圆的极惯性矩 复合材料力学及隔热型材有效惯性矩—— 铝合金隔热型材产品的质量探讨

2017/4/6 10:38:58

【摘 要】本文以复合材料力学及隔热型材有效惯性矩计算入手,论述了采用合格的隔热材质、隔热型材内外铝材高、低温纵向剪切强度及啮合工艺的重要性,对加强铝合金隔热型材产品的质量进行了探讨,对隔热型材产品标准提出了修订的参考建议。 【关键词】复合材料、复合材料力学、组合梁、刚性复合、弹性复合、松散复合、有效惯性矩、高、低温纵向剪切强度、及分离强度、粘弹性力学、蠕变及回复、应力松弛。

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前 言 《中华人民共和国节约能源法》,已于2008年4月1日起实施,这是加强节能减排工作的重要法律依据,也是促进建筑节能工作走上规范化、法制化轨道的重要法律保障,对在新的历史时期规范和指导建筑节能工作具有十分重要的现实意义和长远的历史意义,对于推动建筑节能门窗和幕墙的发展必将起到十分重要的促进作用。

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建筑幕墙、门窗由于节能的需要,大量采用隔热型材,这是金属和塑料所组成复合材料的组合梁,目前其强度计算理论还停滞在单一材料的传统材料力学水平阶段,设计与实践相比偏于危险,留下工程安全的稳患,有碍建筑节能。

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探讨适用于幕墙门窗所用的铝塑组合梁的计算方法,采用合格的隔热材质,加强铝合金隔热型材产品的质量,是门窗和幕墙行业贯彻《节约能源法》的需要,是节能幕墙、门窗健康发展的当务之急。本文作一些探讨。

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一、复合材料力学简介 1.1 什么是复合材料 由不同性能、互不相溶(熔)的原材料复合而成的材料称为复合材料。近代复合材料最重要的有两类:一类是纤维增强复合材料,主要是长纤维铺层复合材料,如玻璃钢;另一类是粒子增强复合材料,如建筑工程 中广泛应用的混凝上。

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纤维增强复合材料是一种高功能材料,它在力学性能、物理性能和化学性能等方面都明显优于单一材料。 复合材料的比强度和比刚度较高。(材料的强度除以密度称为比强度;材料的刚度除以密度称为比刚度)抗疲劳性能良好,热导率一般都小,复合材料的力学性能可以设计,即可以通过选择合适的原材料和合理的铺层形式,使复合材料构件或复合材料结构满足使用要求。

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现代飞机、导弹和卫星、建筑等结构正逐渐扩大复合材料的比例。

在建筑幕墙及门窗行业目前使用的复合材料有:钢铝组合型材、铝塑复合隔热型材、塑钢型材、夹层玻璃、石材蜂窝板、铝塑复合板、微晶玻璃陶瓷复合板、不锈钢复合板、钛铝复合板等。

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1.2 复合材料力学简介 复合材料力学是固体力学的一个新兴分支,它研究由两种或多种不同性能的材料,在宏观尺度上组成的多相固体材料,即复合材料的力学问题。复合材料具有明显的非均匀性和各向异性性质,这是复合材料力学的重要特点。

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同常规材料的力学理论相比,复合材料力学涉及的范围更广,研究的课题更多。 首先,常规材料存在的力学问题,如结构在外力作用下的强度、刚度,稳定性和振动等问题,在复合材料中依然存在,但由于复合材料有不均匀和各向异性的特点,以及由于材料几何(各材料的形状、分布、含量)和铺层几何(各单层的厚度、铺层方向、铺层顺序)等方面可变因素的增多,上述力学问题在复合材料力学中都必须重新研究,以确定那些适用于常规材料的力学理论、方法、方程、公式等是否仍适用于复合材料,如果不适用,应怎样修正。

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其次,复合材料中还有许多常规材料中不存在的力学问题,如层间应力(层间正应力和剪应力耦合会引起复杂的断裂和脱层现象)、边界效应以及纤维脱胶、纤维断裂、基体开裂等问题。

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最后,复合材料的材料设计和结构设计是同时进行的,因而在复合材料的材料设计(如材料选取和组合方式的确定)、加工工艺过程(如材料铺层、加温固化)和结构设计过程中都存在力学问题。

当前,复合材料力学的研究工作主要集中在纤维增强复台材料多向层板壳结构的改进和应用上。这种结构是由许多不同方向的单向层材料叠合粘结而成的,因此叫做“多向层材料结构”。

单向层材料中沿纤维的方向称为纵向;而在单向层材料子面内垂直于纤维的方向称为横向。 纵向和横向统称为主轴方向。单向层材料是正交各向异性材料,对它的力学研究以及对它的性能参量的了解乃是对多向层材料以及多向层板层壳结构进行力学研究的基础。

多向层材料中各单向层材料的纤维方向一般是不同的。如何排列这些单向层材料要根据结构设计的力学要求进行。 1.3 建筑幕墙、门窗的复合材料结构设计需要要求复合材料力学 建筑幕墙、门窗由于节能的需要,大量采用隔热型材,这是金属和塑料所组成复合材料的组合梁,目前其强度计算理论还停滞在单一材料的传统材料力学水平阶段,设计与实践相比偏于危险,留下工程安全的稳患,有碍建筑节能。

建筑幕墙、门窗现已采用的PVB夹层玻璃,为了防止面板玻璃爆裂,防飞溅、防坠落的SGP夹层玻璃将推广,目前其强度计算理论还停滞在单一材料的传统材料力学水平阶段,设计与实践相差较大。 以上两例表明,建筑幕墙、门窗要经济安全的运行,设计基础不能停滞于传统单一材料的材料力学理论,而要提升到复合材料力学等现代力学理论。

二、幕墙门窗隔热型材的受力构件——-组合梁 2.1 复合材料组合梁的理论 早在1912年英国的ESAnderws就提出了基于弹性理论的折算截面法,也就是不考虑交界面的滑移,通过两种材料的弹性模量比将两种材料折算成一种材料来进行计算,由于这种方法简单,一直都作为弹性分析、设计的方法,但折算截面法没有考虑交界面的滑移,而实际工程中,滑移不可避免,因此这种方法并不能完全真实地反映组合梁的实际性能,我国的幕墙门窗学术界,在2001年将此理论应用于幕墙门窗铝塑隔热型材组合梁力学分析,(见参考文献2)对促进隔热型材组合梁力学分析起到了一些抛砖引玉作用。

1951年美国Luinois大学的N.M.Newmark等提出了交界面纵向剪力的微分方程觧法,假定连接件为连续均匀,忽略两种材料间的掀起,通过平衡条件、物理及变形的关系,导出微分方程,该方程主要用于分析交界面的剪力分布,不能直接用于分析截面应力。

《钢结构设计规范》2003年以前版夲对混凝土与钢组合梁也是采用折算截面法设计计算,《钢结构设计规范》2003年修订版指出:组合梁的变形计算可按弹性理论进行,原因是在荷载的标准组合作用下产生的截面弯矩小于组合梁在弹性阶段的极限弯矩,即此时的组合梁在正常使用阶段仍处于弹性工作状态。

其具体计算方法就.是折算截面法。分析表明,由混凝土翼板与钢梁间相对滑移引起的附加挠度在10~15%以下,国内的一些试验结果约为9%,原规范认为可以忽略不计。

但近来国内外的试验研究表明,采用柔性连接滑移效应对挠度的影响不能忽视,否则将偏于不安全。因此,这次修订吋就规定要对换算截面刚度进行折减。可以通过对组合梁的换算截面抗弯刚度EIeq进行折减的方法来考虑滑移效应。

采用折算截面法对幕墙门窗铝塑隔热型材组合梁力学计算,近来有一些论文献分析(见参考文献2)认为偏于危险,但尚未见这方面的试验资料,探讨适用于幕墙门窗所用的铝塑组合梁的计算方法,是当务之急需。

什么适用于幕墙门窗铝塑组合梁计算方法?是用折算截面刚度折减法呢?还是采用复合材料的材料力学进行分析呢?本文依照复合材料的材料力学,参考文献1,探讨适后幕墙门窗铝塑组合梁力学计算方法。

2.2 铝塑组合梁的结构状态 复合型材的结构状态分为三种情况: (1)如果铝塑组合梁弹性结合参数相当大,则为刚性复合状态,可用折算截面法进行分析计算。 (2)如果铝塑组合梁弹性结合参数;相当小,两根金属的型材就像彼此松散放置在一起。

则为松散复合型材,可用经典材料力学的同一材质梁、不同惯性矩的荷载分配法进行分析计算。 (3)如果铝塑组合梁弹性结合参数;介于上述两者之间,,两根金属的型材和塑料可通过弹性复合方式来防止位移的产生,则为弹性复合状态。

宜用现代复合材料材料力学进行分析计算。 图1 金属-塑料组合染三种结构复合状态 (a)刚性复合状态 (b)弹性复合状态 (c)松散复合状态 2.3 建筑幕墙、门窗隔热型材的组合梁,宜按弹性复合状态设计计算 2.

3.1相同材料的组合梁刚性复合状态计算: 以简支梁为例,线均布荷载q,跨度L,截面高h,截面宽b。 最大正应力σ刚=(3qL2)/(4bh2) ——[1] 最大挠度f刚=(5qL4)/(384E刚I刚) ——[2] I刚=(bh3)/12 ——[3] 2.

3.2相同材料的组合梁分离复合状态计算: 以简支梁为例,线均布荷载q,跨度L,截面1高h1,截面2高h2,h= h1 h2 截面宽均为b。

根据变形一致的条件,q1=q/(1 EI2/EI1)=(q h13)/(h13 h23) 同理: q2=q/(1 EI1/EI2)=(q h23)/(h13 h23) 截面1最大正应力: σ1分=(3q h13L2)/(h13 h23)(4bh12) —[6] 截面2最大正应力: σ2分=(3q h23L2)/(h13 h23)(4bh22) —[7] 若 h1= h2,h= h1 h2,则h/2= h1= h2,q分= q2=q /2, I分=I1=I2=[b(h/2)3]/12=[(bh3)/12]/8= I刚/8 最大正应力σ分=σ1分=σ2分=2×(3q L2)/(4bh2)—[8] 最大挠度f分=(5q分L4)/(384EI分) = [5(q /2)L4]/(384 E(I刚/8)] =4[(5qL4)/(384EI刚)]=4 f刚——[9] 2.

3.3比较: 比较[1]式和[8]式可得: σ分=2σ刚 ,即二种相同材料截面尺寸相等分离复合状态最大正应力为刚性复合状态最大正应力的2倍,弹性复合状态最大正应力σ弹=(1~2)σ刚 比较[2]式和[9]式可得: 最大挠度f分=4最大挠度f刚,即二种相同材料截面尺寸相等分离复合状态最大挠度为刚性复合状态最大挠度4倍,其复合状态最大挠度f弹=(1~4)f刚 建筑幕墙、门窗隔热型材的组合梁,若按刚性复合状态设计计算则不安全;若按分离复合状态设计计算则不经济;宜按弹性复合状态设计计算。

三、铝塑组合梁的力学分析 3.1 复合材料的材料力学结构理论 设计中,对于弹性中间层不同领域的专家有不同的提法。特别具代表意义的是由K•. Stamm和H•Witte提出的三明治组合叠层理论。

这个理论的基本原理直接应用到铝塑组合梁的力学分析。并参考了塔姆-威特的三明治方程,所得隔热型材的有效惯性矩计算式(简称有效惯性法)(推导见参考文献1) 3.2 弹性结合参数 通过实验确定的弹性结合参数(c 单位:N/mm2)。

图3表示了塑料的弹性结合参数;c和剪切模量G之间的关系。 若c值很小,型材在承载方面表现为松散型复合(图2c),如果c值非常大,则表现为刚性复合(图2a)。 若c值介于上述两者之间,则为弹性复合(图2b)。

图2 弹性结合参数c和剪切模量G之间的关系 3.3 计算假设 根据复合材料力学线性叠层梁理论,铝塑组合梁力学分析计算作如下假设: (1)铝塑组合梁小变形,应变和应力服从虎克定律线性关系。

铝塑组合梁属线性荷载结构。 (2)铝合金材料的弹性模量(70000 N/mm2)与隔热材料的弹性模量(PA= 2500 N/mm2 ;PU=1600 N/mm2)相差悬殊,故在理论计算上只考虑铝合金材料的弹性模量。

作用在塑料上的正应力σ忽略不计。 (3)塑料具有非压缩性, (4))铝塑组合梁全梁平面变形不成立,但铝梁的平面变形成立;具有均匀截面的铝型材,重心通过其对称轴。

3.4 铝塑组合梁几何截面(术语如图所示) 图3 铝塑组合梁截面术语图示 型材顶部: Ao型材截面 Io 惯性矩 So 形心轴 zoo 形心轴与型材顶部表面距离 zou形心轴与型材底部表面距离 型材底部: Au 型材截面 Iu惯性矩 Su形心轴 zuo形心轴与型材顶部表面距离 zuu形心轴与型材zuu部表面距离 复合型材: S 复合型材的形心轴 a 两根金属型材的形心轴间矩 ao 顶部型材形心轴与复合型材形心轴的间距 au 底部型材形心轴与复合型材形心轴的间距 3.

5 金属-塑料复合型材的结构分析摘彔(简称文献1) 我们用如下公式来计算型材的荷载: (1.24) (1.25) (1.

26) 根据第3部分的定义和微分方程,可得到以下公式: (1.27) (1.28) A是一个无量纲量,可用如下公式表示, (1.29) 型材所受的在扭矩和横向压力在下面方程中体现: (1.30) (1.

31) 当这个方程也满足方程(1.15,1.16)和复合对称型材的方程(1.20)时,我们就可以得到一般解。 无量纲变量A表示型材的复合效果特性,对于具有非常大的抗剪刚度c的刚性复合型材,A=1,对于抗剪刚度c为0的松散型复合型材,A=0。

在计算型材挠度时,需要用到方程(1.30)和有效惯性矩的定义。 (1.32) (1.33) 3.6 《建筑用隔热铝合金型材穿条式》(JG/T175-2005) 附录B(资料性附录)隔热型材的有效惯性矩计算公式(简称JG): 计算隔热型材的铝合金型材和隔热条弹性组合后的有效惯性矩计算公式为, 图 4 Ief = Is•(1- v)/(1- v•C) (1) 其中:Is = I1 I2 A1 a12 A2 a22 (2) v =(A1 a12 A2 a22 )/ Is (3) (4) C = λ2/(π2 λ2 ) (5) 式中:Ief—有效惯性矩(单位为cm4); Is —刚性惯性矩(单位为cm4); v—刚性惯性矩的组合参数; C—弹性结合参数; λ —几何形状参数; l—梁的跨度(单位为cm); c —组合弹性值(单位为N/mm2); E—组合弹性模量(单位为N/mm2); A1—A1区的截面积(单位为cm2); A2— A2区的截面积(单位为cm2); a1—A1区形心到隔热型材形心的距离(单位为cm); a2—A2区形心到隔热型材形心的距离(单位为cm); I1—A1区型材惯性矩(单位为cm4); I2—A2区型材惯性矩(单位为cm4)。

3.7 JG公式与欧洲标准化委员会标准 《建筑铝合金隔热型材》(EN 14024, 2000年10月)一致,来源于文献1。

《建筑用隔热铝合金型材穿条式》(JG/T175-2005)附录 Ief = Is•(1- v )/(1-v• C) (1) 与(文献1)的 (1.

32)对比:此中C为(文献1)之A,(1.32)代入(1.30)得(1.33),以简支梁矩形分布为例: fmax=(5ql4)/(384EI)=(40/384)(ql2/8)(l2/EI) =(40/384)(MMAX)(l2/EI) 1/π2=0.

101,40/384=0.104,(0.104-0.101)/0.104=2.9% 故可推出JG/T175-2005之(1)来源于文献1之(1.

33) 3.8 注 3.8.1 参数λ取决于型材的几何形状,隔热条的弹性常数c ,铝的模量E以及梁的跨度l。 λ2(l)= c• a2 • l2 /(E• Is) • v (l-v) (5) 因为λ取决于梁的跨度,所以有效惯性矩是跨度的函数。

对于大的跨度,其值则接近刚性值。如图5所示。 图5 复合型材的有效惯性矩和梁跨度关系曲线图 3.

8.2对荷载进行简化计算时,通常,将窗和幕墙风荷载按图6所示进行简化计算。C的计算公式对于正弦形荷载是严格有效的,而对于矩形、梯形载荷以及三角形载荷也具有较高的精确度。 图6 窗和幕墙风荷载简化计算图 a)矩形荷载 b)梯形荷载 c)三角形荷载 d)集中荷载 3.

8.3计算示例 例1: 图7型材断面示意图单位为mm 通过计算可得: A1 = 2.55cm2 I1= 4.7162 cm4 a1 = 1.

39 cm A2 = 1.58cm2 I2 = 0.1584 cm4 a2 = 1.87 cm E = 70000N/ mm2 l = 150 cm c = 80 N/ mm2 Is = I1 I2 A1a12 A2a22 = 4.

7162 0.1584 2.55×1.392 1.58×1.872 = 15.33 cm4 v=(A1a12 A2a22)/ Is =(2.55×1.392 1.

58×1.872)/15.33 = 0.682 = 82.21 C = λ2/(π2 λ2)= 82.21 /(3.142 82.21) = 0.8928 Ief = Is•(1- v)/ ( 1- v•C ) = 15.

33×(1-0.682)/(1-0.682×0.8928) = 12.46 cm4 例2:隔热型材截面如下图。 (1)有效惯性法计算 图8 型材断面示意图 通过计算可得: A1=256 mm2 I1=13781 mm4 a1=16 mm A2=256 mm2 I2=13781 mm4 a2=16 mm E=70000 N/mm2 l=1000 mm c=80 N/mm2 IS=I1 I2 A1a12 A2a22 =2×13781 2×256×162 = 158634 mm4 ν=(A1a12 A2a22)/IS =(2×256×162)/158634=0.

826 λ2=c•a2•l2/(E•IS•ν•(1-ν)) =80×322×10002/(70000×158634×0.826×(1-0.

826)) =51.329 C=λ2/(π2 λ2)=51.329/(3.142 51.329)=0.839 Ie=IS•(1-ν)/(1-ν•C) =158634×(1-0.

826)/(1-0.826×0.839)= 89914 mm4 (2)折算截面法计算:(见参考文献2) 图9 型材当面量截示意图 将隔热条宽度缩小E1/E2=70000/2900=24倍,即将原3 3改为(3 3)/24=0.

25后生成铝质当量截面如上图。 当量截面惯性矩I:计算公式见参考文献2 I折=IS 0.25×14^3/12=158692 mm4 从以上两种对比计算中可看出: I折/ Ief=158692/89914=1.

77,相差大,折算截面法计算不宜采用;宜用复合材料力学有效惯矩法进行设计计算。 四、采用合格的隔热材质 4.1 带玻璃纤维(以下简称玻纤)增强的尼龙66隔热条 是近年来工程塑料应用于建筑领域的一个很好的实例。

它的出现解决了长期困扰铝门窗行业发展的大问题:即以铝合金门窗为代表的金属门窗不节能的问题。这些年来随着相关行业标准的出台对隔热条质量要求也愈加严格,以聚氯乙烯(即PVC)为代表的不合格产品正在退出隔热条市场,而玻纤增强的尼龙66隔热条正以惊人的速度发展,预计2005年玻纤增强尼龙66隔热条市场用量可达1亿m以上。

4.2 尼龙66是性价比很高的工程塑料 具有较高的机械强度和很好的耐热性。

但尼龙66本质是合成的有机高分子材料,它也具有高分子材料本身固有的特性,即蠕变特性。所谓的蠕变性就是指塑料材料在一定的外应力作用下,其形变随时间增加而增加的现象。

未经增强改性的尼龙66是不可能直接做成隔热条使用的。如果真的采用未经增强改性的尼龙66,我们可以想象在窗框和玻璃重量作用下,这种纯尼龙66隔热条将会随时间延长而逐渐变形,所造成的后果将不堪设想。 为了抑制尼龙66的蠕变性可加入多种填充物进行改性,国内外的实验已经证明,在所有增强填充物中玻纤对蠕变的抑制效果是最好的。

其次经玻纤增强后的尼龙66在强度、刚性和热变形温度方面都有大幅度提高,如加入25wt%以上玻纤增强的尼龙66比抗张强度可达1500以上,这与硬铝或合金钢的比抗张强度(1500~1600)相当,真正实现了隔热条与铝合金在力学性能上的匹配。

此外纯尼龙66的线膨胀系数是7*10-5K-1,这一数值是铝合金的近三倍,而加入25wt%以上玻纤增强后尼龙66线膨胀系数可降至(2.

5~3)* 10-5K-1,与铝合金的线膨胀系数非常接近,这样就避免了由于热胀冷缩作用导致隔热条从型材间脱落的危险。

无数实验已证明,在尼龙66所用增强填充物中唯有玻璃纤维增强的尼龙66才有可能达到与铝合金相同的线膨胀系数。 4.3 玻纤能大幅提高或改善尼龙66的诸多性能 但其不利影响也是显而易见的:玻纤的加入使尼龙66原有的光滑表面变的粗糙,从而影响到产品的表面质量。

另外玻纤对加工设备的磨损十分严重,大大增加了机器方面的损耗费用。因此玻纤增强尼龙66隔热条的生产技术是一项高端技术,目前国内能完全掌握该生产技术的厂家并不多。

现在市面上多个厂家在销售尼龙66隔热条,都声称其中的填充增强物为玻纤,可经检测发现事实并非如此。有的完全采用廉价的矿物(如碳酸钙、滑石粉等)进行填充,这类矿物填充除了带来成本降低之外,对隔热条其它性能(如强度、线膨胀系数等)的改善极为有限;有的采用大部分矿物与少量玻纤(低10wt%)混合填充的办法进行增强,殊不知玻纤含量如达不到一定程度(一般不少25 wt%)其增强作用会大打折扣。

还有更假的非但填充增强物不能保证是玻纤,连尼龙66都要在里面添加一些如聚丙烯,聚醋酸乙烯等之类的非工程塑料。 4.4 玻璃纤维在隔热条里的取向问题 在隔热条里起增强作用的玻纤通常由E型玻璃熔融后由熔炉中抽出纤维状细丝制成,其化学成分是钙-铝的硅酸盐。

E型玻纤具有优良的力学性能,还有很好的耐热性、耐腐蚀性和尺寸稳定性。隔热条的成型加工要通过挤出机来完成,在挤出过程中,尼龙66熔体中的聚合物分子链不可避免地受挤出机的剪切作用,这种剪切作用力方向与挤出方向是一致的,因此加工时尼龙66分子链会沿着挤出方向排列取向(即分子链沿挤出方向伸展以减少阻力)。

作为尼龙66熔体中的增强填充材料的玻纤本身具有很高的长径比(通常在50-100之间),它也受挤出机剪切作用而取向,但二者取向有明显差别:尼龙66分子链具有粘弹性因此当其熔体从挤出机挤出时由于剪切力瞬间消失,尼龙66分子链马上收缩回弹;玻纤不具有尼龙66特性,其刚性是主要的,故玻纤沿挤出方向的取向是不会消失的,且这种取向很快随尼龙66熔体的冷却定型。

25%的玻璃纤维,是比较合适的数据,加的太多了,隔热条就脆了。 4.5隔热型材内外铝材 在位移为4.

5mm时高、低温纵向剪切强度要合格。 隔热型材实际应用中,内、外侧温差很大,例如在南方夏季及北方冬季内外侧温差均可达50℃以上,如图所示。 2006年,北京最低气温为-27.4℃;如果考虑到在距离地面90m~100m的气温,相对低3℃左右;高层建筑的室外气温能达到-30℃。

在-30℃时隔热材料的弹性性能能否满足隔热幕墙室内、外温差带来的形变影响吗? 铝合金线膨胀系数为2.35×10-5/℃,每米铝合金型材当温度提高(降低)1℃时,会增加(减少)0.

0235mm。当幕墙杆件长度为3.5m,室内(20℃)、室外(-30℃)铝合金型材温差为50℃时,室内、外型材的长度差为: 0.0235×3.5×50=4.

113mm,在内外长度差的变形作用下隔热材料要有足多弹性和强度,保持型材不会断裂。隔热材料冷、热弹性不可忽视。隔热型材内外铝材在位移为4.5mm时纵向剪切强度要合格。 五、铝塑分离面的强度 要重视工艺对隔热型材质量的影响。

5.1 计算理论值 不同的厂家生产的工艺不一样,铝型材与隔热材咬紧程度就存在差异。工艺对隔热型材质量的影响值得重视。 例如穿条式隔热型材,型材的槽口形状及精度、滚齿,穿条,滚压复合等工序,都直接影响隔热型材的质量和力学性能。

滚 齿 穿条,滚压复合 德国泰诺风标准槽口 意大利ALFAMID隔热条标准槽口 压合部位 穿条,滚压复合后型材腔 5.2 滚齿或着滚压力量不够 容易出现抽屉现象,计算强度时内外型材只能按复合材料组合梁来计算强度,强度会差很多.

如果滚压力量太大或型材材质太硬,则滚压后会产生裂纹,对型材的安全性是个极大的威胁。 穿条咬紧程度差或滚压后会产生裂纹,分离面产生滑移,则相当于分离复合状态。

穿条咬紧程度好,分离面没有产生滑移,则相当于弹性复合状态或刚性复合状态。 5.3 带热熔胶线隔热条 插入隔热条端头的热熔胶线,为丙烯酸所制成的乙烯共聚体,贯穿于整个隔热条的全长。

在粉末喷涂期间,热熔胶会膨胀(体积增加),使聚酰胺隔热条的端头与铝合金的槽口产生良好的粘接。剪切力测试显示用带热熔胶线隔热条组合的型材具有更好表现性能与机械强度。国外型材基本都是在穿完条后才喷涂的,使连接强度更好。

六、铝材与隔热材料分离面最大应力计算 6.1 铝材与隔热材料复合而成的组合梁 其线荷载设计值为q,型材宽b,在梁的跨度取一微段dx,如图三a所示,在m-m截面和n-n截面上作用有正应力和剪应力,铝材和隔热塑料分界面m1n1,将铝材从微段dx分离,如图三b所示,在分离面m1m1n1n1上作用有剪应力τ分和正应力σ分,在mmm1m1面上作用有弯曲剪应力τ弯。

拉力 剪力 图 离面的受力示意 6.2分离面最大剪应力τ分max计算 根据剪应力互等定律:τ分=τ弯, 依照材料力学计算公式: 图三 Q───截面所受剪力 S───截面静面矩 JY───截面惯性矩 B───隔热塑料截面宽 矩形梁上的mmm1m1截面(图四)静面矩,可按下式 计算: 铝塑分离面的 ,最大剪应力发生在剪力最大截面,矩形梁分离面的最大剪应力的设计值可按下式计算: Qmax───最大剪力设计值(N) JY ───截面惯性矩(mm4) H ───截面总高度(mm) h ───塑料隔热条总高度(mm) τ分max──分离面最大剪应力设计值(N/mm2) 图四 隔热铝型材截面的一部分是断热条,在结合良好的加工条件下,可以认为断热条与铝型材保持平截面,应变ε线性分布。

尼龙条是存在切向弹性变形的,这种变形使得变形前杆件的某一横截面,在变形后己不处同一平面(见图)。这种变形与铝–塑的结合没有关系,即便“结合良好”这种变形依然存在。 显然,经典力学中解决均质杆件的平面假设——应变将沿截面高qdx-σ分maxb2dx=0,则分离面的最大正应力可按下式计算: q ───线荷载设计值(N/mm) b2───塑料隔热条宽(mm) σ分max───分离面最大正应力设计值(N/mm2) 6.

3例: [知]:某一幕墙工程的力柱采用隔热铝材,其截面几何尺寸见例一,承受线荷载的设计值q=8 N/mm,塑料隔热条的宽度b2=20mm,按简支梁计算,跨度ι=3000mm。

[求]:分离面最大剪应力设计值 分离面最大正应力设计值。 图五 (1)依照图五的剪力图,最大剪力发生在支座处,该截面的剪力设计值为: ,分离面的最大剪应力设计值计算如下:由例一得知:b3=600mm,H=100mm,h=80m,jy=0.

25×108mm4, = = (2)依照图五的剪力图,跨中截面剪力为0,分离面的最大拉应力发生在该处,其设计值可计算如下: 6.4 隔热材与铝合金型材之间高、低温分离强度不够 会出现滑动导致抗剪能力的丧失,大大降低了型材本身的承载能力,当前应引起重视。

七、 隔热型材的隔热材料与粘弹性力学 7.1 目前隔热型材的隔热材料为线性粘弹性材料 宜用粘弹性力学来提升隔热型材的隔热材料的性能。研究、明确隔热型材的隔热材料蠕变、松弛及力学性能的时效。 7.2 什么是线性粘弹性 粘弹性 材料兼具弹性和粘性的性质称为粘弹性,材料的粘性性质主要表现为应力与应变率有关,塑料、橡胶、油漆、树脂、玻璃、陶瓷、混凝土和金属等工业材料,肌肉、骨骼、血液等生物材料、土壤、岩石、沥青、石油、矿物等地质材料,常同时具有弹性和粘性两种不同机理的形变,组合地体现粘性流体和弹性固体两者的特性,材料的粘弹性性能依赖于温度,负荷时间,加载速率和应变幅值等条件,其中,温度和时间的影响尤其明显。

材料的粘弹性有线性和非线性两大类,如果材料性能表现为线弹性和理想粘性的组合,则称之为线性粘弹性。 7.3 蠕变与回复 蠕变与回复 在恒定载荷作用下材料形变随时间而增加的过程称为蠕变,许多材料在一定条件下都出现蠕变现象,图26.

1表现一种蠕变曲线,在t0时刻作用—突加应力σ0,材料呈现瞬时弹性应变响应δ0=Eσ0;在恒应力σ0的作用下应变随时间而增大,如图中ABC。这就是蠕变过程,t1时刻卸除应力σП,出现瞬时弹性回复CD;随后应变继续减小,试件逐浙恢复原状的过程DE,称为滞弹性回复。

图26.1 蠕变与回复 线性粘弹体应力σ0H(t)的作用下随时间变化的应变响应表示为 ε(t)=J(t)σ0 (26.

1) 式中J(t)称为蠕变函数或蠕变柔量,它表征材料在单位应力作用下的应变变化规律。 图26.2 应力松弛曲线 应力松弛 应变恒定时应力随时间而减小的现象称为应力松弛,图26.2表示应力松驰过程,线性粘弹性固体内的应力经过一段时间后衰减至某一定值;粘弹性流体的应力则会较快地松弛至零。

八、加强铝合金隔热型材产品质量的一些建议 8.1 建议修订GB 5237.6-2004版标准 8.1.1 2004版起草的隔热型材标准 是综合参照欧盟标准草案(prEN 14024-2000《隔热金属型材性能要求和测试试验》)、美国建筑协会制定的技术文件(AAMA TIR-A8-1990《隔热建筑铝合金型材结构性能》)等标准制定的,由于条件限制我国对隔热型材的质量与性能研究不够充分,对国外各种复合性能检测方法也缺乏深入认识,再则上述技术文件均存在内容不完整等不足之处。

2004年欧盟、美国已先后已正式发布和修订了EN 14024-2004标准和 AAMA TIR-A8-2004技术文件。这样必然造成GB 5237.

6-2004国标与欧盟及美国标准相比存在差距与不足。为了确保产品质量水平、完善标准,与国际接轨,满足了我国铝合金隔热建筑型材行业的生产和国内外贸易的需求,提升我国隔热行业的国际地位和竞争力,修订隔热建筑型材标准迫在眉睫。

8.1.2修订隔热建筑型材标准的一些想法 8.1.2.1考虑用于有效跨度≥2.25m的幕墙构件的隔热型材(CW材)使用性能及用户要求。 8.1.2.2在确定产品性能指标时,以试验数据为基础,运用价值工程原理,力求各项技术指标功能匹配合理。

既考虑中国国情又能与国际接轨。 8.1.2.3确定试验方法,在参考采用EN14024-2004、TIR-A8-2004标准的同时,应根据国情确定行之有效、可操作性的试验方法。

8.2 断热铝材用於建筑幕墙和铝门窗的结构件时,应按复合材料力学基本原理进行有关力学设计计算。隔热条应按粘弹性力学基本原理增加性能耍求。 8.3 隔热型材技术要求建议: 8.

3.1 规定静强度验算要求; 8.3.2 规定隔热型材剪切弹性常数特征值要求; 8.3.3 规定高温持久纵向剪切试验(M3)并计算蠕变系数A2(=Tn cRT /Tm3cRT)值; 8.

3.4 规定低温横向抗拉特征值Q M1CLT 、高温横向抗拉特征值 Q M1CHT; 8.3.5 规定传热系数(最大隔热系数值)及计算方法;确定隔热系数的试验方法(包括试验设备、装置、操作方法等)及计算方法。

8.4 应分别对铝型材和隔热材料进行承载能力进行验算。 建议: σ铝max≤fa;σ塑max≤f塑拉;τ塑max≤f塑剪; σ分max≤f分拉;τ分max≤f分剪; σ铝max──铝材最大弯曲拉应力设计值 σ塑max──隔热塑料最大弯曲拉应力设计值 τ塑max──隔热塑料最大弯曲剪应力设计值 σ分max──铝材和隔热塑料分离面最大拉应力设计值 τ分max──铝材和隔热塑料分离面最大剪应力设计值 fa──铝材拉伸强度设计值。

可按JGJ102规范选取 f塑拉──隔热塑料拉伸强度设计值 f塑剪──隔热塑料剪切强度设计值 f分拉──隔热型材的铝材和塑料分离面抗拉强度设计值 f分剪──隔热型材的铝材和塑料分离面抗剪强度设计值 ; ; ; ; f塑拉标──隔热塑料拉伸强度标准值 f塑剪标──隔热塑料 剪切强度标准值 f分拉标──隔热型材的铝材和塑料分离面抗拉强度标准值 f分剪标──隔热型材的铝材和塑料分离面抗剪强度标准值 K2───安全系数 K2=3.

5 KQ───蠕变系数