結構巖棉金屬面夾芯板在無檁體系墻面中的應用

劉輝璋，王保強，劉逸寒

（多維聯合集團有限公司，北京 100070）

1 研究背景

建筑用墻面夾芯板的內外面板通常為平板或淺壓型金屬板，芯材為在垂直于面板方向有足夠剛度且較厚的輕質材料，如玻璃絲棉、普通巖棉和結構巖棉等。金屬面夾芯板因具有質量輕、剛度大、隔熱和隔聲性能好及綠色環保等優點，被廣泛應用于建筑外墻。為墻板安裝方便，室內視覺觀感良好，無檁體系墻面構造做法應運而生。本文從理論計算、承載力試驗以及工程實踐3個方面闡述結構巖棉金屬面夾芯板在無檁體系墻面中應用的可行性。

2 理論計算

2.1 圍護系統方案

方案采用的外墻板為厚120mm巖棉夾芯板，芯材容重120kg/m3，外板厚0.7mm，內板厚 0.6mm，屈服強度300MPa；檁條支撐為矩形管（尺寸200mm×100mm×4mm），材質Q235B，間距6m，垂直于墻板長度方向，如圖1所示；夾芯板與檁條之間采用M6.3mm×150mm自攻螺栓固定，間距200mm，如圖2所示。

圖1 夾芯板試驗平臺

圖2 自攻螺栓布置方式

夾芯板圍護系統抗風承載力設計應以整個圍護系統作為研究對象，其承載力取決于板材自身強度、板材之間連接強度及板材與支撐結構之間的連接強度，并取三者中的最小值。抗風設計應考慮風壓力和風吸力2種工況，風壓力工況下其承載力可按照CECS 411：2015《金屬面絕熱夾芯板技術規程》第5.2.5條執行；風吸力工況下，需采取構造措施滿足規范的計算假定，即夾芯板沿寬度方向始終與支座接觸，或通過抗風揭試驗驗證夾芯板系統在負風壓下的承載力。

2.2 理論計算

根據初步確定的圍護系統方案進行夾芯板的外層彩涂板在自攻螺栓連接處的抗風吸計算，可按《冷彎型鋼鋼結構技術規范》（送審稿）執行；風壓力工況計算按《金屬面絕熱夾芯板技術規程》執行。均布荷載對夾芯板變形起控制作用。具體計算如下。

2.2.1 抗風吸連接計算

1）彩鋼夾芯板在自攻螺栓連接處拉脫承載力驗算：釘帽直徑最大值為14mm，故夾芯板釘頭連接處壓型鋼板抗拉脫承載力設計值為：

根據上述計算可知，當風荷載設計值達到2.18kN/m2，對應的荷載標準值為1.45kN/m2時，自攻螺栓的承載力達到限值，同時彩鋼板拉脫承載力達到限值。

2.2.2 抗風吸撓度計算

《金屬面絕熱夾芯板技術規程》第5.2.1條對夾芯板撓度w計算公式如下：

式中，k為剪切剛度影響系數；Bs為板抗彎剛度（N·mm2）；Gc為芯材的剪切模量（MPa）；EF1和EF2分別為上下面板彈性模量（MPa）；AF1和 AF2分別為上下面板面積（mm2）；As為單位寬度芯材面積（mm2）。

墻面夾芯板撓度按L/150=40mm控制時，當巖棉芯材的剪切模量Gc為6.39MPa（廠家提供）時，由上式計算出風荷載的標準值為1.92kN/m2。綜合以上計算結果，當風荷載標準值≤1.45kN/m2時，跨度6 000mm、厚度120mm的巖棉夾芯板滿足計算要求。當夾芯板兩端由自攻螺栓固定，且保證夾芯板端部始終與檁條接觸時，其設計承載能力由變形控制。

3 承載力試驗

為研究金屬面夾芯板圍護系統在負風壓下的抗風性能，設計人員在金屬圍護系統試驗平臺上進行多組測試，如圖3所示。最終，板材在跨中皺屈破壞，試驗結束。

圖3 試驗平臺

本試驗采用荷載逐級增加的方式進行，當荷載加至1.8kN/m2，板撓度為38.14mm；當荷載加至1.9kN/m2，板撓度為40.42mm；當荷載加至2.1kN/m2，持續2min后板跨中向上皺屈斷裂，試驗結束。取墻板破壞的上一級荷載作為其極限承載力，數值為1.9kN/m2。此數值與抗風撓度限值L/150反算的1.92kN/m2較吻合。

為防止夾芯板沿板端寬度方向破壞，本試驗在夾芯板寬度方向均勻固定5顆自攻螺栓。試驗結果如下：由輕質芯層支撐的平表面或淺壓型金屬面層受壓時，在應力遠低于面層材料屈服強度時，面層在應力較大的薄弱處突然出現彎折皺屈破壞。原因是平表面夾芯板面層完全依靠芯層的支撐作用，其在承受彎曲荷載作用時，受壓面層在較低荷載作用下出現短波長皺紋時，隨著荷載增加而變大。由于芯層的支撐而使這些皺紋保持穩定狀態，一般情況下，當彎矩最大截面處皺紋向內皺折失穩而形成褶皺時，將導致板件發生皺屈破壞。

當金屬面夾芯板沿寬度方向和插接口連接處有一定加強措施，且使夾芯板端部始終與檁條接觸時，夾芯板由于芯材強度低，構件抗彎承載力一般由變形控制，當跨中撓度達到L/150時，鋼板中的應力很小，基本處于彈性狀態，而此時夾芯板斷裂，達到極限狀態。此時，夾芯板的承載能力由撓度變形控制。

4 工程實踐

浙江省嘉興市某食品加工廠項目金屬面板采用無檁體系，200mm厚的巖棉夾芯板外墻跨度7.5m，通過長時間使用，外觀平整（見圖4），說明無檁體系金屬外墻板可滿足使用要求。

圖4 夾芯板跨度7.5m使用正常

5 結語

在金屬面夾芯板外墻中，夾芯板的承載力通常取決于金屬面層的屈服強度，受壓面層的皺屈、屈曲強度或芯材的剪切強度等。在表面為平板或淺壓型鋼板夾芯板中，鋼板的屈曲應力主要取決于材料的彈性性能，而抗風連接處的承載力主要取決于鋼板的屈服強度及加強板的厚度和材質。當夾芯板端部始終與檁條接觸時，夾芯板的承載能力通常由變形控制，從而為結構巖棉金屬面夾芯板在無檁體系墻面中的應用提供理論支撐和技術支持。