带双梁的框架结构节能体系及其热工性能分析

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摘要：对框架结构进行了改进，提出了一种带双梁的框架结构节能体系，并对该体系及其技术原理进行了介绍.用Fluent软件建立三维稳态传热模型，对梁、柱的热工性能进行了计算分析.结果表明：该体系与普通框架结构体系相比节能59%，梁、柱部分的热流量降低了79%，有效消除了梁、柱处的热桥影响，节能保温效果显著.因该体系大幅度减少结构冷热桥的出现，保证新型墙材的大面积使用，并且无须再做外墙内、外保温，避免了这些技术的诸多弊病，是一种更适合绿色生态节能建筑要求的新的结构体系.

关键词：保温；节能；带双梁的框架结构；热桥；热工性能；传热量

中图分类号：TU111.41 文献标识码：A

在目前普遍使用的框架结构、异形柱结构、剪力墙结构房屋中，框架梁、框架柱、异形柱、剪力墙均构成房屋结构冷热桥.以框架结构为例，特别在中高层建筑中，框架柱、梁的尺寸较大，导致结构冷热桥大面积存在，新型自保温墙材在建筑中的实际使用量很少.而现在比较流行的外墙保温技术有外墙外保温、外墙内保温和夹芯墙体.内保温由于保温层做在墙体内部，减少了商品房的使用面积，影响居民的二次装修，可能产生内墙体发霉和结露等现象.外保温技术也有不成熟的地方，比如施工困难、成本较高、易脱落、渗漏，使用寿命较短、维修困难、节能投资成本较高且影响外墙装饰装修等，甚至有引发火灾的危险；夹芯墙体则易产生热桥、施工相对困难、墙面裂缝不易控制、抗震性能较差.

目前国家正在积极推进墙体技术改革，工信部的《新型建筑材料工业“十二五”发展规划》中提出，“十二五”期间，墙体材料单位产品能耗降低10%，新型墙材占墙材比重从2010年的55%提高到2015年的65%.市场和国家政策都为新型建筑材料及其节能体系提供了广阔的发展空间，自隔热保温墙体材料[1-6]和建筑真空玻璃[7-8]在国内外的研究与应用已经有了很大的发展.与此同时，建筑工艺水平、人们的生活水平和环保意识也日益提高，这就要求新型建筑材料及其体系[9]向着安全、节能、环保和经济等复合功能方向发展.

带双梁的框架结构节能体系正是积极响应国家相关政策和适应建筑市场需求的实用性创新产物，是从建筑结构本身提高热物理性能的系统，是一种更适合绿色生态节能建筑要求的新的结构体系.本文主要对该体系的实现进行论述，并借鉴文献[10]对墙体保温隔热性能的分析方法，对该体系与普通框架结构的节能效果进行了对比分析.

1 带双梁的框架结构节能体系的实现

1.1技术原理

带双梁的框架结构节能体系是从主体结构（框架结构）中伸出一段挑梁（框架梁）或牛腿，在挑梁或牛腿上搭接钢筋混凝土外叶梁（类似主梁和次梁的搭接），再在外叶梁和框架梁以及挑梁或牛腿上砌筑新型自保温墙材，墙体通过拉结筋与柱子连接，使得其平面外受力性能与普通填充墙一样.为了使结构立面平整，柱的墙体厚度要比梁上的墙体厚度小.外叶梁与框架梁共同承担墙体荷载，形成双梁，中间以保温隔热材料填充，隔断其带状冷热桥，其协同工作性能将在另文中讨论.由于保温材料填充在两根梁之间，与外界完全隔开，因此其耐久性很好，保温系统能达到与建筑物同寿命，且具有良好的防火性能.新型自保温墙材砌筑而成的墙体把框架柱与外界隔开，其传热系数也大为降低.这样结构冷热桥只剩下挑梁或牛腿的断面部分，形成小面积的点状分布的冷热桥，见图1.为防止外叶梁挠度过大，结构内的次梁也可以从主体结构（框架结构）中伸出一段与外叶梁搭接，减小外叶梁的跨度.

带双梁的框架结构节能体系能大幅度减少结构冷热桥的出现，保证新型自保温墙材的大面积使用，并且无须再做外墙内、外保温，避免了这些技术的诸多弊病，可促进自保温隔热系统的真正实现.新型自保温墙材可根据工程实际需要选择陶粒混凝土砌块、加气混凝土砌块等.

1.2点状冷热桥的处理

带双梁的框架结构节能体系中，梁、柱形成的网状冷热桥消失，只在挑梁或牛腿部分断面存在点状的冷热桥.由于各地保温要求不同，可根据实际情况采取适宜的保温措施，且点状冷热桥的面积很小，只需在点状断面使用保温砂浆便能达到消除冷热桥的效果，既不影响墙体的装饰装修，也节约建材，经济适用.

2梁、柱节能分析

2.1数学模型

软件模拟计算时，室内外空气温度是确定的，为方便计算和比较，定义墙体两侧均为第一类边界条件，即取墙体壁面温度恒定计算.在计算时取外墙梁、柱交接处的一个典型单元，单元的四周边界看作绝热边界条件.

2.2基本计算参数

由夏热冬冷地区的气候特点，本文取冬季采暖条件下的稳态温度分布情况，根据定义的第一类边界条件，取墙体内表面温度为18 ℃，取墙体外表面温度为0 ℃.

普通框架梁、双梁（外叶梁和框架梁）、普通框架柱和带双梁的框架柱的水平剖面图如图2～图5所示.以梁、柱面积比为30%为例，忽略图1中位于室内的框架梁，取外墙梁、柱交接部位及其填充墙为一个单元，以梁、柱的中心轴为坐标轴分别往上下、左右延伸2 500 mm和1 250 mm，则单元的面积为5 000 mm×2 500 mm，框架梁及外叶梁高取500 mm，跨度为5 000 mm，柱宽取500 mm，高度为2 500 mm，其他具体尺寸如图2～图5所示，单元示意图如图6所示.材料的热物理性能参数见表1.

2.3分析结果及讨论

采用有限元仿真软件Fluent分别对普通钢筋混凝土框架结构体系和带双梁的框架结构体系的典型单元进行计算分析，对两者的总传热量、单位面积传热量、热桥传热量、单位面积热桥传热量进行比较，两种结构及其梁、柱的温度场分布对比分别见图7～图9，计算对比结果见表2.

（a） 普通框架

（b） 带双梁框架

从传热过程来看，由于室内外存在18℃的温差，热量从室内向室外传递，普通框架结构的梁、柱部分只有钢筋混凝土一种传热介质，是典型的热桥，热量在梁、柱部分损失很大.而对于带双梁的框架结构，热量在柱子部分的传递主要从钢筋混凝土柱子内壁到加气混凝土墙体内壁再传到室外，多了一层加气混凝土墙体保温层，热阻增加，传热减少；从梁部分传递主要是从钢筋混凝土梁内壁到中间的挤塑聚苯板，再传到外叶梁内壁，然后传到室外，中间多了一层挤塑聚苯板，热阻增大，传热减少.

从上述的计算结果来看，普通框架结构的梁、柱总传热量占整个单元总传热量的71%，热桥的能量损耗很大，而带双梁的框架结构梁、柱总传热量的比例为37%，通过梁、柱的能量损失大幅降低，降幅为48%.在外界条件一致的情况下，带双梁的框架结构单位面积的热流量为15.8 W /m2，与普通框架结构相比降低了59%，单元总的传热量明显降低；而带双梁的框架结构梁、柱单位面积热流量相较普通框架结构降低了79%，有效消除了梁、柱处的热桥影响，保温隔热效果显著.同样从温度场的分布图可以看出，普通框架结构的梁、柱是典型的热桥，而带双梁的框架结构梁、柱因经过处理，形成良好的隔断，消除了热桥的影响.

瞿燕等人[12]对大量实际工程进行统计得出外墙热桥（如梁、柱、楼板等）部分占整个外墙的面积按照建筑层数分为4类：1）4～6层：40%；2）7～11层：80%；3）12～17层：90%；4）≥19层：96%.由此可看出由于高层建筑的结构形式主要为剪力墙结构，其外墙钢筋混凝土的面积远远大于主墙体的面积，即热桥面积随着建筑层数的升高而不断增大，热桥部分的能量损耗也会相应增大.由上文的分析可知，当梁、柱面积比为30%时，带双梁的框架结构总传热量相较普通框架结构降低了59%，若随着建筑层数上升，热桥面积比重达到90%时，带双梁的框架结构梁、柱处的节能比例将达到77.4%，节能效果显著.

3结语

带双梁的框架结构节能体系，是结合现今建筑市场发展需求和国家推进节能政策的创新科研产物.该结构体系的双梁中填充保温材料，柱子有新型保温隔热墙材包围并与外界隔绝，墙体采用新型保温隔热墙材，与普通框架结构相比节能59%，梁、柱部分的热流量降低了79%，有效消除了梁、柱处的热桥影响，节能保温效果显著.

对带双梁的框架结构节能体系的设计方法及其性能的研究，为今后的新型节能体系的设计提供了新思路与依据，也有助于节能政策与新墙材的推广与应用.

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