朱志恒
（山东农业大学，山东 泰安 271018）
引言温室大棚屋脊会设有排水天沟，排水天沟主要用于温室大棚屋顶的排水、排污工作。目前的温室大棚结构中，排水天沟通常是独立设置在大棚屋檐处的，以便收集从屋脊流下来的污水，给温室大棚减轻了非常大的重量负担。一般天沟与大棚骨架接触面和连接处用普通螺栓连接，但因内外温差，造成传热密集，在内表面温度较低的部位容易形成冷热桥。对于冷热桥造成的影响，首先，冷热桥部位内表面温度比较低，寒冬期间冷热桥温度低于露点温度时，水蒸气就会凝结在冷热桥的表面上，形成结露；再者，空气中的灰尘容易粘在冷热桥上，逐渐变黑后长菌发霉。
在玻璃温室中，天沟既是一种结构承力部件，也是重要的屋面排水部件。通过合理设计玻璃温室的结构，可以最大效率地利用太阳能的辐射能[1]。天沟与大棚骨架的接触面和连接处是温室向外散热的根源。在天沟与大棚骨架的连接处，若使用普通镀锌螺栓，将会在天沟连接处形成“热桥”[2]。天沟连接处热桥部位会引起温室热量损失。尤其是大跨度温室中，其天沟的数量多，连接构件量大，热量损失就相当可观，不利于节能要求，对这些部位必须采取隔热保温措施[3]。
在整个温室结构当中，天沟既作为一种结构部件承担力学功能，也作为温室主要的屋面排水构件，但现在大部分温室采用镀锌钢板折弯件作为天沟的材料，造成天沟部分成为温室传热最大的冷桥，非常不利于温室的冬季保温。
张洪源等发明了一种快速自锁自摩擦保温螺栓，该保温螺栓结构有膨胀套管和锁定螺钉，优点为可以对外墙保温系统进行固定，在热胀冷缩的作用下，不易让该螺栓从保温板中顶出，影响固定效果，并且在保温螺栓受到向外拉力时，不易从墙体中滑出，固定效果好，不存在安全隐患，结构简单，操作方便，可大大提高外墙保温板施工速度，从而提高施工效率，缩短施工周期[4]。王爱国等发明了一种永久封堵保温对拉螺栓连接件，该螺栓的结构有螺杆、螺母、螺丝和空心套管等构成，优点为不用两次堵住对拉螺栓孔口，可以有效地避免冷热桥的传递，降低成本、缩短工期[5]。刘坤等发明了一种承力型保温节能对拉螺栓拉杆，该螺栓的结构由金属芯、隔热层和连接固定装置等组成，优点为该螺栓具有一定的承载力，同时螺栓的隔热层充当断桥，可以有效地进行保温[6]。张明等发明了一种用于建筑外墙固定保温板材的胶合膨胀螺栓，该保温螺栓结构包括螺杆、螺纹槽、螺母和螺栓外壳等组成，优点为该螺栓的螺栓外壳和螺杆之间不容易发生旋转现象，同时让膨胀螺栓在使用后，可以比较简便地进行螺栓拆除，施工方便[7]。林国海发明了一种外保温现浇混凝土墙体对拉螺栓专利，该螺栓的结构由外侧螺杆、固定杆、内侧螺杆组成，优点为提供一种能够对现浇混凝土墙体施工工序进行简化、也可以降低成本、提高墙体的质量等[8]。
断桥保温技术是采取一定的措施来切断热桥（简称断桥），减小建筑物内外热量传递。国内的学者也对断桥保温技术有了一定的研究，如邵郁、杨雪等研究了在严寒地区装配式住宅中，使用嵌入式外墙内外保温断桥构造方式，得出结论为外保温加内保温断桥构造热流量最小，保温效果最好[9]。石炜炜等研究了断桥式再生混凝土自保温砌块利用断桥部分的设置，增加了传热热阻，阻断了热流的传递[10]。王文辉，研究了断桥网架式保温系统其中的断桥技术可对建筑的结构全方面覆盖，基本上消除了“热桥”的现象[11]。王旭彤研究了BFRP 热断桥结构的力学及热工学性能，针对建筑物中典型的热桥是阳台热桥，利用阳台热断桥的结构，可以有效地减少热流量的传递[12]。综合国内外研究学者的成果可以看出，断桥式结构对房屋建筑的导热性能等方面有显着的影响。研究表明，断桥连接技术可以有效解决大部分结构冷热桥问题，断桥材料的选用是断桥连接技术的核心，目前关于断桥连接技术和断桥材料选用的研究较少[13]。刘凉铭发明了一种具有加强型螺栓孔的断桥铝塑复合型材，材料包括铝合金型材和塑料型材等，该发明能够避免封闭式螺栓孔裂开，增大材料间连接的牢固性，有利用降低了使用成本，同时也增加了材料的使用寿命[14]。陈鹏等发明了一种带有螺栓安装孔的明框断桥立柱型材，该发明可以有显着效果的隔绝热量[15]。
显然，大多数发明者对于使螺栓保温的方式主要是利用螺栓的特殊的结构，从而让螺栓起到保温的作用；断桥式结构的研究大多数是对墙体进行断桥处理来阻断冷热桥热量的传递，断桥式结构对房屋建筑的导热性能等方面有显着的影响，但大多数学者对于把断桥式技术应用到螺栓上，对螺栓本身进行改造，以及断桥式结构影响温室结构的保温性能的研究相对较少。
本文提出自主研发新型变径断桥式螺栓。螺栓应用断桥式结构可以有效地阻断冷热桥上热量的传递，同时该螺栓的变径结构增强连接性。用无机材料环氧树脂玻璃纤维作为隔热材料[13]，该新型螺栓在功能上满足承受温室结构荷载的要求，同时比普通镀锌螺栓耐腐蚀且重量轻，而且最重要的是具有隔热能力和很好的保温作用，可以有效解决天沟连接处形成冷热桥的问题。
1 螺栓结构设计1.1 变径断桥式螺栓螺栓由长度为30 mm 的M12 镀锌螺栓相互配合加工而成，首先将其一端加工成长度为12 mm 的M6螺栓；断桥部分为隔热性能良好的环氧树脂玻璃纤维。两螺栓相距6 mm，与断桥一同组成一个完整的保温型螺栓。
1.2 螺栓结构设计该螺栓为一种用于天沟连接处的节能型变径断桥式螺栓，包括两个相对设置的螺体，以及连接两个螺体的保温粘结剂，螺体包括大径段，以及插入所述保温黏结剂内的小径段，小径段的一端固接在大径段的端面上。
两个螺体通过保温黏结剂连接，减缓了导热速度，增强了保温效果，减小保温性能差，隔热效果好，同时固接安全、易安装；通过小径段和大径段的设置，提高保温粘结剂固化后的强度。
1.3 螺栓的加工工艺步骤1：使用车床将长度为30 mm 的M12 螺栓（截面直径为12 mm），一端加工成长度为18 mm 的M12 大径，另一端加工成长度为12 mm 的M6 小径的螺栓组合体。
步骤2：固定两螺栓组合体，使12 mm 的M6 小径部分的顶端相隔6 mm，同时保证两螺栓的轴线位于同一条直线上。
步骤3：通过人工方法将提前按比例配置的环氧树脂和固化剂混合后的溶液浇筑，经风干后得到变径断桥式螺栓。
2 螺栓的有关性能的数值模拟与计算用ANSYS 软件进行了有关力学性能及二维稳态的传热模拟，得到了该断桥式螺栓的有关性能。
2.1 变形量用ANSYS 软件模拟得到该螺栓的变形量云图，见图2。
结果表明：变形量不会影响结构强度。
2.2 等效应力用ANSYS 软件模拟得到该螺栓的等效应力云图，见图3。
结果表明：结构可以完全承担材料因为温差产生的形变的应力。
2.3 温度分布用ANSYS 软件模拟得到该螺栓的温度分布图，见图4。
结果表明：在两侧温差的作用下，可以明显看出断桥螺栓在在断桥处显着有效的阻碍了热的传递。
2.4 螺栓的传热的计算前提条件：对保温螺栓按一维稳态导热近似计算：
2.4.1 边界条件
左侧温度t1=20 ℃；右侧温度t1=0 ℃；两侧温度差Δt=20 ℃
2.4.2 基本物性
变径断桥式螺栓总长度l1＝0.066 m；螺栓外侧大经碳钢长度l1＝0.018 m；
螺栓断桥处环氧树脂长度l3＝0.006 m；螺栓内测小径碳钢长度l4＝0.012 m；
螺栓一侧大小径总长度l5＝0.03 m；环氧树脂的导热系数。
2.4.3 一维稳态下的传热量
根据一维稳态下的传热方程式：Φ=AKΔt。
变径断桥式螺栓的热流量：Φ1=AK1Δt=7.29×10-2W。
同规格普通螺栓的热流量：Φ2=AK2Δt=2.05 W。
3 力-位移变化曲线试验研究试验方法如下所述：
1）随机在多个变径断桥式螺栓中，利用随机取样的方法，抽取3 个螺栓进行试验。
2）分别对三个变径断桥式螺栓进行单向拉伸试验。
其中一组的试验力-位移变化曲线如图5 所示，部分具有代表性的数据点如表1 所示。
实验测试变径断桥式螺栓的抗拉强度，多次实验取平均值，平均抗拉力是2 553 N，抗拉强度22.57 MPa。
4 结论通过对生活中的普通镀锌螺栓进行改造，使其变成带有断桥式结构的节能型变径断桥式螺栓。该螺栓断桥式结构能阻断热量的传递，变径结构能增强螺栓整体连接性。在功能上满足承受温室结构荷载的要求，具有隔热能力，有很好的保温作用，可以有效解决温室结构天沟连接处形成冷热桥的问题。
1）模型计算结果分析：在最不利条件下（忽略断桥处以外的其余环氧树脂部分的影响），变径断桥式螺栓的热损仅为同规格下普通碳钢螺栓的3.6%，即可认为变径断桥式螺栓可以使保温性能提高96.4%。
2）力学实验结果分析：实验测试断桥式螺栓的平均抗拉力是2 553 N，抗拉强度22.57 MPa，其力学性能满足节能型变径断桥式螺栓正常工作下的荷载。