150;无空间斜筋 纵向筋820箍筋ϕ8@70 纵向筋1218箍筋ϕ10@100 纵向筋1218箍筋ϕ10@100
SW4(SW5、SW6) 内侧砼层双层钢筋网:水平筋10@100,竖向筋12@150;外侧砼层单层钢筋网:水平筋10@100,竖向筋12@150;空间斜筋4@150 纵向筋812箍筋ϕ8@70 同上 同上
SW7(SW8、SW9) 同上 同上 同上 同上

混凝土夹芯剪力墙的混凝土强度等级为C40,轴心抗压强度fc=19.1 N/mm2,弹性模量Ec=3.25×104 N/mm2,泊松比υ=0.2.墙板内受力钢筋及空间斜向钢筋均采用HRB335,弹性模量Es=2×105 N/mm2,泊松比υ=0.3,其屈服应力Qs=335 N/mm2;墙板内箍筋采用HPB300,弹性模量Es=2.1×105 N/mm2,泊松比υ=0.3,其屈服应力Qs=300 N/mm2.加载梁和基础受力钢筋采用HRB400,弹性模量Es=2×105 N/mm2,泊松比υ=0.3,其屈服应力Qs=400 N/mm2.相变材料层密度ρ=900 kg/m3,弹性模量Ex=10 N/mm2,泊松比υ=0.2.混凝土夹芯剪力墙的概念构造图、轴测图及钢筋骨架见图 1.

图 1 夹芯剪力墙的构造图、轴测图和钢筋骨架 Figure 1 Constructional drawing, axonometric drawing and reinforcement skeleton of sandwich shear wall
2 有限元模型分析 2.1 材料本构关系

本文混凝土采用损伤塑性模型[6],该模型中包括混凝土受压、受拉应力—应变曲线及基本参数设置三部分.钢筋采用理想弹塑性模型[7],不考虑应变强化.

2.2 侧向承载力模拟及分析 2.2.1 骨架曲线的模拟

作为对比,本节首先模拟了不同的轴压比作用下传统剪力墙SW1、SW2和SW3的骨架曲线(推至最大层间位移角为2%),见图 2,其中轴压比的变化范围为0.1~0.3.混凝土夹芯剪力墙在不同的轴压比作用下的骨架曲线(推至最大层间位移角为2%)的模拟结果分别如图 34所示.各个剪力墙的侧向荷载承载力模拟结果如表 3所示.

图 2 不同轴压比下传统剪力墙的骨架曲线 Figure 2 Skeleton curves of traditional shear walls under different axial pressure ratios
图 3 不同轴压比下混凝土夹芯剪力墙的骨架曲线 Figure 3 Skeleton curves of sandwich shear walls under different axial pressure ratios
图 4 不同轴压比下混凝土夹芯剪力墙的骨架曲线 Figure 4 Skeleton curves of sandwich shear walls under different axial pressure ratios
表 3 不同轴压比作用下各个剪力墙的侧向承载力 Table 3 Lateral bearing capacity of every shear wall under different axial pressure ratios
对比内容 试件编号
SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 SW7 SW8 SW9
轴压比 0.157 0.209 0.262 0.157 0.209 0.262 0.157 0.209 0.262
侧向承载力/kN 416.2 464.4 509.0 791.6 814.5 836.8 402.1 440.8 476.2

一般来说,试验的侧向力-顶点位移的滞回曲线与矩形截面剪力墙的单调加载试验结果一致,因此,采用弹塑性分析法研究剪力墙的结构性质避免了滞回分析的困难,传统钢筋混凝土剪力墙和混凝土夹芯剪力墙都是用这种静力非线性分析法来分析的[8].

图 2~4表 3所示,因为本文研究的是小轴压比(0.1~0.3)下剪力墙的侧向承载力,无论对于传统剪力墙,还是对于混凝土夹芯剪力墙而言,构件的侧向承载力都是随着轴压比的增加而增加.传统剪力墙与混凝土夹芯剪力墙不同的是增加的幅度不太一样,混凝土夹芯剪力墙相对于传统剪力墙的侧向承载力随着轴压比增加而增加的幅度略小.当然可以明显地看出,传统剪力墙与混凝土夹芯剪力墙(SW7,SW8,SW9)侧向承载力基本一致.但是混凝土夹芯剪力墙(SW4,SW5,SW6)侧向承载力明显高于其他2组,主要是源于混凝土夹芯剪力墙(SW4,SW5,SW6)内侧混凝土层厚度较混凝土夹芯剪力墙(SW7,SW8,SW9)大,而内侧混凝土层较外侧混凝土层对于提高侧向承载力作用更明显,因而增加内侧混凝土层厚度有利于提高混凝土夹芯剪力墙的侧向承载力.

通过对上述剪力墙在不同轴压比作用下的侧向荷载承载力对比分析可知:在小轴压比下,混凝土夹芯剪力墙的侧向承载力随着轴压比的增加而增加.混凝土夹芯剪力墙的内侧混凝土厚度对剪力墙的侧向承载力影响大.

2.2.2 峰值Mises应力云图

当轴压比为0.157时,传统剪力墙SW1、混凝土夹芯剪力墙SW4和SW7的峰值Mises应力云图的模拟结果如图 5所示.

图 5 SW1、SW4和SW7的Mises应力云图(轴压比:0.157,单位:MPa) Figure 5 Nephograms of Mises stresses of SW1, SW4 and SW7 (axial pressure ratio: 0.157, unit: MPa)

图 5中可以看出,在同一轴压比下,混凝土夹芯剪力墙和传统剪力墙达到Mises峰值应力值时,Mises应力云图基本一致,但其上限较传统混凝土小.

2.3 协同工作特性 2.3.1 等效塑性应变云图

材料的等效塑性应变(PEEQ)是用来表示材料非弹性变形的标量.如果该变量大于0,则材料屈服.图 6是剪力墙SW3、SW6和SW9的最大层间位移角为2%时的等效塑性应变云图,由等效塑性应变分布可以对比混凝土受压部分塑性累积损伤情况.图 6中等效塑性应变云图中颜色较深的区域为塑性应变较大的区域.由图 6知,传统剪力墙SW3主要在墙脚处形成主受压区;夹心剪力墙SW9与SW3类似,其下部墙脚处塑性应变较大形成主受压区;而夹心剪力墙SW6塑性应变集中于剪力墙下部的整个截面.对比各剪力墙的最大等效塑性应变值,夹芯剪力墙SW6仅约为传统剪力墙SW3的50%,夹芯剪力墙SW9约为传统剪力墙SW3的80%.

图 6 SW3、SW6和SW9的等效塑性应变云图(轴压比:0.262) Figure 6 Nephograms of equivalent plastic strains of SW3, SW6 and SW9 (axial pressure ratio: 0.262)
2.3.2 平面内水平位移云图

矩形截面的剪力墙平面内水平位移云图的分布可以判定剪力墙平面内变形的均匀程度.图 7是剪力墙的最大层间位移角为4.6%时水平位移云图.从图 7的情况可知,基于相变技术的混凝土夹芯剪力墙的平面内位移沿夹芯剪力墙高度分布很均匀,表明在空间斜向钢筋和钢筋骨架共同作用下内外侧混凝土层变形一致,协同工作性能好.

图 7 SW4~SW9的水平位移云图(单位:mm) Figure 7 Nephograms of horizontal displacements of SW4 to SW9 (unit: mm)
2.3.3 钢筋骨架应力云图

图 8是剪力墙SW2、SW5和SW8的最大层间位移角为2%时钢筋骨架应力云图,图中红色部分表示钢材已经屈服.由图 8可知,对比传统剪力墙结构,混凝土夹芯剪力墙钢筋骨架的应力状态与其基本一致.而夹芯剪力墙SW5屈服的区域较另外2个剪力墙少,且SW5右下墙角略好于SW2和SW8,说明增加内侧混凝土层厚度有利于延缓钢筋屈服的进度,使其变形性能更良好.

图 8 SW2、SW5和SW8的钢筋骨架应力云图(轴压比:0.209,单位:MPa) Figure 8 Nephograms of Mises stresses of reinforcement skeleton of SW2, SW5 and SW8 (axial pressure ratio: 0.209, unit: MPa)
3 基于相变技术的调温节能数值模拟 3.1 结构模型描述

本节选择抗震设防烈度均为7度的3个地区,分别以寒冷气候区代表沈阳、温和气候区代表郑州和炎热气候区代表香港作为研究对象[9],对相变材料夹芯剪力墙调温和节能性能进行了模拟.本文采用EnergyPlus建筑能耗分析软件模拟相变材料对建筑模型室内热环境和能耗的改善,并以多层办公楼作为结构模型(共18层,层高为3.6 m),结构标准层见图 9.所有墙体的窗墙比均为30%,符合《民用建筑热工设计规范》的要求.本文使用的相变材料为相变温度25±1 ℃的相变石蜡,石蜡以及其他材料热物理参数详见表 4.模型建好后,使用上述3个不同气候区的典型城市的气象数据作为外边界条件参数进行模拟运算,模拟时间为1 a.

图 9 结构标准层布置图 Figure 9 Arrangements of structure standard layer
表 4 建筑材料热物性能 Table 4 Thermal physical properties of building materials
建筑材料 密度/(kg·m-3) 导热系数/(W·m-1K-1) 潜热/(kJ·kg-1)
钢筋混凝土 2 500 1.74 0
相变材料 235 0.2 180.64
砂浆 1 800 0.93 0
3.2 相变材料调温性能影响分析

本节主要研究在3种不同的气候区下,夹芯剪力墙的相变层厚度对于室内峰值温度调节作用的影响[10].考虑到相变温度对于相变材料调温性能的影响较小,为便于研究,本文选取相变温度范围为27 ℃± 1 ℃相变材料.研究发现,东侧和北侧布置夹芯剪力墙对建筑室内温度调节以及能耗节约的影响相对较小,因而本次模拟中夹芯剪力墙仅仅布置在结构的西侧和南侧,相变材料的厚度选取为5、10、15、20 mm.

郑州、沈阳和香港地区不同厚度相变材料的调温效果如图 10~12所示.

图 10 郑州地区不同厚度相变材料的调温效果 Figure 10 Effects of phase change materials with different thicknesses on thermal control in Zhengzhou area
图 11 沈阳地区不同厚度相变材料的调温效果 Figure 11 Effects of phase change materials with different thicknesses on thermal control in Shenyang area
图 12 香港地区不同厚度相变材料的调温效果 Figure 12 Effects of phase change materials with different thicknesses on thermal control in Hongkong area

1) 郑州地区

图 10中可知,在郑州地区采用相变材料夹芯剪力墙,可以使室内峰值温度降低3℃左右.随相变层厚度的增大,相变材料夹芯剪力墙对室内温度的影响能力增加,但增幅不大.

2) 沈阳地区

图 11中可知,在沈阳地区采用相变材料夹芯剪力墙,当相变层厚度较小时,相变材料调温能力不显著,但当相变材料层厚度增大到15 mm时,调温效果显著提高.由此可知,在沈阳地区,相变层厚度增大时,相变材料夹芯剪力墙对室内温度的影响力会明显增大.

3)香港地区

图 12中可知,在香港地区有无相变材料以及相变材料的厚度对于调节室内温度的影响可以忽略不计,这种现象是由昼夜温差过小而引起的.虽然相变材料夹芯剪力墙可以降低室内温度,但相变材料厚度对其影响不大,考虑到经济效应,相变材料夹芯剪力墙不适用于香港这类炎热且昼夜温差较小的城市.

3.3 相变材料节能性能影响分析

本节探究了相变材料夹芯剪力墙对减少建筑采暖制冷能耗使用的效果,主要从不同气候区、混凝土层厚度、相变层厚度和相变材料相变温度对相变材料节能效果的影响进行评估.

3.3.1 不同气候区对相变材料节能效果的评估

为便于分析不同气候区对相变材料夹芯剪力墙节能效果的影响,本研究首先假定相变材料厚度和相变温度不变,分别为10 mm和27 ℃.通过软件模拟得到办公楼的能耗值和节能值见表 5.

表 5 各个城市全年采暖制冷能耗情况 Table 5 Annual energy consumptions of every city
城市 所在气候区 QnoPCM/(kW·h) QPCM/(kW·h) Qsave/(kW·h) tsave/%
香港 炎热地区 404 142.3 395 016.6 9 125.7 2.26
沈阳 寒冷地区 1 165 709 1 103 792.3 61 893.7 5.31
郑州 温和地区 690 856.1 655 261.32 35 638.2 7.04
注:QnoPCMQPCM分别代表传统剪力墙结构的能耗值和相变材料夹芯剪力墙的能耗值.Qsave表示能量节省值.节能比tsave表示为节能量与能耗量的比值,即tsave=Qsave/QnoPCM.

表 5可以看出,当采用相变材料夹芯剪力墙时,地处寒冷气候区的沈阳节能值最大,郑州次之,香港最小.而节能比方面,郑州最优,沈阳次之,香港最低.

3.3.2 混凝土层厚度对相变材料节能效果的评估

以香港为例,保证相变层厚度和相变温度不变,调整混凝土层厚度,研究其变化对相变材料节能效果的影响.分析表明,改变内外侧混凝土层厚度后,年能耗量变化相对较小,说明内外侧混凝土层厚度对相变材料节能效果可以忽略.

3.3.3 相变层厚度和相变温度对相变材料节能效果的评估

模拟中,分别将相变温度为24、25、26、27、28 ℃的相变材料布置在相变材料夹芯剪力墙的中间层,厚度分别设置5、10、15、20 mm,分析结果见表 6.

表 6 各地区相变夹芯剪力墙节能情况 Table 6 Energy savings of sandwich shear wall with phase change materials in all regions
地区 Tpc/℃ 相变层厚度
5 mm 10 mm 15 mm 20 mm
Qsave/(kW·h) tsave/% Qsave/(kW·h) tsave/% Qsave/(kW·h) tsave/% Qsave/(kW·h) tsave/%
香港 24 4 621.14 1.14 8 598.00 2.13 12 003.70 2.97 12 946.73 3.20
25 4 502.86 1.11 8 691.61 2.15 12 107.92 3.00 13 058.26 3.23
26 4 842.81 1.20 8 992.31 2.23 12 530.97 3.10 13 578.52 3.36
27 4 856.38 1.20 9 125.67 2.26 12 771.26 3.16 13 871.87 3.43
28 4 595.42 1.14 8 550.64 2.12 11 973.77 2.96 12 967.40 3.21
沈阳 24 33 101.83 2.84 61 223.30 5.25 85 061.48 7.30 105 546.63 9.05
25 33 282.13 2.86 61 607.58 5.28 85 636.16 7.35 106 275.55 9.12
26 33 366.24 2.86 61 916.74 5.31 86 342.06 7.41 107 369.34 9.21
27 33 311.42 2.86 61 893.73 5.31 86 151.18 7.39 106 992.30 9.18
28 33 145.64 2.84 61 576.08 5.28 85 944.13 7.37 106 996.65 9.18
郑州 24 18 718.81 3.70 34 962.52 6.91 48 873.21 9.66 60 905.73 12.04
25 18 900.77 3.74 35 354.94 6.99 49 445.23 9.78 61 615.47 12.18
26 18 961.43 3.75 35 638.24 7.05 49 997.15 9.89 62 376.70 12.33
27 18 847.78 3.73 35 594.78 7.04 50 111.48 9.91 62 675.96 12.39
28 18 654.42 3.69 35 121.94 6.94 49 475.97 9.78 62 025.04 12.26

1) 香港地区

在香港地区,当相变层厚度相同,相变温度为27 ℃时,夹芯剪力墙节能效果最优.5 mm相变材料全年节能量为4 856.38 kW·h,随着相变层厚度的增加,节能量也随之增长,但相变层厚度从15 mm增加到20 mm时,节能量增长速度明显减缓,节能量增长2 000 kW·h,节能比增长0.27%.考虑到经济效益,在香港地区不宜采用过大的相变层厚度.

2) 沈阳地区

在沈阳地区,采用相变材料夹芯剪力墙节能效果较香港地区有明显增加.研究发现,沈阳地区的最优相变温度为26 ℃.并且相变层厚度对于相变材料节能效率的影响较为明显,从5 mm增长到10、15、20 mm时,节能量均有2 000 kW·h的增长,由此说明该相变材料夹芯剪力墙较为适用于沈阳地区.

3) 郑州地区

在郑州地区,当相变层厚度相同,相变温度为26、27 ℃时,节能量相近.当相变层厚度由5 mm变为10、15、20 mm时,节能效果均有较大的提高,年节能量增长量均超过12 000 kW·h.另外郑州地区的节能率在3个地区中最高.

4 结论

1) 在小轴压比下,混凝土夹芯剪力墙的侧向承载力随轴压比的增加而增加.混凝土夹芯剪力墙的内侧混凝土厚度对剪力墙的侧向承载力影响大,利于延缓钢筋屈服的进度,使其变形性能更好.在空间斜向钢筋作用下,夹芯剪力墙板两侧混凝土墙能较好地协同工作.

2) 随着夹芯剪力墙相变层厚度的增大,相变材料的调温效果均有提高,但提高的幅度与气候区的气象参数有关.

3) 从相变材料节能效果出发,夹芯剪力墙不适宜采用过厚的相变层.从相变材料调温和节能效果的角度考虑,相变材料夹芯剪力墙适合寒冷气候区和温和气候区,不适用炎热气候区.

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