第41卷第8期2022年8月
硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报
BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY
Vol.41㊀No.8
August,2022
钢丝网架瓦形保温屋面板及其抗弯性能研究孙诗兵1，李大运1，吕㊀锋1，王万甫1，田英良1，金晓冬1, 王英顺2，王书元2，辛柱宾2，姜立松2
(1.北京工业大学材料与制造学部，北京㊀100124;2.山东龙新建设集团，龙口㊀265700)
摘要：村镇传统民居的屋面系统多为坡屋面系统，但传统坡屋面系统施工复杂，安全性较差，保温不足，已不能满足建设新农村的需要，现设计一种新型钢丝网架瓦形保温屋面板来替代传统的坡屋面系统㊂本文从屋面板的原材料㊁瓦形㊁结构出发，选用纤维水泥基材料作为基材，钢丝网架保温复合板作为
保温层，采用Abaqus软件根据现有的瓦形建模，设计出鳞形瓦屋面板㊁波形瓦屋面板和筒形瓦屋面板㊂对以上三种瓦形屋面板进行模拟抗弯计算，选出具有最优力学性能的瓦形制作钢丝网架瓦形保温屋面板㊂本研究制作的屋面板尺寸为4500mmˑ835mmˑ185mm，自重为159kg/m2，传热系数为0.45W/(m2㊃K)㊂通过三点抗弯性能测试，在4020mm跨距下，该屋面板所能承受的最大载荷为8.70kN，实际测试弯矩为8.74kN㊃m㊂基于装配式思想制作的新型钢丝网架瓦形保温屋面板具有优良的力学性能和保温性能，为特传统村镇坡屋面系统的研究提供参考㊂
关键词：屋面板；钢丝网架板；瓦形；保温;Abaqus软件；抗弯性能
中图分类号:TU231㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-1625(2022)08-2774-11 Study on Steel Wire Grid Tile Insulation Roof Panel
and Its Bending Resistance
SUN Shibing1,LI Dayun1,LYU Feng1,WANG Wanfu1,TIAN Yingliang1,JIN Xiaodong1, WANG Yingshun2,WANG Shuyuan2,XIN Zhubin2,JIANG Lisong2
(1.Department of Materials and Manufacturing,Beijing University of Technology,Beijing100124,China;
2.Shandong Longxin Construction Group,Longkou265700,China)
Abstract:The roof system of traditional houses in villages and towns is mostly slope roof system.The traditional slope roof system has complex construction,poor safety and insufficient thermal insulation,which can not meet the needs of building a new countryside.A new type of steel wire gride tile insulation roof panel was designed to replace the traditional slope roof system.Starting from the raw materials,tile type and structure of roof panel,this paper selected fiber cement-based materials as the base material and steel wire grid insulation composite board as the insulation layer.According to the existing tile type modeling,Abaqus software was used to design the scale tile roof panel,wave tile roof panel and tubular tile roof panel.The three tile roof panels were simulated and calculated,and the tile type with the best mechanical properties was selected to make the steel wire gride tile insulation roof panel.The size of roof panel is4500mmˑ835mmˑ185mm,self weight is159kg/m2,heat transfer coefficient is0.45W/(m2㊃K).Through the three-point bending performance test,under the span of4020mm,the roof panel bear maximum load is8.70kN and the bending moment is8.74kN㊃m.The new steel wire grid tile insulation roof panel based on the assembly idea has excellent mechanical and thermal insulation properties,which provides a reference for the research of characteristic traditional village slope roof system.
Key words:roof panel;steel wire grid frame panel;tile type;heat preservation;Abaqus software;bending resistance冰鲜台
收稿日期:2022-02-24；修订日期:2022-04-07
基金项目: 十三五 国家重点研发计划(2018YFD1101000)高温锂基脂
作者简介：孙诗兵(1963 )，男，教授㊂主要从事建筑围护结构节能材料研究及其工程应用㊂E-mail:sunshibing@bjut.edu
通信作者：李大运，硕士研究生㊂E-mail:1598757549@qq
㊀第8期孙诗兵等：钢丝网架瓦形保温屋面板及其抗弯性能研究2775 0㊀引㊀言
传统坡屋面系统具有一定的保温㊁隔热㊁防水功能，不同特瓦形的坡屋面赋予乡村特有的建筑风格㊂但传统坡屋面系统构造复杂，施工劳动强度高，要求工匠技术高，保温效果不能达到现有的农村建筑节能要求[1]㊂因此，开发一种具有传统瓦形的装配式保温坡屋面系统十分必要[2]㊂
夹层结构的复合保温屋面板既能满足多种功能需求，又能建立起建筑围护结构[3]㊂建筑用夹层屋面板通常是由扁平的㊁薄的异型金属板[4]或厚的混凝土面板制成㊂金属板使用年限短，不适用于住宅建筑，厚混凝土面板力学性能优良㊁耐久性好，但自重大，因此众多学者以混凝土为基材去设计新型屋面板㊂意大利米兰工业大学的Giulio等[5]于2019年研发了轻质㊁结构安全㊁保温与光伏器件兼容的纤维混凝土保温屋面板㊂此屋面板自重为120kg/m2，尺寸为2500mmˑ5000mmˑ230mm，传热系数为0.4 2W/(m2㊃K)，抗弯测试弯矩为19.48kN㊃m，防火等级为R30，其主体结构具有足够抵抗火烧的能力㊂美国德克萨斯大学的Ehssan等[6]于2018年研发了由超高性能混凝土和高强钢加固而成的屋面板，此屋面板尺寸为1371mmˑ2896mmˑ102mm，抗弯测试弯矩为21.58kN㊃m，能够承受322km/h的飓风，具有优良的力学性能但无保温层㊂艾红梅等[7]等针对村镇屋面的使用特点，提出一种新型夹芯式保温屋面板㊂这种夹芯式保温屋面板以防水砂浆层作为上表面层材料，硅酸钙板作为保护层材料，内衬插丝网与挤塑聚苯乙烯泡沫板(XPS)共同构成夹芯保温屋面板，其抗弯测试弯矩为1.79kN㊃m㊂
综上所述，国内研发的适用于坡屋面的屋面板弯矩太低，国外研发的屋面板，不适用于坡屋面或无保温系统，均不能满足村镇装配式瓦形保温屋面板的要求㊂因此，为满足节能保温㊁安全㊁装饰及安装便利的需要，本文以纤维混凝土[8]及钢丝网架模塑聚苯板[9]为基材，制作出了钢丝网架瓦形保温屋面板㊂通过有限元模拟和三点弯曲试验测试屋面板的抗弯强度，通过热工计算得到屋面板的传热系数㊂本研究成果可以降低农村住宅的建筑能耗，在建设乡村宜居㊁特民居的大背景下，对村镇住宅发展有着十分重要的现实意义㊂1㊀屋面板构造设计与瓦形选择
1.1㊀屋面板构造设计
保温材料笼络在钢丝网片和斜插丝焊接而成的钢丝网架中，由钢丝网架支撑，构成钢丝网架复合保温板㊂钢丝网架模塑聚苯板上带有4个尺寸为80mmˑ80mm的贯穿连接孔，能够使上层混凝土㊁中层保温
电热丝打火机材料和下层混凝土形成有效的整体连接㊂四周混凝土嵌入钢丝网架，形成混凝土壳层包裹钢丝网架模塑聚苯板的构造，从而具有较好的一体性㊂根据屋面板的整体受力情况及配筋率，在屋面板四角的长度方向设有加强钢筋，从而赋予钢丝网架瓦形保温屋面板优良的抗弯性能㊂上层混凝土在具有瓦形的模具中成型，依据不同瓦形的模具塑造不同的瓦面形态㊂图1为钢丝网架瓦形保温屋面板的基本构造，此屋面板由上层纤维混凝土㊁钢丝网架模塑聚苯板和下层纤维混凝土构成，混凝土采用含聚丙烯纤维的混凝土，保温材料采用模塑
㊂
聚苯乙烯板(EPS)㊂屋面板两侧设有凹沟，用来放置防水密封材料
2776㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第41
卷
图1㊀钢丝网架瓦形保温屋面板
Fig.1㊀Steel wire grid tile insulation roof panel
1.2㊀瓦形对抗弯性能的影响
瓦面的不同形状直接影响屋面板的受力和变形，由于屋面板瓦形几何形状的非线性，难以计算其受力
和变形，使用有限元能够解决这一问题㊂经过调研，选取了乡村建筑中三种典型的屋面瓦形，以Abaqus为工具对鳞形瓦屋面板㊁波形瓦屋面板和筒形瓦屋面板进行模拟抗弯计算，通过分析应力大小及分布，选择合适的瓦形㊂
在有限元计算中，各模型均为弹性模型㊂在材料属性模块中，混凝土相关参数选用C60参数，密度为2200kg/m3，弹性模量为34500MPa，泊松比为0.2㊂瓦屋面板下方两个支撑柱为矩形，宽度为50mm，长度为1500mm，两个支撑柱间跨距为1500mm㊂瓦屋面板上方施压的矩形块宽度为150mm，长度为瓦屋面板的宽度，位于屋面板的跨中位置㊂支撑块和施压块均设置为刚体，分析步设置为静力通用，分析步最大增量步数为10000，初始增量步为0.001，最小增量步为10-30，最大增量步为0.1㊂在相互作用模块中，支撑块和瓦的接触为面-面接触，施压块和瓦的接触为面-节点接触，接触属性均设置为法向硬接触，切向摩擦系数设为0.35㊂在载荷模块中，均考虑重力作用，设置重力加速度㊂设置边界条件为底部支撑块完全固定，加载方式为对施压块施加150mm位移[10]，通过导出RP1点的反作用力来计算载荷㊂在网格划分模块中，各模型网格属性均为结构六面体，各瓦均保持相同体积(质量)，进行模型设置㊂
1.2.1㊀鳞形瓦屋面板
在鳞形瓦屋面板中，瓦片单元的长度为29.98cm，沿长度方向由高到低以arctan(10/299.78)的角度倾
斜，宽度为21.10cm，其中大波宽度为18.30cm，小波的宽度为2.80cm，瓦的波谷最低处厚度最小为2cm，波谷最高处比波谷最低处高1cm，波峰最高处厚度最大为5.80cm，波峰最低处厚度为4.70cm，小波谷最高处为5.37cm㊂由瓦片单元进行阵列组成的瓦形屋面板，长度为1798.80mm，宽度为944mm，体积为69907448mm3(~0.70m3)，最薄处为20mm，最厚为51.71mm㊂
zigbee组网1.2.2㊀波形瓦屋面板
在波形瓦屋面板中，瓦片单元长度为32.58cm，沿长度方向由高到低以arctan(10/325.78)的角度倾斜，宽度为19cm，其中大波宽度为15.60cm，小波的宽度为3.40cm，瓦的波谷最低处厚度最小为2cm，波谷最高处比波谷最低处高1.20cm，波谷水平部分宽度为4.40cm，波峰最高处厚度最大为5.38cm，波峰最低处厚度为4.18cm，小波谷最高处为5.15cm㊂由瓦片单元进行阵列组成的瓦形屋面板，长度为2121.90mm，宽度为950mm，体积为69910584mm3(~0.70m3)，最薄处为20mm，最厚处为51.49mm㊂
1.2.3㊀筒形瓦屋面板
在筒形瓦屋面板中，筒型瓦底瓦内径为170.38mm，盖瓦内径为84mm，外径为110mm，厚度为13mm㊂组成的瓦形屋面板整体长度1991.38mm，宽930mm，体积69907768mm3(~0.7m3)，最薄20mm，最厚48.50mm㊂
经过模拟抗弯测试，鳞形瓦屋面板㊁波形瓦屋面板和筒瓦屋面板应力分布如图2所示，模拟计算输出结果如表1所示㊂
图3为鳞形瓦屋面板㊁波形瓦屋面板和筒形瓦屋面板的载荷-挠度曲线㊂从图中可以看出，鳞形瓦屋面板最大载荷为9.88kN，波形瓦屋面板最大载荷为4.15kN，筒形瓦屋面板最大载荷为9.19kN㊂结合表1可以看出，鳞形瓦屋面板所能承受最大应力区间最大，范围最广㊂筒瓦虽造型美观，但由于筒瓦中空，以水泥基
第8期孙诗兵等：钢丝网架瓦形保温屋面板及其抗弯性能研究2777㊀材料制作屋面板时瓦形易破坏㊂因此在屋面板制作中，选用鳞形瓦屋面板去进行加工制作
㊂
图2㊀鳞形瓦屋面板㊁波形瓦屋面板和筒形瓦屋面板应力分布图Fig.2㊀Stress distribution diagram of scale tile roof panel,wave tile roof panel and tubular tile roof panel
表1㊀不同瓦屋面板的应力分布
Table 1㊀Stress distribution of different tile roof panel
Roof panel
Node number Unit number Unit type Maximum stress range /MPa Proportion /%Stress range /MPa Proportion /%Scale 957220866320 4.46~5.61 1.41>0.6728.91Wave 5207452074C3D8R 4.35~6.680.99>0.6728.99Tubular
9554468716 1.06~1.62 5.65>0.6713.321.3㊀屋面板制作工艺
屋面板详细尺寸如图1所示，纤维混凝土配合比如表2所示，其中水泥为P㊃O 42.5硅酸盐水泥，粗骨料为粗砂，细骨料为当地河砂，减水剂为PCA-I 聚羧酸型高效减水剂㊂添加聚丙烯纤维提升抗裂性能，添加外加剂增强屋面板的防水性能，赋予屋面板低吸水率㊁抗冻性和高抗冲击性能㊂斜插丝与两侧钢丝网均为直径2.5mm 的冷拔镀锌钢丝焊接而成，其中钢丝网网格尺寸为50mm ˑ50mm，斜插丝间距为100mm，加强筋直径为6mm㊂经过钢筋抗拉强度测试得到此冷拔镀锌钢丝极限抗拉强度为582N /
mm 2㊂
2778㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第41
卷
图3㊀鳞形瓦㊁波形瓦和筒瓦载荷-挠度曲线Fig.3㊀Load-deflection curves of scale tile,wave tile and tubular tile 图4为钢丝网架瓦形保温屋面板制造流程㊂
(1)焊接工作台，按照设计的尺寸将木条固定于工作台之上㊂将彩钢瓦模具放置在工作台，检查彩钢
瓦侧缘是否与木条接触，若有缝隙则打胶填补缝隙，防
止混凝土漏出㊂(2)将混凝土浇筑在模具中，形成屋面板的瓦面，浇筑厚度为50~60mm㊂将钢丝网架模塑聚苯板放置
于混凝土之上，用平板振动器震动钢丝网架，使钢丝网
架紧密嵌入混凝土㊂
(3)浇筑连接孔㊁边肋和底层混凝土，在浇筑中不断振捣㊂(4)震实混凝土，用刮刀抹平混凝土表面㊂每8h 一次喷水，避免阳光直射，室温下养护3d㊂(5)脱模，拆除四周木条，用叉车卸下屋面板，立式放置，覆盖帆布或塑料膜养护㊂
(6)检验屋面板是否开裂，是否形态完好㊂检验后入库存放，底部支架间距小于1m㊂
刷毛辊表2㊀屋面板混凝土配合比
Table 2㊀Concrete mix ratio of roof panel Composition Cement Coarse sand Fine sand Water reducing agent Cellulose ether Polypropylene Dosage /(kg㊃m -3)660119015013.280
2
遮蔽肩垫图4㊀钢丝网架瓦形保温屋面板制作工艺
Fig.4㊀Manufacturing technology of steel wire grid tile insulation roof panel 2㊀钢丝网架瓦形保温屋面板抗弯性能研究钢丝网架瓦形保温屋面板是一种全新的屋面结构，作为屋面结构承担的主要是自重㊁设备或人等使用载荷，同时也会经受风㊁雪㊁水流甚至地震等自然环境作用㊂屋面板承载能力的大小直接关系到人身安危，本文主要研究钢丝网架模塑聚苯板在集中载荷作用下，结构的受力情况和承载能力大小，为瓦形屋面板的设计提
供依据㊂
2.1㊀试验装置与加载本试验采用加载重物的方式进行钢丝网架瓦形保温屋面板三点弯曲试验[11]，弯曲试验跨距为4020mm，测试内容包括屋面板的挠度㊁屋面板的侧面应变㊁上下层混凝土的应变㊁板的开裂载荷和极限载荷㊂位移计和应变片分布如图5所示㊂
在加载过程中，屋面板满足以下三个条件中的一个即到达承载力极限载荷[12]:(1)板面混凝土压碎或压应变达到0.0033;(2)跨中挠度达到L 0/50,L 0为跨距;(3)最大裂缝宽度达到1.5mm㊂当加载至3.81kN 时，屋面板跨中纯弯段首先出现细小竖向裂缝；加载至6.06kN 时，裂缝宽度扩大，长度延长，侧面
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