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粉煤灰加气混凝土墙体温度及节能效应研究




图2-6屋面板不同温度面之间的约束图2-7梁不同温度面的约束

对外部约束导致的裂缝一般可以采用设计方面与施工方面进行控制,目前大部分对这种裂缝的措施为“放”、“抗”以及“抗、放结合”等。对结构构件的内部约束主要材料的性能以及施工方面进行控制,如混凝土结构主要从选用不同的水泥、配制合适配合比以及相应的施工工来控制其内部约束。

2.2温度作用及其分布规律

在建筑工程中,建筑物多数的变形裂缝与温度的作用有直接的关系。加气混凝土墙体的变形裂缝也与温度作用有着直接相关联的关系。

2.2.1温度作用分类
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建筑物的围护结构与大气空气接触,围护结构属于是露天的结构构件,在个各种自然环境条件变化下,围护结构构件的表面及其内部各点的温度分布随着自然气候的变化而变化[15]。建筑物所在不同的地理位置(南方、北方),其围护结构构件的表面与内部的各点的温度变化不同;在不同地形地貌(高原、平原、山川)上的建筑物的围护结构构件,其相应的温度变化不同;建筑物的方位以及其朝向(朝北、朝南)也能引起围护结构构件的温度变化的不同;在不同的季节(春、夏、秋、冬)中,建筑物的围护构件的温度变化也不同;同时结构构件的温度变化也与气候变化有一定的关系,常见的气候变化以太阳辐射强度、云、雾、雨、雪等为主。在建筑物的内外表面与周围大气空气进行多种方式的热交换,其交换过程十分复杂,这些热交换以辐射、对流与传导中多种形式进行交换,因此其温度作用以及其分布的形成相对复杂。对建筑来说由环境条件变化引起的建筑物的温度作用基本可分为三类:日照温度作用、骤然降温温度作用以及年温温度作用。由自然环境条件变化引起建筑的温度作用是客观存在,而且难以消除。此外,也有非环境条件造成的温度作用:如在浇筑大体积混凝土结构的施工中,由于混凝土水化热引起的温度作用;烟囱中高温烟气产生的温度作用等等。温度变化这类作用不是直接以力(包括集中力和分布力)的形式出现,也称为“温度荷载”,目前国际上仍有不少国家将“荷载”与“作用”等同采用。因此本文按我国《建筑结构荷载规范》(GB5009-2012),称之为温度作用[16]。

2.2.1.1日照温度作用

建筑物日照温度主要与建筑的地理位置的纬度、建筑物的方位及朝向、建筑所在位置的地形、天气变化、风速、地面反射、太阳辐射等众多因素有关[17]。从而,由日照引起建筑围护结构构件的表面和内部温度分布函数是一个复杂的随机变化的函数。结构表面温度变化又受到建筑物朝向不同具有明显的变化,太阳辐射使结构构件表面的局部出现高温区,又有由结构材料热传导非均匀特性使得温度在结构内部温度的传递不均匀,从而其温度分布函数解很难直接求得,基本采用近似数值解做为函数的解。在结构所处地的地形条件以及地理位置、方位角、时间这些条件一定时,其太阳辐射强度、气温和风速是影响建筑物日照温度分布函数的主要因素。当日照温度达到最大值时,此时风速对温度的影响几乎可以忽略,其风速近乎等于零。从而,设计控制温度分布函数的变量为:太阳辐射与气温变化,它们可以通过统计学以及观测得到相应的数值,工程实际中,我们可以从气象站的观测资料中查到相应的值。
2.2.1.2骤然降温的温度作用

在实际工程中,每天日落时引起的降温、暴晒时突然带来的冷空气尤其是暴雨的天气侵袭引起的大幅度降温以及建筑物在遭受火灾时喷水救火引起的降温等情况下,会造成结构表面出现骤然降温的温度作用[18]。气候中的冷空气侵袭会造成结构构件的表面迅速降温,在我国南方地区平均降温速度为1℃/h,其最大降温速度为4℃/h,与日照升温速度10℃/h相比较慢。而暴晒时突然暴雨与火灾喷水救火的降温速度在这几种情况中最快,其降温速度高达100℃/h以上。从而造成结构构件的内高外低的温度作用,使其结构构件表面出现极为严重的裂缝,影响建筑物的使用。

2.2.1.3年温温度作用

对于变化均匀缓慢的年温温度,使相应的结构温度作用变化较为缓慢均匀。因此,对建筑物年温温度变化影响,通常按建筑物的平均温度考虑[19]。年均温差为最高月平均温度与最低月平均温度两者的差值,即年温度变化幅度。相对来说,年温变化缓慢,但其温度变化幅度较大,往往在工程竣工后就出现一些裂缝,通过研究表明这种裂缝基本上是由年温温度作用引起的结构裂缝。

2.2.2温度分布的影响因素

结构构件由于材料的特性、外界太阳辐射热以及气温变化等影响下,使得结构构件各点处于不同的温度情况,随时在变化。在固定的某一时刻其结构各点的温度状态,它包含结构构件各点相应温度的大小与其相应的分布规律,影响温度状态的因素主要有两个方面:外部条件与内部条件。2.2.2.1外界条件方面与大气接触的建筑物,受大气气候温度变化的影响,如太阳辐射、夜间降温、风、雨以及寒流等等[20],这些气象气候随时随地都在变化。通常一年中,七、八月中午气温最高,且极值出现在无云、无风、干燥高气压的时刻,而一、二月份的夜间气温最低。建筑物各点的温度分布情况受其方位、朝向的影响。例如,在太阳辐射最强的时刻,大概在每天下午2点左右,使得结构的水平表面温度达到最高,其温差最大为南面与北面。结构垂直表面则受其朝向的影响,朝东表面在上午10点左右与朝西表面则在下午5点左右时,结构表面的温度达到最大值,此时结构厚度方向出现最大温差,而梁板结构终日不受日照影响的底部表面,其日温度保持不变。

通常来说,海洋性气候地区相比大陆性气候地区的日照与结构的年温差均较小。由于城市空气浑浊,建筑物表面的年温差比山区较小。但处于深山峡谷中的建筑物,由于不受日照的影响,表面与内部温差随季节缓慢变化或随寒流降温而变化。2.2.2.2内部条件方面
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当结构外表面温度急变时,由于不同的材料有着不同热性能,使结构内部各点的温度变化不同,导热系数很小的材料,内部的温度变化较缓慢,与导热系数较大的材料相比有明显的滞后现象。在单位时间内,通过单位厚度的热量也小很多,造成结构构件不同的材料得到的热量不同,在结构构件沿厚度方向形成非均匀的温度状态。建筑物形状对温度分布也有一定影响。对于水平箱梁结构来说,其顶板表面的温度分布相对较均匀,而其腹板表面的温度分布则随时变化。又如竖向筒体结构,其垂直表面的温度随着朝向变化,就圆筒结构而言,随太阳方位角的改变而变化,但变化是连续的。

建筑物表面颜色的深浅,对吸收日辐射的影响较大,深者吸收热量大,反之则小。因此改变建筑物表面的颜色,可以降低建筑物表面的温度。如采用浅色的屋面代替暴露在外的黑色沥青油毡屋面。又如采用种植屋面或蓄水屋面,则屋面结构的温度以及作用效应可大为减轻。材料本身的性能对结构构件的温度分布也有影响,选择适当的材料做结构构件用于适当位置,也能减小温度作用效应。

2.2.3温度分布规律

通过实测,可以得到各种结构,某一特定时刻的温度分布曲线[21]。为了解决结构温度作用,有必要控制结构设计的最不利温度场,或近似最不利温度场。在大气接触的结构构件中,温度作用效应产生的温度应力,有时会超过荷载应力。因此,工程界已日益重视温度作用对结构的影响。

2.3温度场基本理论

加气混凝土墙体的温度场所受影响因素有很多,热传递的方式也有很多,建筑物中的热量传递也十分复杂。温度场按照其空间分布可以分为一维温度场、二维温度场与三维温度场[22],依据时间分布对温度场影响分为稳态温度场及瞬态温度场。

2.3.1热传递的基本原理

传热学是一门研究热量传递规律的学科,依据热力学第二定律,一旦有温差存在,热量将会从高温传向低温。传热在自然界中最普遍存在的现象之一,在工农业生产、国防建设和社会生活等多方面领域都有着相应地广泛应用[23],如在建筑、机械、石油、矿山、船舶、航空、热能动力、环境保护等均与传热学密不可分。不同形式热能转移现象称之为传人。由于传热原理的不相同,则有有三种传热方式:导热、对流、辐射,

这三种形式的传热可以分别单独存在,而在实际情况中传热形式以两种或两种以上组合出现。