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被动式装配复合墙结构抗震性能与全寿命优化设计研究

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5.1.2 防护热箱试验

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传统建筑外墙外保温技术现场高空作业量大、施工难度高、施工质量难以保证，保温层设计使用寿命一般情况下只有15～25年，保温板在使用寿命结束后容易产生大量的建筑垃圾，二次施工易产生裂缝、空鼓、渗漏、脱落等质量隐患，使用过程中火灾安全事故的发生概率较大，同时不能适应建筑产业化的需求。基于课题组前期相关研究成果，提出被动式装配复合墙结构，以试验研究、理论分析与数值模拟相结合的研究手段，重点开展新型保温材料优化配比研究、保温承重一体化墙体抗震及热工性能分析、结构弹塑性地震反应分析、建筑能耗分析以及建筑全寿命优化设计模型研究等工作，为被动式装配复合墙结构的设计应用及社会推广奠定基础。主要的研究内容如下： （1）纤维增强EPS保温砂浆力学及热工性能试验研究 通过开展纤维增强EPS保温砂浆7因素3水平正交试验研究，揭示EPS颗粒含量、胶粉含量、硅灰含量、甲基纤维素醚、防水剂、减水剂、纤维掺量对纤维增强EPS保温砂浆强度的影响规律，基于不同性能指标，提出纤维增强EPS保温砂浆最优配合比的各个掺量建议值。基于纤维增强EPS保温砂浆的应力—应变全曲线的特征，以连续损伤力学理论和塑性理论为基础，同时考虑塑性与损伤的藕合关系，提出符合纤维增强EPS保温砂浆单轴受压损伤本构模型，为纤维增强EPS保温砂浆在保温承重一体化复合墙体中的分析与应用提供理论依据和研究基础。 （2）保温承重一体化复合墙体抗震性能试验研究 对3榀保温承重一体化复合墙体（纤维增强EPS保温砂浆夹芯保温、XPS夹芯保温、发泡水泥外保温）与1榀普通装配式复合墙体进行1/2比例模型同尺寸拟静力试验，研究保温承重一体化复合墙体的受力特点及破坏机制，对比保温承重一体化复合墙体的承载力、滞回特性、延性、刚度退化和耗能等抗震性能指标。试验结果表明：4榀墙体在破坏阶段具有较强的抗倒塌性，破坏形式均为弯剪型破坏，保温承重一体化复合墙体有更强的耗能能力，尤其是纤维增强EPS保温砂浆夹芯保温复合墙体，其标志性荷载值明显高于其他墙体，夹芯保温层对墙身裂缝开展具有一定程度的抑制作用，内叶墙板与保温层系统能够相互作用，整体性能良好。 （3）被动式装配复合墙结构弹塑性地震反应分析 基于墙体试验研究，结合结构构造及受力特点，提出被动式装配复合墙结构的全阶段计算模型—刚架-等效复合板弹塑性力学模型。利用层叠合板理论和复合材料理论，选取代表性体积单元，利用代表性体积单元的等效材料特性将复合墙体简化为材料均匀的各向异性等效弹性板，采用多段线塑性连接单元，建立刚架-等效复合板弹塑性力学模型，并通过振动台试验结果验证模型的有效性。结合装配式复合墙结构工程实例，对比分析基于不同保温材料的被动式装配复合墙结构在地震反应作用下的位移、加速度等抗震性能指标。研究结果表明：被动式装配复合墙结构的全阶段简化计算模型—刚架-等效复合板弹塑性力学模型能够保持结构原有的受力特性，同时极大的简化了模型计算量，并能较好地模拟被动式装配复合墙结构弹塑性阶段的破坏过程及动力特性，模型可适用于该结构的非线性动、静力计算分析。 （4）被动式装配复合墙结构住宅建筑能耗对比分析 基于组合壁热阻公式，推导装配式复合墙板热工参数的计算公式，与防护热箱试验结果对比，验证公式有效性。基于层叠合板理论，将保温承重一体化复合墙体简化为热工串联等效单元体，推导相关热工参数的计算模型，与ANSYS三维稳态传热模拟结果对比，验证公式有效性。对比分析装配式复合墙板与不同保温材料（纤维增强EPS保温砂浆夹芯保温、XPS聚苯板夹芯保温、发泡水泥外保温）的保温承重一体化复合墙体的热工指标及热桥指标。以西安地区的气候条件为基础，通过DesignBuilder建筑能耗模拟，进行被动式装配复合墙结构住宅空调季、采暖季以及全年建筑能耗对比分析。研究结果表明：纤维增强EPS保温砂浆夹芯保温复合墙的传热阻明显高于其他保温形式的装配式复合墙，是普通装配式复合墙传热系数的1/3，热阻效果较好。保温承重一体化复合墙各个热桥部位结露点均大于西安市最小结露点，因此不会出现结露现象。被动式装配复合墙结构住宅全年建筑能耗均小于无保温装配式复合墙结构住宅，其中纤维增强EPS保温砂浆夹芯保温复合墙结构住宅全年建筑能耗最小，最大相对节能率达17.76%。 （5）被动式装配复合墙结构住宅全寿命优化设计方法研究 基于结构抗震及热工性能分析结果，结合被动式建筑整合设计策略，提出适用于被动式装配复合墙结构住宅体系的全寿命周期优化设计方法，建立决策优化与结构优化两层次、节能与抗震双目标的优化设计模型，以建造成本、维护成本、灾害损失、运行成本、修复成本等建筑全寿命周期费用最小化为优化目标，通过BP神经网络对模型进行优化逼近，结合装配式复合墙结构实际工程项目进行被动式细部优化设计以及全寿命费用分析。研究结果表明：被动式装配复合墙结构住宅在建筑全寿命周期的技术集成及应用，有效的提高了构件预制率及施工装配化率，避免了建筑保温施工质量通病，实现了建筑保温与结构设计同寿命，其全寿命周期费用较普通装配式复合墙结构住宅节约9.52%，较传统结构形式节约费用15%以上，为被动式装配复合墙结构住宅的社会推广及投资决策提供参考依据。 本文的主要创新之处： （1）配置纤维增强EPS保温砂浆，研究保温承重一体化复合墙体受力机理及破坏机制 采用正交试验研究方法，配置纤维增强EPS保温砂浆，研究其基本力学性能，确定其破坏准则和损伤本构模型，为纤维增强EPS保温砂浆在保温承重一体化复合墙体中的应用提供理论依据及研究基础。通过拟静力试验，研究保温承重一体化复合墙体的抗震性能，为结构全寿命优化设计提供依据。 （2）建立被动式装配复合墙结构全过程简化数值模型—刚架-等效复合板弹塑性力学模型 基于结构构造及受力特点，选取代表性体积单元，利用层叠合板理论和复合材料理论，将保温承重一体化复合墙简化等效为材料均匀的各向异性等效弹性板，结合材料属性，建立被动式装配复合墙结构的全阶段计算模型—刚架-等效复合板弹塑性简化力学模型，用于该结构的非线性动、静力全过程分析。 （3）建立保温承重一体化复合墙体热工计算模型，研究被动式装配复合墙结构住宅热桥损失及建筑能耗规律 基于组合壁热阻公式及层叠合板理论，选取代表性墙体单元，利用等效材料属性，将墙体简化为匀质热工等效单元体，推导装配式复合墙板及保温承重一体化复合墙体热工参数的计算公式，进行墙体热桥分析，对比建筑能耗机制，为被动式装配复合墙结构建筑节能设计提供依据。 （4）提出被动式装配复合墙结构住宅全寿命两层次双目标优化设计方法，整合装配式复合墙结构住宅被动式集成设计技术 基于结构抗震及热工性能分析结果，提出适用于被动式装配复合墙结构住宅的全寿命周期优化设计方法，建立决策优化与结构优化两层次、节能与抗震双目标的建筑优化设计模型，对影响指标进行量化分析，通过BP神经网络对模型优化逼近，进行装配式复合墙结构住宅被动式细部优化设计，为新型结构住宅的社会推广及投资决策提供依据。

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