穿條式隔熱鋁型材抗剪強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外兩部分鋁合金型材連接而成，其隔熱材料與鋁合金復合后的縱向抗剪強度的大小，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算，分析彈性組合值對門窗抗風壓性能及氣密、水密性能的影響，并提出了解決方法。

【關鍵詞】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

【文獻標識碼】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確定的情況下，構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件的撓度即抗風壓性能。

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，并使之被鋁合金型材牢固咬合的復合方式。由于隔熱條與鋁合金型材復合而成，在進行門窗、幕墻結構計算時，應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算時，組合彈性值是影響等效慣性矩的關鍵參數，組合彈性值與隔熱型材的縱向抗剪強度有直接的關系。

2.穿條隔熱型材縱向抗剪強度與組合彈性值

2.1穿條隔熱型材的縱向抗剪強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）計算：

2.2組合彈性值是在縱向抗剪試驗中負荷-位移曲線的彈性變形范圍內的縱向剪切增量與相對應的兩側鋁合金型材出現的相對應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）計算，計算取值見圖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度密切相關。

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算

穿條式隔熱型材截面如圖2所示，圖中：

Al—鋁型材1區截面積（mm2）；

A2—鋁型材2區截面積（mm2）；

S1—鋁型材1區形心；

S2—鋁型材2區形心；

S—隔熱型材形心；

I1—1區型材慣性矩（mm4）；

I2—2區型材慣性矩（mm4）；

a1—1區形心到隔熱型材形心距離（mm）；

a2—2區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，其截面參數如下：

根據我們對近年隔熱鋁合金型材縱向抗剪試驗數據分析，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室溫時的典型代表值80 N/ mm2、50 N/ mm2、24 N/ mm2、15 N/ mm2進行計算其對隔熱型材的等效慣性矩的影響，計算結果見表1，根據結果繪制曲線見圖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系，即慣性矩越大，桿件撓度變形越小。而縱向剪切強度（彈性組合值C）的值又影響等效慣性矩大小，因此，在復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合強度的隔熱型材，其復合慣性矩較大且滿足承載要求，若選用較小的復合強度，則需較大的鋁型材截面對于隔熱型材的優化設計不利。

4.組合彈性值c對門窗抗風壓性能、氣密及水密性能的影響

4.1對抗風壓性能影響

以圖3所示隔熱型材為例，主要受力桿件支承間距1500mm時，當C值分別取80 N/ mm2、50 N/ mm2、24 N/ mm2及15 N/ mm2時，其對應的等效慣性矩分別為16.18 cm4、14.35 cm4、11.15 cm4和9.20 cm4。此時，C值為50 N/ mm2、24 N/ mm2及15 N/ mm2時的等效慣性矩分別相當于C值為80 N/ mm2時等效慣性矩的88.6%、68.9%及56.8%。根據門窗受力桿件撓度計算公式，則相應的抗風壓能力分別是C值為80 N/ mm2時的抗風壓能力的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，經計算其對應的最大抗風壓性能分別為：5076Pa、4497 Pa、3497Pa 及2883Pa，抗風壓性能差別很大。

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合，是唯一的受力傳載結構。當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生縱向剪切失效，也即隔熱條相對鋁型材產生移動，則導致內外側鋁型材通過隔熱條產生漏氣、漏水，也即影響門窗系統的氣密和水密性能。

5.解決措施

5.1穿條隔熱型材主要由開齒—穿條—滾壓復合及縱向抗剪強度檢測工序構成，其中開齒與滾壓工序是關鍵工序，對穿條隔熱型材的縱向抗剪性能起到關鍵作用，而檢測工序則對開齒與滾壓工序進行監督，及時發現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，槽口內側B處（見圖6）應少開齒或不開齒，開齒部位應在外錘頭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），保證在隔熱型材經滾壓后，外錘頭能插進隔熱條內，從而保證隔熱型材的各項復合性能。

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，結果型材的縱向抗剪強度很小，特征值小于24 N/ mm，不符合鋁合金隔熱型材標準（GB5237.6）對縱向抗剪特征值應大于24 N/ mm的要求。

5.3提高隔熱型材縱向抗剪強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合出的隔熱型材的剪切強度，鑒于開齒盤的磨損，應定期更換，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合的關鍵；第三，對縱向剪切強度的適時檢測是穿條隔熱型材復合性能穩定的有效保證。

此外，根據鋁合金隔熱型材工程使用地的環境溫度條件，合理調整生產工藝，保證型材在不同溫度條件下的縱向抗剪強度值滿足工程對型材抗風壓性能的特殊要求。

6.結語

鋁合金隔熱型材桿件的抗風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成正比例關系，而彈性組合值C的大小取決于縱向抗剪強度。因此，合理調整穿條復合工藝，是穿條式隔熱鋁型材發揮性能的保證。

參考文獻

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[4]鋁合金建筑用隔熱型材生產工藝技術規范 YS/T844-2012

（作者單位：山東省建筑科學研究院）