溫度對隔熱斷橋型材的影響

周秀紅 李遠(yuǎn)

【摘要】隔熱斷橋型材是由隔熱條和鋁合金型材復(fù)合而成的，本文通過理論數(shù)據(jù)的計(jì)算、工程實(shí)例的案例分析，并輔以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的校核，研究了溫度對隔熱斷橋型材所產(chǎn)生的影響。

【關(guān)鍵詞】線性膨脹系數(shù);隔熱斷橋型材;熱變形

隨著建筑節(jié)能指標(biāo)的不斷提升， 促使隔熱斷橋型材的應(yīng)用越來越廣泛，大家對隔熱型材的相關(guān)性能也早已不陌生了。然而我們之前討論比較多的都是隔熱斷橋型材的各項(xiàng)力學(xué)性能、穩(wěn)定性能，以及加工方案等內(nèi)容。然而對于實(shí)際使用時(shí)會遇到的問題可能少有人關(guān)注，下面我們就對會造成使用困擾的 ?問題來進(jìn)行研究，尤其是溫度問題。

眾所周知，隔熱斷橋型材是由隔熱條和鋁合金型材復(fù)合而成的。隔熱條和鋁合金型材的線性膨脹系數(shù)雖然比較接近，但是還是有差異的。鋁合金的線膨脹系數(shù)是α=2.35 X10-5K-1，隔熱條的線性膨脹系數(shù)為2.3-3.5X10-5K-1。以泰諾風(fēng)為例，隔熱條的線性膨脹系數(shù)為α=2.8X10-5K-1，取L0=1.5m的桿件長度，溫差變化取?T= 30℃，可以分別計(jì)算在沒有約束的情況下兩種材質(zhì)的溫度熱變形量：

隔熱條：?L=αL0?T=2.8×10-5×1.5×103×30=1.26mm

鋁合金：?L=αL0?T=2.35×10-5×1.5×103×30=1.06mm

對于門窗而言1.5m的桿件在溫差30℃的情況下，隔熱條和鋁合金型材的溫度變形量僅僅相差0.2mm，大概占到桿件長度的0.01%，加上約束這個(gè)變形是可以吸收的。所以隔熱斷橋型材的溫度變形基本是同步的，不會產(chǎn)生型材內(nèi)部使用上的問題。

接下來我們將以一個(gè)實(shí)際案例來分析一下在溫差比較大的地區(qū)熱變形會不會產(chǎn)生使用的問題。

1.發(fā)現(xiàn)問題

客戶發(fā)郵件來反映在美洲Gooderham項(xiàng)目上提升推拉門啟閉異常事宜，遇到客戶投訴?？蛻舴答伒那闆r如下：

1.1其中遭到投訴的10堂推拉門，分布在不同樓層和不同立面?，F(xiàn)場的陣風(fēng)風(fēng)壓沒有實(shí)測過?，F(xiàn)場的人體感風(fēng)壓有時(shí)大，有時(shí)候小。

1.2外扇變形朝室外拱，中間鼓起約4-5mm。內(nèi)扇幾乎沒有變形，1-2mm變向朝室內(nèi)拱，目前數(shù)據(jù)都來自總包，出現(xiàn)的季節(jié)集中在冬天，有8樘，1樘在春天，1樘在夏天。關(guān)不上的情況都是變形引起。冬天發(fā)生的時(shí)候，據(jù)總包反饋，當(dāng)稍微出現(xiàn)點(diǎn)太陽的時(shí)候，門就可以關(guān)上了。最冷的時(shí)候因?yàn)樘錄]有人開門，所以也沒有數(shù)據(jù)。

1.3勾起沒有變形，關(guān)不上的情況非持續(xù)性，是偶發(fā)且短暫發(fā)生。

1.4多倫多所有使用此提升推拉門的工程，相隔距離不超過5公里。其他工程沒有出現(xiàn)過類似情況。詳見圖1所示。

圖1 ?變形的推拉門型材

2.分析問題

當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件如下：多倫多地區(qū)冬季溫度在-10℃左右，體感溫度-16-17℃。最冷的時(shí)候可以達(dá)到-30℃，體感溫度可以達(dá)到-40℃。室內(nèi)溫度為20-25℃?；撅L(fēng)壓設(shè)計(jì)值為2.5KN/m2，門的尺寸為2.0×1.0m。出現(xiàn)變形的門基本都處在轉(zhuǎn)角位置。客戶使用的設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

溫度分析：根據(jù)現(xiàn)場反饋可知，室內(nèi)外溫差最高可達(dá)55℃。而勾起的線性膨脹系數(shù)為2.8x10-5K-1。簡化的計(jì)算模型如圖3所示。

由溫度引起的變形量為：=55×2.8×10-5×2.0×1000=

3.08mm。

由軟件計(jì)算可得如圖4所示。

圖4

由上圖計(jì)算軟件得出計(jì)算數(shù)據(jù)撓度的值為48.074mm。

對于型材而言：線性膨脹系數(shù)為2.35x10-5K-1，由溫度引起的變形量為：=55×2.35×10-5×2.0×1000=2.585mm。由軟件計(jì)算可得：

圖5

由上圖計(jì)算軟件得出計(jì)算數(shù)據(jù)撓度的值為44.04mm。

如果是由溫度引起的變形室外側(cè)為低溫，室內(nèi)側(cè)為高溫，變形應(yīng)該是像室內(nèi)側(cè)彎曲（熱脹冷縮原理），而不是現(xiàn)場反饋的像室外側(cè)彎曲。由以上兩點(diǎn)可知，此變形不是因?yàn)闇夭钤斐傻摹?/p>

圖6

圖7

圖8

圖9

風(fēng)壓分析：

v=（A1 a12+ A2a22）/Is

=（263.7×20.22+ 312.4×17.82）/（43×104 ）=0.48

λ==17.9

β=λ2/π2+λ2 =0.97

Ief = IS × { （1 - n） / （1 - n ×β） } ?=43×{ （1 - 0.48） / （1 - 0.48×

0.97 ） }=41.84cm4

wk=βgz?s?zw0=2.5 KN/m2

q= wkB/2=2.5×0.5=1.25 KN/m

M=ql2/8= 1.25×22/8=0.625KN.m

N=Gg·H·B=0.31×2×0.5=0.31KN

圖10

σ=N/A0 +M/（γWX ） ?=（0.31×1000）/753.6+（0.625×106）/（1.05×8627）=69.2N/mm2<85.5 N/mm2 強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

Ymax = 5ql4/（384EI）=5×1.25×（2×1000）4/（384×70000×

41.84×104）=9mm

允許的撓度限值是 L/180=11mm>9mm，滿足撓度限值要求。

實(shí)際使用中的5mm<9mm，即滿足設(shè)計(jì)要求。溫度變形和風(fēng)壓變形二者疊加后的變形為：44.04-9=35.04mm，不滿足實(shí)際使用要求。

結(jié)論：此工程由溫度變形引起的變形方向與實(shí)際出現(xiàn)的方向不符，因而不是由于溫度變形引起的過度變形。而強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。雖然撓度滿足限值要求，但是不滿足實(shí)際的使用要求。已經(jīng)超出了此工程反映的撓度變形的要求。

3.解決方案

針對以上容易出現(xiàn)的問題，我們綜合考慮了當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境溫度的特殊性，以及較大風(fēng)壓的情況，建議可以采取以下兩種方案來解決和改善這種問題的發(fā)生。

3.1可以將勾起與型材固定位置的開孔由圓孔改為長圓孔，這樣有利于勾起在溫差下的變形伸縮。

3.2增強(qiáng)型材的斷面設(shè)計(jì)，從而增加型材的強(qiáng)度和有效慣性矩，進(jìn)而控制型材的撓度和溫度變形。如圖11所示。

圖11

對于復(fù)雜環(huán)境的區(qū)域，建議我們做好強(qiáng)度，撓度相關(guān)的力學(xué)計(jì)算，從而減少或者規(guī)避因?yàn)榉桨覆蛔愣鴰淼氖褂脝栴}。除此之外我們建議對于門上用隔熱條可以選擇防拱型隔熱條，以20mm寬隔熱條為例試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖12

結(jié)論如下：a.常規(guī)隔熱條溫差變形比防拱隔熱條要大;b.隨著溫差的不斷增大，防拱型隔熱條的形變率比常規(guī)條要低。所以防拱隔熱條的應(yīng)用也會降低溫差變形對隔熱斷橋門窗的影響。

通過以上理論數(shù)據(jù)的計(jì)算、工程實(shí)例的案例分析，并輔以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的校核，我們可以知道溫度引起的熱變形也是不能被忽略的一種現(xiàn)象對于復(fù)雜氣候條件的地區(qū)，即溫差變化比較大的地區(qū)，或者濕度比較大的地區(qū)要尤其慎重考慮隔熱斷橋型材的熱變形。而對于這種情況的發(fā)生，我們可以采取的解決辦法是先確定力學(xué)因素還是溫度因素，如果是力學(xué)因素我們可以選擇增加型材斷面、加強(qiáng)剛度，如果是溫度因素可以考慮選擇具有防拱功能的隔熱條。通過對以上方法的選擇，我們能夠?qū)崿F(xiàn)一些復(fù)雜區(qū)域的隔熱斷橋型材的設(shè)計(jì)，可以解決一些不必要問題的發(fā)生。 讓我們的工程近最大限度的滿足我們的使用需求。對于熱變形的問題此文章拋磚引玉，后續(xù)還會有進(jìn)一步的研究。

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[3] GBT23615.1-2017《鋁合金建筑型材用隔熱材料第1 部分：聚酰胺型材》

（作者單位：泰諾風(fēng)公司）

【中圖分類號】TU532.7

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】1671-3362（2019）11-0056-03