志誠鋁合金型材截面特性計算軟件V2.0 的研制及鋁合金型材性能比較

李成鋼 何振程 李宏寧

0 引言

在鋁合金門窗及玻璃幕墻工程結構計算中，鋁合金型材的等效截面特性至關重要。如何提取鋁合金型材的截面特性并轉化為結構計算所需的等效截面特性，通過軟件按照行業(yè)理論及標準計算高效便捷。目前國內鋁合金門窗及玻璃幕墻工程結構計算軟件很多，能夠提取普通鋁合金型材及穿條式隔熱鋁合金型材等效截面特性的計算軟件也較多，但能夠有效提取澆注式隔熱鋁合金型材等效截面特性的軟件甚少，或提取的結果不符合規(guī)范要求，為此，筆者團隊研制了“志誠軟件V2.0”，軟件研制也參考了美國建筑制造協(xié)會（AAMA）行業(yè)軟件TBSA。為順應“碳達峰”、“碳中和”的綠色低碳循環(huán)發(fā)展戰(zhàn)略，筆者團隊對雙澆注式槽口隔熱玻璃幕墻立柱的結構計算做了算例。

1 鋁合金型材等效截面特性計算采用的理論依據

軟件研制主要依據下列標準：

《鋁合金型材截面幾何參數(shù)算法及計算機程序要求》（YS/T 437-2018）[1]；

《鋁合金結構設計規(guī)范》（GB 50429-2007)[2]；

《鋁合金門窗》（GB/T 8478-2020）[3]；

《鋁合金建筑型材》第6 部分:隔熱型材（GB/T 5237.6-2017)[4]；

同時也參考了美國建筑制造協(xié)會（AAMA）行業(yè)標準《Structural Performance of Composite Thermal Barrier Framing Systems》（AAMA TIR-A8-16）[5]。

2 軟件研制基本程序框架

本軟件采用Visual Basic 6.0 編程從AutoCAD 內部或外部來控制或操作AutoCAD，能做到便捷提取截面特性，高效實現(xiàn)提取截面參數(shù)與輸入參數(shù)間繁雜的計算功能。在AutoCAD 中，需對幾何圖形創(chuàng)建面域，對面域進行布爾運算，從而形成單個截面即圖元對象。軟件研制基本程序框架主要包含兩大部分：截面特性提取計算程序框架；整體計算結構程序框架。

2.1 截面特性提取計算程序框架（公用模塊）

截面特性提取計算程序框架主要功能是提取單個圖元對象的截面特性，為公用模塊。其程序框架流程如圖1 所示。

圖1 截面特性提取計算程序框架流程圖

2.2 整體計算結構程序框架

整體計算結構程序框架主要功能是依照文獻[1]的要求，分別根據提取的單個圖元對象的截面特性，整體計算普通鋁合金型材、穿條式和澆注式隔熱鋁合金型材的等效截面特性，澆注式隔熱鋁合金型材還包括受力分析的參數(shù)，并實現(xiàn)軟件輸出。如圖2 所示。

圖2 整體計算結構程序框架流程圖

3 軟件編制說明

3.1 立柱及橫梁的方向布置關系

如圖3 所示。

圖3 立柱及橫梁截面的布置方式及截面選擇順序圖

圖3 中需要注意：澆注式隔熱鋁合金型材由于要進行受力分析計算，截面選擇時先選擇室外側截面，再選擇室內側截面。

3.2 軟件計算時雙澆注式槽口的參數(shù)選擇

如圖4 所示。

圖4 雙澆注式槽口對比單澆注式槽口槽口尺寸參數(shù)

3.3 澆注式隔熱型材槽口選擇

可以依照文獻[4]選擇，也可以根據設計的實際尺寸自行輸入。

在 Caption 屬性為“注膠槽口”的Label 控件后對應的ComboBox 控件中選擇“輸入”，即出現(xiàn)圖5 所示界面，根據圖4 中的澆注式槽口尺寸參數(shù)要求在圖5 中輸入對應尺寸。

圖5 輸入注膠槽口尺寸界面

3.4 軟件計算結果相關數(shù)值紅色顯示釋義

軟件計算時對澆注式隔熱型材要求輸入和選擇的參數(shù)多，筆者團隊參考了美國AAMA 行業(yè)軟件TBSA 的模式，同時，依照文獻[2]、[3]及[4]的規(guī)定把主受力桿件的強度和撓度要求的內容添加到軟件中。選擇的材料強度和撓度不滿足標準要求時會在澆注式隔熱型材截面參數(shù)及受力分析欄對相關數(shù)值以紅色字體顯示出來，提醒軟件操作者注意。

以與后述4.3.1 算例參數(shù)中圖12 完全一致的型材截面為例，作為立柱的隔熱型材，荷載施加類型仍為均布荷載，荷載大小調整為1.6N/mm，跨距L=1500mm,玻璃選擇調整為中空玻璃，注膠槽口：BB，tw=2.8mm，材料類型：6063 T5,計算結果如圖6 所示。

圖6 澆注式隔熱型材計算算例1（數(shù)值紅色顯示）

（1）在 Caption 屬性為“材料選擇”的Label 控件后對應的ComboBox 控件中選擇鋁合金材料牌號及狀態(tài)，不同鋁合金材料牌號及狀態(tài)下的取值可依照文獻[2]表4.3.4 規(guī)定，軟件里遵照該表取值。

圖6 中材料選擇為6063 T5，型材受到的最大壓縮應力f11=-75.264N/mm2，型材受到的最大拉伸應力f22=108.268N/mm2。

依照文獻[2]表4.3.4 規(guī)定取值如下：6063 T5:抗拉、抗壓和抗彎設計值f=90N/mm2，抗剪設計值:fv=55N/mm2。

因此，型材受到的最大拉伸應力f22 不滿足標準要求，所以在Caption 屬性為“型材受到的最大拉伸應力f22”的Label控件后對應的TextBox 控件中顯示的數(shù)值“108.268”為紅色。

（2）圖6 中隔熱膠受到的最大縱向剪切力：25.3213N/mm。依照文獻[4]表9 要求：澆注式隔熱型材縱向抗剪特征值大于等于24N/mm,取其最小值，所以在Caption 屬性為“隔熱膠受到的最大縱向剪切力”的Label 控件后對應的TextBox 控件中顯示的數(shù)值“25.3213”為紅色。

（3）圖6 中最大撓度12.055mm。在Caption 屬性為“玻璃選擇”的Label 控件后對應的ComboBox 控件中選擇玻璃類型，不同玻璃類型條件下對主要受力桿件撓度的要求不同，取值是否滿足要求依照文獻[3]表7 規(guī)定，軟件按照該表規(guī)定判定是否滿足要求。

依照文獻[3]表7 規(guī)定：支承玻璃種類為單層玻璃、夾層玻璃時相對撓度不大于L/100mm,相對撓度最大值不大于20mm。支承玻璃種類為中空玻璃時相對撓度不大于L/150mm,相對撓度最大值不大于20mm。L 為主要受力桿件的支撐跨距,單位為mm。

圖6 中玻璃選擇為中空玻璃,撓度不得大于L/150mm=10mm（梁的跨距L=1500mm），所以在Caption 屬性為“最大撓度”的Label 控件后對應的TextBox 控件中顯示的數(shù)值“12.055”為紅色。

3.5 穿條式隔熱型材彈性系數(shù)c 的說明

軟件計算時c 值一般取60～80N/mm2，本軟件設定為60N/mm2，也可以根據鋁型材廠測試結果在軟件運行后直接修改穿條式隔熱型材彈性系數(shù)c 數(shù)值。

3.6 軟件的主要特點

（1）本軟件的主要功能

主要功能分為三部分：常規(guī)非隔熱型材截面特性提??；作為立柱與橫梁的穿條式隔熱型材等效截面特性提??；作為立柱與橫梁的澆注式隔熱型材等效截面特性提取及受力分析。前兩部分作為提取截面特性功能僅在Caption 屬性為“截面特性”的Frame 控件內顯示，澆注式隔熱型材的輸出結果在Caption屬性為“澆注式隔熱型材截面參數(shù)及受力分析”的Frame 控件內顯示，由此完成澆注式隔熱型材的結構計算功能。

（2）可以輸出word 版計算書，方便調用參數(shù)及計算結果的提取。

（3）采用Visual Basic 6.0 編程進行AutoCAD 二次開發(fā)，簡單快捷提取截面特性和參數(shù)的計算。

4 手工計算與軟件計算對比算例

4.1 作為常規(guī)非隔熱型材截面特性計算

4.1.1 算例參數(shù)

作為常規(guī)非隔熱型材截面的形心與截面本身相對位置關系如圖7 所示，以常規(guī)非隔熱型材形心軸x 軸將原截面一分為二，圖中I 區(qū)和II 區(qū)，對應的面積分別為A上、A下。

圖7 常規(guī)非隔熱型材截面圖

常規(guī)非隔熱型材截面參數(shù)：

采用慣性矩I0x計算對常規(guī)非隔熱型材形心軸x 軸的抗彎截面系數(shù)：

采用慣性矩I0y計算對常規(guī)非隔熱型材形心軸y 軸的抗彎截面系數(shù)：

SX01、SX02為I 區(qū)型材截面與II 區(qū)型材截面分別對常規(guī)非隔熱型材形心軸x 軸靜距：

以常規(guī)非隔熱型材形心軸y 軸為基準，將原有常規(guī)非隔熱型材截面圖一分為二，計算左側（或右側）截面對常規(guī)非隔熱型材形心軸y 軸的靜矩，如圖8 所示，分別為Sy01、Sy02。

圖8 對常規(guī)非隔熱型材形心軸y 軸計算靜距截面圖

左（右）側截面形心到常規(guī)非隔熱型材形心軸y 軸間距X0=11.432657mm

靜矩：

4.1.3 軟件計算結果

選擇Caption 屬性為“常規(guī)非隔熱型材”的OptionButton 控件，點擊在Caption 屬性為“計算截面特性”的CommandButton控件，根據界面操作的提示在AutoCAD 中選擇常規(guī)非隔熱型材截面后點擊鼠標右鍵，從而完成操作。操作完成后，點擊在Caption 屬性為“輸出word 計算書”的CommandButton 控件，輸出word 版計算書。操作結果如圖9 所示。

圖9 常規(guī)非隔熱型材截面特性計算結果

4.1.4 計算結果比較

從表1 可見，由手工計算結果與軟件計算結果的對比可以看出，軟件計算準確。

表1 研制軟件、依據材料力學手工計算結果對比表

4.2 作為立柱的穿條式隔熱型材截面特性計算

4.2.1 算例參數(shù)

I 區(qū)型材與II 區(qū)型材求并集后截面形心對原單個側面型材形心的相對位置關系如圖10 所示。

圖10 作為立柱的穿條式隔熱型材截面圖

上部型材（室外側）截面參數(shù)：

A1=214.2207mm2I1=9,579.0910mm4a1=15.5484mm

下部型材（室內側）截面參數(shù)：

A2=176.6920mm2I2=16,721.7417mm4a2=18.8510mm

鋁合金彈性模量E=70,000N/mm2；

梁的跨距L=1,500mm；

穿條式隔熱型材彈性系數(shù)取c=60N/mm2。

4.2.2 手工計算

穿條式隔熱型材I 區(qū)形心與II 區(qū)形心間距a，單位：mm；

剛性慣性矩計算：

作用參數(shù)計算：

幾何形狀參數(shù)計算：

組合參數(shù)計算：

等效慣性矩計算：

截面面積：

4.2.3 軟件計算結果

選擇Caption 屬性為“ 作為立柱的隔熱型材” 的OptionButton 控件，在Caption 屬性為“輸入參數(shù)”的Frame 控件內點擊ComboBox 控件選擇“穿條式隔熱型材”，此時，在Caption 屬性為“梁的跨距L”的Label 控件后對應的TextBox控件中獲得焦點，直接輸入“1500”，點擊在Caption 屬性為“計算截面特性”的CommandButton 控件，根據界面操作的提示在AutoCAD 中選擇外側和內側（也可反向選擇）的型材截面后點擊鼠標右鍵，從而完成操作。操作完成后，點擊在Caption 屬性為“輸出word 計算書”的CommandButton 控件，輸出word版計算書。操作結果如圖11 所示。

圖11 穿條式隔熱型材截面特性計算結果

4.2.4 計算結果比較

從表2 可見，由手工計算結果與軟件計算結果的對比可以看出，軟件計算準確。

表2 研制軟件、依照文獻[1]計算結果對比表

4.3 作為立柱的澆注式隔熱型材（窗型材）截面特性及受力分析計算

4.3.1 算例參數(shù)

I 區(qū)型材與II 區(qū)型材求并集后截面形心對原單個側面型材形心的相對位置關系如圖12 所示。

圖12 作為立柱的澆注式隔熱型材截面圖

上部型材（室外側）截面參數(shù)：

A01=210.089900739616 mm2；I01=13,465.0082316926mm4；a11=7.51532862991184 mm。

下部型材（室內側）截面參數(shù)：

A02=156.968277574488mm2；I02=12,183.1886030984mm4；a22=12.19709881744353mm。

D=35.087565374018 mm

b=7.14mm；b’=4.85mm；DC=14.48mm；g=6.35mm。

隔熱膠的剪切模量Gc=552N/mm2；

鋁合金彈性模量E=70,000N/mm2；

均布荷載W0=1.2 N/mm；

梁的跨距L=1,500mm。

說明：本算例以施加荷載為均布荷載為例，實際澆注式隔熱型材作為主受力桿件施加荷載的方式還有集中荷載、三角形荷載和梯形荷載，共計四種方式，其計算過程依照文獻[1]，研制軟件也依照文獻[1]的要求進行參數(shù)計算。

4.3.2 手工計算

鋁型材加強軸邊的厚度或厚度的總和tw計算方法如下:

上下部型材各個立筋厚度乘以其相應高度之和

等效慣性矩結合值：

等效慣性矩下限值：

等效慣性矩上限值：

復合結構幾何參數(shù)：

參分值：

施加荷載引起的變形量y（單位：mm）計算：

式中：

M—鋁合金復合梁的彎曲力矩，單位：N.mm；

V—梁的剪切力，單位：N。

均布載荷W0=1.2 N/mm，在x=L/2 處，施加荷載引起的變形量y 出現(xiàn)最大值，此時：

截面A01、截面A02求并集后的A01A02組合截面對于通過其形心的軸的靜矩恒等于零。

形心到外側外表面的距離：

形心到內側內表面的距離：

對承受均布荷載的受力桿件，鋁合金型材受到的剪切力V最大值為：

4.3.3 軟件計算結果

選擇Caption 屬性為“ 作為立柱的隔熱型材” 的OptionButton 控件，在Caption 屬性為“輸入參數(shù)”的Frame 控件內點擊ComboBox 控件選擇“澆注式隔熱型材”，此時，在Caption 屬性為“梁的跨距L”的Label 控件后對應的TextBox控件中獲得焦點，直接輸入“1500”，選擇Caption 屬性為“均布荷載”的OptionButton 控件，在 Caption 屬性為“荷載”的Label 控件后對應的TextBox 控件中輸入“1.2”，在Caption 屬性為“鋁型材加強軸邊的厚度或厚度的總和tw（參見提示）”的Label 控件后對應的TextBox 控件中的原數(shù)值“3”調整為“2.8”，在Caption 屬性為“注膠槽口”的Label 控件后，點擊對應ComboBox 控件選擇“BB”，在Caption 屬性為“材料選擇”的Label 控件后，點擊對應ComboBox 控件選擇“6063 T5”，在Caption 屬性為“玻璃選擇”的Label 控件后，點擊對應ComboBox 控件選擇“單層玻璃”。

點擊Caption 屬性為“計算截面特性”的CommandButton控件，根據界面操作的提示在AutoCAD 中選擇外側和內側的型材截面后點擊鼠標右鍵，從而完成操作。操作完成后，點擊Caption 屬性為“輸出word 計算書”的CommandButton 控件，輸出word 版計算書。操作結果如圖13 所示。

圖13 澆注式隔熱型材截面參數(shù)及受力分析計算結果

采用美國建筑制造協(xié)會(AAMA)提供的TBSA 軟件需要手工計算和輸入截面的基本參數(shù)和注膠槽口尺寸（同4.3.1 算例參數(shù)），選擇荷載施加方式：Uniform（均布荷載），荷載大?。?.2N/mm，梁的跨距：L=1,500mm，隔熱膠的剪切模量Gc=552N/mm2，鋁合金彈性模量E=70,000N/mm2，點擊“Calculate”按鈕，即可獲取計算結果，如圖14 所示。

圖14 澆注式隔熱型材用美國行業(yè)軟件TBSA 計算結果

4.3.4 計算結果比較

（1）手工計算結果與研制軟件及美國AAMA 的TBSA 軟件計算結果一致，見表3。

表3 研制軟件、美國TBSA 軟件及依照文獻[1]計算結果對比表

（2）與美國建筑制造協(xié)會(AAMA)提供的TBSA 計算軟件相比，本軟件有以下特點：

①澆注式隔熱型材的截面特性參數(shù)的輸入更為便捷，如澆注式隔熱型材槽口既可直接選擇標準槽口（從AA-KK），又可輸入特殊槽口的基本參數(shù)。

②美國建筑制造協(xié)會(AAMA)行業(yè)計算軟件TBSA 需手工輸入相關參數(shù)（單側截面的面積:A1、A2；型材截面慣性矩:I01、I02；形心位置：C11、C22 及D；注膠槽口：b、b’、DC、g。），采用AutoCAD 手工提取這些參數(shù)再輸入的方式會很麻煩，消耗大量的時間。本軟件只需點擊“計算截面特性”按鈕后，在AutoCAD 里通過分別選擇澆注式隔熱型材兩側的截面這一簡單操作，就能提取截面的這些特性，軟件會自動識別并賦值給相應變量，使整個計算過程非常順暢。

③筆者團隊研制的軟件在主受力桿件的強度、撓度不滿足國家及行業(yè)標準要求的條件下對應TextBox 控件中顯示的數(shù)值為紅色。

4.4 作為幕墻立柱的雙澆注式槽口隔熱型材截面特性及受力分析計算

4.4.1 算例參數(shù)

在鋁合金門窗或玻璃幕墻的實際應用中，風荷載對隔熱梁影響較大，應該選擇梯形荷載進行計算；本文為了計算簡便和出于一些更安全的角度考慮，選擇了均布載荷。

玻璃幕墻立面布置圖如圖15 所示，立柱的跨距L=4,000mm，風荷載的設計值W設計值=2,800N/m2，選用160 系列立柱。

圖15 作為幕墻立柱的雙澆注式槽口隔熱梁立面布置圖

I 區(qū)型材與II 區(qū)型材求并集后截面形心對原單個側面型材形心的相對位置關系如圖16 所示。

圖16 作為幕墻立柱的雙澆注式槽口隔熱型材整體截面圖

上部型材（室外側）截面參數(shù)：

均布載荷W0=2.8N/mm，在x=L/2 處，施加荷載引起的變形量y 出現(xiàn)最大值，此時：

4.4.3 軟件計算結果

選擇Caption 屬性為“ 作為立柱的隔熱型材” 的OptionButton 控件，在Caption 屬性為“輸入參數(shù)”的Frame 控件內點擊ComboBox 控件選擇“澆注式隔熱型材”，此時，在Caption 屬性為“梁的跨距L”的Label 控件后對應的TextBox 控件中獲得焦點，直接輸入“4,000”，在Caption 屬性為“鋁型材加強軸邊的厚度或厚度的總和tw（參見提示）”的Label 控件后對應的TextBox 控件中的原數(shù)值“3”調整為“5”，選擇Caption 屬性為“均布荷載”的OptionButton 控件，在 Caption屬性為“荷載”的Label 控件后對應的TextBox 控件中輸入“2.8”，在Caption 屬性為“注膠槽口”的Label 控件后，點擊對應ComboBox 控件選擇“輸入”，顯現(xiàn)Caption 屬性為“輸入注膠槽口尺寸”的Frame 控件，輸入對應槽口尺寸，在Caption 屬性為“材料選擇”的Label 控件后，點擊對應ComboBox 控件選擇“6063 T5”，在Caption 屬性為“玻璃選擇”的Label 控件后，點擊對應ComboBox 控件選擇“中空玻璃”。

點擊Caption 屬性為“計算截面特性”的CommandButton控件，根據界面操作的提示在AutoCAD 中選擇外側和內側的型材截面后點擊鼠標右鍵，從而完成操作。操作完成后，點擊Caption 屬性為“輸出word 計算書”的CommandButton 控件，輸出word 版計算書。操作結果如圖17 所示。

圖17 作為立柱的雙澆注式槽口隔熱型材截面參數(shù)及受力分析計算結果

采用美國建筑制造協(xié)會(AAMA)提供的TBSA 軟件需要手工計算和輸入截面的基本參數(shù)和注膠槽口尺寸（同4.4.1 算例參數(shù)），選擇荷載施加方式：Uniform（均布荷載），荷載大?。?.8N/mm，梁的跨距：L=4000mm，隔熱膠的剪切模量Gc=552N/mm2，鋁合金彈性模量E=70000N/mm2，點擊“Calculate”按鈕，即可獲取計算結果，如圖18 所示。

圖18 作為立柱的雙澆注式槽口隔熱型材用美國行業(yè)軟件TBSA 計算結果

4.4.4 計算結果比較

手工計算結果與研制軟件及美國AAMA 的TBSA 軟件計算結果一致，見表4。

表4 研制軟件、美國TBSA 軟件及依照文獻[1]計算結果對比表

5 相同外形尺寸截面型材等效慣性矩和線重對比

型材截面外形尺寸如圖19 所示，隔熱條選用14.8mm 寬度I 型條，澆注式槽口選擇“BB”口。

圖19 普通鋁合金型材、穿條式隔熱型材及澆注式隔熱型材截面對比

由表5 可以看出：在同等外形尺寸的條件下，澆注式隔熱型材的等效慣性矩明顯優(yōu)于穿條式隔熱型材，接近普通鋁合金型材。澆注式隔熱型材線重也優(yōu)于穿條式隔熱型材。

表5 普通鋁合金型材、穿條式隔熱型材及澆注式隔熱型材等效慣性矩和線重對比

6 結束語

研制的“志誠軟件V2.0”依照文獻[1]里所指出的“3.2 隔熱型材截面幾何參數(shù)計算方法”，同時也包含了常規(guī)非隔熱型材截面幾何參數(shù)的提取，這樣就涵蓋了鋁合金型材的全部，能夠簡便快捷地提取截面的幾何參數(shù)，為作為主受力桿件的鋁合金型材結構計算帶來方便，這就是筆者研制這款軟件的目的。通過對比可以看到在相同外形尺寸前提下不同種類鋁合金型材的性能比較。