穿條式隔熱鋁型材抗剪強(qiáng)度對門窗性能的影響

孫文遷 趙斌 馬建村

【摘要】隔熱鋁合金型材由中間隔熱材料將內(nèi)外兩部分鋁合金型材連接而成，其隔熱材料與鋁合金復(fù)合后的縱向抗剪強(qiáng)度的大小，直接影響了鋁合金隔熱型材的有效慣性矩的大小。本文通過隔熱型材不同彈性組合值C對隔熱型材有效慣性矩的計(jì)算，分析彈性組合值對門窗抗風(fēng)壓性能及氣密、水密性能的影響，并提出了解決方法。

【關(guān)鍵詞】隔熱型材；穿條式；慣性矩；隔熱材料；有效慣性矩

【中圖分類號】TV228

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】1671-3362（2018）10-0050-04

1.前言

隔熱鋁合金型材具有較好的隔熱性能，是目前建筑門窗、幕墻用主要材料。作為主要受力桿件的隔熱鋁合金型材，在材料和截面受荷狀態(tài)確定的情況下，構(gòu)件的承載能力主要取決于截面的慣性矩和抵抗矩。截面的慣性矩與材料的彈性模量共同決定著構(gòu)件的撓度即抗風(fēng)壓性能。

穿條式隔熱鋁合金型材指通過開齒、穿條、滾壓工序，將條形隔熱材料穿入鋁合金型材穿條槽口內(nèi)，并使之被鋁合金型材牢固咬合的復(fù)合方式。由于隔熱條與鋁合金型材復(fù)合而成，在進(jìn)行門窗、幕墻結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，應(yīng)以其等效慣性矩作為隔熱型材的慣性矩。

在隔熱型材等效慣性矩的計(jì)算時(shí)，組合彈性值是影響等效慣性矩的關(guān)鍵參數(shù)，組合彈性值與隔熱型材的縱向抗剪強(qiáng)度有直接的關(guān)系。

2.穿條隔熱型材縱向抗剪強(qiáng)度與組合彈性值

2.1穿條隔熱型材的縱向抗剪強(qiáng)度指在垂直隔熱型材橫截面方向作用的單位長度的縱向剪切極限值，按式（1）計(jì)算：

2.2組合彈性值是在縱向抗剪試驗(yàn)中負(fù)荷-位移曲線的彈性變形范圍內(nèi)的縱向剪切增量與相對應(yīng)的兩側(cè)鋁合金型材出現(xiàn)的相對應(yīng)的位移增量和試樣長度乘積的比值，是表征鋁合金型材和隔熱條組合后的彈性特征值。組合彈性值c按式（3）計(jì)算，計(jì)算取值見圖1所示。

從式（3）知，組合彈性值c取自隔熱型材縱向抗剪曲線，其值的大小與縱向抗剪強(qiáng)度密切相關(guān)。

3.組合彈性值c對隔熱型材等效慣性矩的影響

3.1穿條式隔熱型材等效慣性矩的計(jì)算

穿條式隔熱型材截面如圖2所示，圖中：

Al—鋁型材1區(qū)截面積（mm2）；

A2—鋁型材2區(qū)截面積（mm2）；

S1—鋁型材1區(qū)形心；

S2—鋁型材2區(qū)形心；

S—隔熱型材形心；

I1—1區(qū)型材慣性矩（mm4）；

I2—2區(qū)型材慣性矩（mm4）；

a1—1區(qū)形心到隔熱型材形心距離（mm）；

a2—2區(qū)形心到隔熱型材形心距離（mm）。

穿條式隔熱型材等效慣性矩Ief按公式（4）計(jì)算：

3.2組合彈性值c對隔熱型材等效慣性矩影響

以圖2所示型材截面為例，其截面尺寸如圖3所示，其截面參數(shù)如下：

根據(jù)我們對近年隔熱鋁合金型材縱向抗剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，彈性組合值C在80 N/ mm2以上約占8%，40 ～79 N/ mm2約占45%，24～39 N/ mm2約占26%，24 N/ mm2以下約占21%。分別取彈性組合值C室溫時(shí)的典型代表值80 N/ mm2、50 N/ mm2、24 N/ mm2、15 N/ mm2進(jìn)行計(jì)算其對隔熱型材的等效慣性矩的影響，計(jì)算結(jié)果見表1，根據(jù)結(jié)果繪制曲線見圖4。

從表1及圖4可以看出：

隔熱鋁合金型材的等效慣性矩與受力桿件跨度及彈性組合值C成正比例關(guān)系。對于較大的跨度，等效慣性矩接近剛性值。

受力桿件支承間距越小，組合彈性值c對等效慣性矩的影響越大，由式（3）知，組合彈性值c又取自隔熱型材縱向抗剪曲線，因此，縱向抗剪強(qiáng)度對隔熱型材的等效慣性矩影響很大。

隨著彈性組合值C的減小，也即隨著隔熱型材的縱向抗剪強(qiáng)度的減小，隔熱型材的等效慣性矩大幅減小。

3.3隔熱型材等效慣性矩值與受力桿件的撓度成反比例關(guān)系，即慣性矩越大，桿件撓度變形越小。而縱向剪切強(qiáng)度（彈性組合值C）的值又影響等效慣性矩大小，因此，在復(fù)合型材承受荷載已定的情況下，則型材的慣性矩可確定，如果選用小截面的鋁型材及大復(fù)合強(qiáng)度的隔熱型材，其復(fù)合慣性矩較大且滿足承載要求，若選用較小的復(fù)合強(qiáng)度，則需較大的鋁型材截面對于隔熱型材的優(yōu)化設(shè)計(jì)不利。

4.組合彈性值c對門窗抗風(fēng)壓性能、氣密及水密性能的影響

4.1對抗風(fēng)壓性能影響

以圖3所示隔熱型材為例，主要受力桿件支承間距1500mm時(shí)，當(dāng)C值分別取80 N/ mm2、50 N/ mm2、24 N/ mm2及15 N/ mm2時(shí)，其對應(yīng)的等效慣性矩分別為16.18 cm4、14.35 cm4、11.15 cm4和9.20 cm4。此時(shí)，C值為50 N/ mm2、24 N/ mm2及15 N/ mm2時(shí)的等效慣性矩分別相當(dāng)于C值為80 N/ mm2時(shí)等效慣性矩的88.6%、68.9%及56.8%。根據(jù)門窗受力桿件撓度計(jì)算公式，則相應(yīng)的抗風(fēng)壓能力分別是C值為80 N/ mm2時(shí)的抗風(fēng)壓能力的88.6%、68.9%及56.8%。

對于圖5所示的外形尺寸為1500×1500mm的平開窗，采用圖3所示的中豎框料，在C值分別取80 N/mm2、50 N/ mm2、24 N/ mm2及15 N/ mm2時(shí)，經(jīng)計(jì)算其對應(yīng)的最大抗風(fēng)壓性能分別為：5076Pa、4497 Pa、3497Pa 及2883Pa，抗風(fēng)壓性能差別很大。

4.2對氣密性能及水密性能的影響

穿條式隔熱型材中隔熱條兩端分別與隔熱鋁材的里外兩腔型材滾壓復(fù)合，是唯一的受力傳載結(jié)構(gòu)。當(dāng)型材在水平荷載和玻璃自重荷載的作用下，如果隔熱條因受力作用致使發(fā)生縱向剪切失效，也即隔熱條相對鋁型材產(chǎn)生移動，則導(dǎo)致內(nèi)外側(cè)鋁型材通過隔熱條產(chǎn)生漏氣、漏水，也即影響門窗系統(tǒng)的氣密和水密性能。

5.解決措施

5.1穿條隔熱型材主要由開齒—穿條—滾壓復(fù)合及縱向抗剪強(qiáng)度檢測工序構(gòu)成，其中開齒與滾壓工序是關(guān)鍵工序，對穿條隔熱型材的縱向抗剪性能起到關(guān)鍵作用，而檢測工序則對開齒與滾壓工序進(jìn)行監(jiān)督，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題及修正工藝偏差。

在鋁型材開齒控制中，為了保證隔熱條的穿條順暢，槽口內(nèi)側(cè)B處（見圖6）應(yīng)少開齒或不開齒，開齒部位應(yīng)在外錘頭A處，齒距控制在0.78mm左右，齒峰寬度在0.15mm～0.3mm之間（見圖7），保證在隔熱型材經(jīng)滾壓后，外錘頭能插進(jìn)隔熱條內(nèi)，從而保證隔熱型材的各項(xiàng)復(fù)合性能。

5.2通過對我們近年穿條隔熱型材的縱向抗剪試驗(yàn)分析，取組合彈性值c為15 N/ mm2為例（見圖8），圖8中直尺下邊刻度與開齒型材外錘頭開齒比對，開齒深度很小，齒距在接近0.8mm，齒峰寬度接近0.7mm，結(jié)果型材的縱向抗剪強(qiáng)度很小，特征值小于24 N/ mm，不符合鋁合金隔熱型材標(biāo)準(zhǔn)（GB5237.6）對縱向抗剪特征值應(yīng)大于24 N/ mm的要求。

5.3提高隔熱型材縱向抗剪強(qiáng)度的首要措施是增加開齒深度，外錘頭的開齒深度及錐度決定了滾壓復(fù)合出的隔熱型材的剪切強(qiáng)度，鑒于開齒盤的磨損，應(yīng)定期更換，確保開齒合格；其次，合適的滾壓力是鋁型材外錘頭與隔熱條有效復(fù)合的關(guān)鍵；第三，對縱向剪切強(qiáng)度的適時(shí)檢測是穿條隔熱型材復(fù)合性能穩(wěn)定的有效保證。

此外，根據(jù)鋁合金隔熱型材工程使用地的環(huán)境溫度條件，合理調(diào)整生產(chǎn)工藝，保證型材在不同溫度條件下的縱向抗剪強(qiáng)度值滿足工程對型材抗風(fēng)壓性能的特殊要求。

6.結(jié)語

鋁合金隔熱型材桿件的抗風(fēng)壓性能取決于型材的有效慣性矩及彈性模量，穿條式鋁合金隔熱型材的有效慣性矩與受力桿件跨度及彈性組合值C成正比例關(guān)系，而彈性組合值C的大小取決于縱向抗剪強(qiáng)度。因此，合理調(diào)整穿條復(fù)合工藝，是穿條式隔熱鋁型材發(fā)揮性能的保證。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：山東省建筑科學(xué)研究院）