随着中国建筑规模的扩大，能源问题日益凸显，政府已经深刻理解建筑节能的重要性和迫切性，将其作为优先发展的领域[1]。

外墙外保温系统（external thermal insulation system)[2]主要由保温层、保护层和固定材料组成，是固定在结构层外墙外表面的非承重保温构造。随着建筑节能理念的不断应用，作为建筑外墙的外保温单面叠合剪力墙[3]的保温性能也愈来愈受到关注。相比于传统单面叠合剪力墙，外保温单面叠合剪力墙的保温层厚度不受结构构造约束，可以使用更厚的保温板，这使得其保温性能得到提高。上述2种单面叠合剪力墙的构造如图1所示。

图1 单面叠合剪力墙的构造

外保温单面叠合剪力墙由预制内叶板、现浇混凝土、保温层、保护层及保温拉结件组成。在预制过程中，桁架连接件、保温拉结件与预制内叶板形成整体，然后保温板与预制内叶板通过保温拉结件连接形成空腔，最后在空腔内浇筑混凝土形成整体。预制内叶板和现浇构件通过桁架钢筋连接，保温层、保护层和现浇混凝土通过胶黏剂和保温锚栓连接形成一个整体，各部分协同工作。虽然外保温系统具有显著优点，但是在墙体中，锚栓及其周围区域会不同程度地产生热桥，增大墙体平均传热系数，从而增大建筑耗能。近年来，国内外针对各类锚栓的力学性能进行了试验研究[4,5,6,7,8,9,10,11]，但是对于锚栓在墙体中导致的热桥效应研究得相对较少。研究不同材料保温锚栓对墙板保温性能和温度变形产生的影响，对于工程上保温锚栓的应用及外保温技术的进一步完善具有参考意义。因此，本文通过有限元软件ABAQUS分别对采用不锈钢保温锚栓、FRP保温锚栓及钢-纤维复合保温锚栓的外保温单面叠合剪力墙进行研究，得到不同材料的保温锚栓对墙体热工性能的影响，并提出保温锚栓的布置建议。

1、工况分析

冬季室外温度较低，往往需要在室内采取供暖措施。在这个过程中，保温锚栓及其周围区域会不同程度地产生热桥，结果将导致墙体的平均传热系数增大，从而造成能源的浪费。本文利用有限元软件ABAQUS，对采用3种不同材料的保温锚栓墙体建立三维稳态温度-位移耦合模型，计算其温度场，并对其热工性能进行对比分析。

2、有限元模型

2.1 有限元模型建立

利用有限元软件ABAQUS建立4个外保温单面叠合剪力墙模型，尺寸均为1 900 mm×2 100 mm×350 mm，其中混凝土层厚度为200 mm、挤塑聚苯乙烯（XPS）保温板厚度为90 mm、岩棉板厚度为60 mm，分别为SW-0～SW-3。为了对比保温锚栓对墙体传热系数的影响，SW-0不布置拉结件及保温锚栓，SW-1～SW-3布置尼龙拉结件和不同种类的保温锚栓。SW-1～SW-3的有限元模拟参数见表1。拉结件与保温锚栓的示意如图2所示。外保温单面叠合剪力墙如图3所示。

表1 SW-1～SW-3的有限元模拟参数

图2 拉结件与保温锚栓的示意

2.2 材料参数

模型中使用的材料热工性能参数依据《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—2016)[12]与《建筑材料热物理性能与数据手册》[13]选取，见表2。

图3 外保温单面叠合剪力墙

表2 材料热工性能参数

2.3 温度场设置

本文以北京地区为例，依据《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—2016)[12]的规定，在冬季室内长时间供暖的情况下，室内设计温度设置为18℃，室外设计温度设置为-7℃。墙体内外表面与空气存在对流换热，设置墙体内表面对流换热系数为8.7 W/（m2·K），墙体外表面对流换热系数为23.0 W/（m2·K）。此外，为了简化计算，不考虑热辐射以及接触热阻的影响。

2.4 边界条件和网格划分

混凝土墙体四周设置固定约束，限制墙体长、宽方向的位移和转角，假设预制内叶板、现浇混凝土、XPS保温板和竖丝岩棉板相互之间均紧密结合[14,15]，采用绑定接触，保证材料之间能有效传热，尼龙拉结件和保温锚栓通过设置“内置区域”嵌入整个模型。

混凝土层、保温层、保温锚栓采用八节点温度-位移耦合实体单元C3D8T，混凝土墙体中的钢筋采用桁架单元T3D2T。采用结构化网格划分方法对墙体进行网格划分，如图4所示。在保证边界条件不变的前提下，逐步细化网格，分别建立网格数量为974、2 052、3 192个的仿真模型，并对其进行计算，比较沿墙体厚度方向的最大热流密度。以SW-1为例，对比发现，当网格数量为974个时，计算得出的墙板最大热流密度为17.82 W/m2，然而，当网格数量为2 052个和3 192个时，计算得出的墙体最大热流密度分别为44.44、42.88 W/m2，误差在5%以内，证明当网格数量大于2 052个后，其对计算结果的影响可以忽略不计，模拟具有网格独立性。本文模型的网格划分数量为2 052个，以求在保证计算精度的前提下降低计算成本。

图4 网格划分

2.5 有限元模型验证

Zhai等[16]设计制作了4块带有复合式连接件的预制夹心混凝土墙（试件编号分别为PU-80-Y、PU-80-N、PU-100-Y、EPS-100-Y），并使用热箱-热流计法对其传热过程进行了测试，获得了墙体的内、外表面温度和内表面热流密度，并计算得到了其传热系数。该墙体由内、外叶混凝土、复合式连接件以及保温层组成，其构造和尺寸如图5所示。

图5 构造和尺寸mm

采用本文有限元模型对Zhai等[16]的试验进行模拟，并选取传热系数试验值与模拟值进行对比，见表3。由表3可知：传热系数试验值与模拟值的相对误差均在10.0%以内，证明本文建立的三维稳态传热模型是准确可靠的。

表3 传热系数试验值与模拟值的对比

3、数值模拟研究

3.1 保温锚栓种类对墙板热工性能影响分析

为了更清晰地展示保温锚栓周围的热流分布，在墙板保温锚栓布置区域进行纵向剖切，墙板热流分布如图6所示。从图6中可以看出：无保温锚栓墙体SW-0各区域热流分布均匀，无热桥效应，为一维传热；SW-1～SW-3的热流密度在保温锚栓附近均有增大的现象，存在热桥效应，其中采用不锈钢保温锚栓墙体SW-1的热桥效应最为明显。保温锚栓的存在使得热量在墙体中的传递呈现明显的多维效应，靠近锚栓的区域，热流密度急剧变化。

图6 墙板热流分布W/m2

Fig.6 Wall panel heat flow distribution

根据文献[17]的方法，提取墙体内、外表面温度和各节点热流密度，根据式（1）计算墙体的传热系数。传热系数模拟结果见表4。

式中：K为墙体传热系数，q为热流密度，Tah、Tac分别为墙体内、外侧空气温度。

从表4可以看出：相较于无保温锚栓墙体SW-0，采用不锈钢保温锚栓、FRP保温锚栓、钢-纤维复合保温锚栓的墙体SW-1～SW-3的传热系数分别提高了15.9%、0.4%和8.6%，因此，保温锚栓的材料对墙板的传热系数有着重要影响。SW-2热桥区域最大热流密度相较于墙体平均热流密度仅提高了16.2%，因此，可以忽略FRP保温锚栓的热桥效应；SW-3热桥区域最大热流密度相较于SW-1降低了35.1%。结果表明，采用FRP保温锚栓的墙体保温性能最好，外裹FRP可以有效降低不锈钢保温锚栓造成的热桥效应。

表4 传热系数模拟结果

在墙体中，保温锚栓不仅自身形成热桥，还对周围墙体产生影响，受影响的这部分区域被称为热桥影响区域，通常使用温差比来计算热桥影响区域[18,19]。稳态条件下，由式（2）计算外墙内任意一点P的温差比ξ。

式中：ti为室内空气温度，θP为P点温度，te为室外空气温度。

热桥影响区域的判定，需满足式（3）、（4）。

式中：ξi、ξi'分别为正常部位和热桥影响部位内表面温差比，ξe、ξe'分别为正常部位和热桥影响部位外表面温差比。

本文中，取墙体外表面的温差比对热桥影响区域半径进行确定。各墙体热桥影响区域模拟结果见表5。从表5可以看出：不锈钢保温锚栓、FRP保温锚栓、钢-纤维复合保温锚栓造成的热桥影响区域分别占墙体总面积的35.4%、0.3%和19.1%。FRP保温锚栓造成的热桥影响区域过小，可以忽略不计；相比于不锈钢保温锚栓，钢-纤维复合保温锚栓造成的热桥影响区域降低了46.2%。结果表明，FRP保温锚栓造成的热桥影响区域最小，外裹FRP可以有效减小不锈钢保温锚栓造成的热桥影响区域。

表5 墙体热桥影响区域模拟结果

3.2 墙体抗结露性能分析

在冬季供暖工况下，由于室外温度较低，同时室内相对湿度较高，墙体内表面可能出现结露现象，尤其是在热桥区域。《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—2016)[12]规定应对墙体内部进行抗结露性能的验算，为了避免围护结构出现结露现象，墙体内表面温度需要高于室内露点温度。

本文以相对湿度为60%为例，室内计算温度为18℃，根据焓湿图可以得出室内露点温度为10.2℃。提取墙体内表面所有节点对应温度，将其与露点温度进行对比。各墙体内表面温度分布如图7所示。从图7可以看出：无保温锚栓墙体SW-0和采用FRP保温锚栓墙体SW-2内表面各节点温度均相等；采用不锈钢保温锚栓墙体SW-1和采用钢-纤维复合保温锚栓墙体SW-3在布置锚栓区域的内表面节点温度虽略低于无锚栓区域，但均远高于露点温度（10.2℃）。结果表明，本文采用3种保温锚栓的墙体在冬季均满足抗结露要求。

3.3 温度荷载作用下保温锚栓应力分析

由于混凝土墙板与XPS保温板接触面温差较大，并且保温材料刚度明显小于混凝土刚度，因此保温锚栓在二者接触处存在应力集中现象。为了更好地展示保温锚栓的应力分布，对锚栓进行纵向剖切，锚栓的应力分布如图8所示。从图8可以看出：不锈钢保温锚栓、FRP保温锚栓、钢-纤维复合保温锚栓的最大应力分别为34.14、11.91、41.16 MPa，均小于其材料的屈服应力，各锚栓处于弹性阶段，未产生塑性应变。结果表明，本文采用的3种保温锚栓在温度荷载作用下的受力性能均满足要求。

图7 墙体内表面温度分布℃

3.4 保温锚栓排布间距对墙体热工性能的影响分析

为了研究保温锚栓排布间距对外保温单面叠合墙体传热系数的影响，取保温锚栓排布间距为300～700 mm进行分析，如图9所示。

墙体传热系数和保温锚栓造成的热桥影响区域占比的变化规律分别如图10、11所示。从图10、11可看出：随着保温锚栓排布间距的减小，SW-1和SW-3的传热系数和热桥影响区域占比逐渐增大，由FRP保温锚栓造成的热桥效应较小，几乎可忽略不计，因此SW-2无明显变化；当保温锚栓排布间距由700 mm减小到300 mm时，SW-1和SW-3的传热系数分别增大了19.7%和14.6%；当保温锚栓排布间距小于500 mm时，墙体传热系数和热桥影响区域占比的变化更明显。由此可知，在满足结构要求的前提下，增大保温锚栓排布间距可在一定程度上改善墙板的保温性能。

图8 锚栓的应力分布MPa

3.5 保温锚栓直径对墙体热工性能影响分析

在有限元模型中，保温锚栓直径取为8、10、12、14、16、18 mm，锚栓直径的变化对墙体传热系数和热桥影响区域占比的影响如图12、13所示。从图12、13可以看出：随着锚栓直径的增大，SW-1和SW-3的传热系数和热桥影响区域占比逐渐增大，由于FRP保温锚栓造成的热桥效应较小，几乎可忽略不计，因此SW-2无明显变化；当锚栓直径由8 mm增大到18 mm时，SW-1和SW-3的传热系数分别增大了20.4%和13.6%；当保温锚栓直径大于14 mm时，墙体传热系数和热桥影响区域占比的变化更明显。由此可知，在满足结构要求的前提下，减小锚栓直径可在一定程度上改善墙板的保温性能。

图9 不同间距锚栓排布mm

图1 0 传热系数-保温锚栓排布间距曲线

图1 1 热桥影响区域占比-保温锚栓排布间距曲线

图1 2 传热系数-保温锚栓直径曲线

图1 3 热桥影响区域占比-保温锚栓直径曲线

4、结论

本文对无保温锚栓、采用不锈钢保温锚栓、采用FRP保温锚栓和采用钢-纤维复合保温锚栓的外保温单面叠合剪力墙的热工性能进行了对比分析，主要得到以下结论：

1）保温锚栓附近存在热桥效应，导致墙体内部的热量传递呈现明显的多维效应；与无保温锚栓的墙体相比，采用不锈钢保温锚栓、FRP保温锚栓和钢-纤维复合保温锚栓的墙体平均传热系数分别提高了15.9%、0.4%和8.6%；不锈钢保温锚栓、FRP保温锚栓和钢-纤维复合保温锚栓造成的热桥影响区域占比分别为35.4%、0.3%、19.1%。

2）采用3种保温锚栓的墙体内表面各节点温度均远高于露点温度，满足抗结露性能要求；不锈钢保温锚栓、FRP保温锚栓、钢-纤维复合保温锚栓在温度荷载作用下的最大应力分别为34.14、11.91、41.16 MPa，均小于其自身材料的屈服强度，其受力性能满足要求。

3）随着保温锚栓排布间距的减小以及保温锚栓直径的增大，墙体的平均传热系数和热桥影响区域的占比均呈现增大的趋势，上述现象将导致墙体的保温性能降低。

4）对于传热系数较大的不锈钢保温锚栓，外裹FRP可以减少热量传递，有效降低热桥效应。

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文章来源:苏宇,程蓓,蒋航军.保温锚栓对外保温单面叠合剪力墙热工性能的影响研究[J].四川建筑科学研究,2024,50(03):100-108.