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金屬幕墻中鋁塑復(fù)合板折邊處受力分析

2013-12-10 10:33:22 作者: 來源:第一幕墻網(wǎng) 我要評(píng)論1

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    1、前言
    金屬幕墻是繼玻璃幕墻[1]之后而發(fā)展起來的又一種新型幕墻結(jié)構(gòu),金屬幕墻[2]經(jīng)常與玻璃幕墻同時(shí)使用于同一建筑物上。通常建筑物的透光部分用玻璃幕墻,不透光部分采用金屬幕墻。由于金屬板材( 鋁塑復(fù)合板、鋁單板、蜂窩鋁板、夾芯保溫鋁板等) 的優(yōu)良的加工性能,色彩的多樣及良好的安全性,能完全適應(yīng)各種復(fù)雜造型的設(shè)計(jì),可以任意增加凹進(jìn)和凸出的線條,而且可以加工各種型式的曲線線條,因而金屬幕墻作為一種極富沖擊力的建筑形式,給建筑師以巨大的發(fā)揮空間,倍受青睞。大規(guī)格金屬板面在工程中被廣泛的采用,為保證金屬板面的平整度因而需進(jìn)行合理的受力計(jì)算。國內(nèi)對(duì)金屬幕墻中鋁塑復(fù)合板折邊處受力的研究較少,本文采用有限元方法,把鋁塑復(fù)合板作為受力分析對(duì)象,研究折邊周圍的最大應(yīng)力分布,為金屬幕墻受力分析提出合理性建議。
    2、鋁塑復(fù)合板折邊形式
    2.1 鋁塑復(fù)合板
    鋁塑復(fù)合板是內(nèi)外兩層 0.5mm 的純鋁板中間夾層為 3mm~4mm 厚的聚乙烯(PE 或聚氯乙烯 PVC)經(jīng)輥壓熱合而成。外用復(fù)合鋁板表面的氟碳漆也是以輥涂的方式與輥壓、熱合一次完成的,涂層的厚度一般為 20μm 左右,復(fù)合鋁板的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)輕,表面光潔,平整度好,同方向無色差,并具有出色的現(xiàn)場加工性,為處理現(xiàn)場建筑誤差所引起的外墻尺寸變化,減少車間加工周期和縮短安裝工期提供了條件。
    2.2 鋁塑復(fù)合板折邊
    鋁塑復(fù)合板開槽一般可開 V 型槽、U 型槽等,幾種典型的開槽方式如圖 1 所示。鋁塑復(fù)合板的板材在裁板時(shí)要考慮到折邊加放的尺寸,一般每邊加放 25mm 左右。裁好的復(fù)合板需要四邊刨槽,即切去一定寬度的內(nèi)層鋁板和塑料層,開槽深度必須嚴(yán)格控制在正面鋁板后至少保留 0.3mm 厚的塑料芯材,以保證鋁塑復(fù)合板有足夠的韌性,防止折邊處鋁皮斷裂,然后折邊成 90°陽角,這樣板面自重和幕墻隨時(shí)都會(huì)受到的正負(fù)風(fēng)荷載壓力均由四個(gè)邊 0.5mm 鋁板承受,因此,開槽折邊處是鋁塑復(fù)合板面板的最薄弱環(huán)節(jié),也是風(fēng)荷載作用下最先破壞的部位。

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    2.2 鋁塑復(fù)合板折邊加固
    鋁塑復(fù)合板一般通過四周折邊增大板的剛度,而且可以避免鋁塑復(fù)合板的芯材在大氣中外露。鋁塑復(fù)合板的折邊可按需要設(shè)置加強(qiáng)邊框,鋁塑復(fù)合板幕墻面板不宜使用鋁角碼作為邊框,應(yīng)使用鋁型材作為加強(qiáng)邊框。加強(qiáng)邊框可采用金屬方管、槽形和角形等,其應(yīng)與面板可靠連結(jié),并應(yīng)有防腐措施。邊框與鋁塑復(fù)合板的折邊的連接可使用鋁鉚釘,其連接應(yīng)滿足傳力要求可靠連結(jié)。
    在實(shí)際工程中,鋁塑復(fù)合板的折邊處的處理形式分為以下兩種: ①可按需要設(shè)置加強(qiáng)邊框; ②沒有設(shè)置加強(qiáng)邊框。鋁塑復(fù)合板的折邊處沒有設(shè)置加強(qiáng)邊框的形式受力最為不利。本文的鋁塑復(fù)合板的折邊處的處理形式為沒有設(shè)置加強(qiáng)邊框。
    3、鋁塑復(fù)合板受力研究
    3.1 基本承載特點(diǎn)
    金屬幕墻中金屬板需承受多種荷載,其中包括自重、風(fēng)荷載、雨雪荷載、地震荷載、施工荷載、溫度變化、支座位移以及活荷載等。而其作用的形式可分成兩類:垂直于金屬板表面的作用和平行于金屬板表面的作用。垂直于板表面的作用使金屬板發(fā)生彎曲,統(tǒng)稱為面外作用,亦稱面外荷載;平行于板表面的作用會(huì)使金屬板發(fā)生剪切破壞,統(tǒng)稱為面內(nèi)作用,也可稱作面內(nèi)剪力。一般情況下,對(duì)建筑幕墻起控制作用的是風(fēng)荷載[3]。幕墻面板本身必須具有足夠的承載能力,避免在風(fēng)荷載作用下破碎或脫落。本文主要考慮了垂直于板表面的風(fēng)荷載。
    3.2 計(jì)算公式
    3.2.1 鋁塑復(fù)合板固定形式
    鋁塑復(fù)合板的力學(xué)性能主要來源于兩層鋁板,鋁板的厚度對(duì)其力學(xué)性能有著重要的影響。塑復(fù)合板采用 4mm,面板厚度為 0.5mm,鋁塑復(fù)合板四周折邊,采取鋁角碼固定,采用設(shè)置和不設(shè)置加強(qiáng)邊框兩種。鋁塑復(fù)合板固定后,板材的周邊均可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng),所以計(jì)算時(shí)可以作為簡支邊考慮。
    3.2.2 應(yīng)力計(jì)算
    在垂直于鋁塑復(fù)合板板塊的風(fēng)荷載作用下的最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值[4]可采用考慮幾何非線性的有限元方法計(jì)算。也可分別按下列公式計(jì)算:

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式中:
θ —— 參數(shù);

σwk ——風(fēng)荷載作用產(chǎn)生的板中最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值 (N/mm2);
wk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(N/mm2);
l——鋁塑復(fù)合板區(qū)格的計(jì)算邊長(mm);
E——鋁塑復(fù)合板的彈性模量(N/mm2);
m——鋁塑復(fù)合板的彎矩系數(shù);
t——鋁塑復(fù)合板的厚度(mm);
η——折減系數(shù)。
        3.2.3 撓度計(jì)算

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式中:
df——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下?lián)隙茸畲笾?mm);
wk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(N/mm2);
l———鋁塑復(fù)合板區(qū)格的計(jì)算邊長(mm);
μ———撓度系數(shù);
D———鋁塑復(fù)合板的剛度(N·mm);
η———折減系數(shù)。

    3.2.4 荷載計(jì)算
作用于鋁塑復(fù)合板板塊的荷載可按三角形或梯形分布傳遞到邊肋上,進(jìn)行邊肋的計(jì)算時(shí)可按等彎矩原則化為等效均布荷載 (見圖 2)

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    4、鋁塑復(fù)合板有限元分析
    4.1 模型尺寸
    標(biāo)準(zhǔn)板件采用 1000mm×1600mm,板材表面均布荷載取 1.0×10-3N/mm2  (見圖 3)。

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    4.2 模型概述
    本文以太原某工程一塊鋁塑復(fù)合板的設(shè)計(jì)為例,采用國際著名的有限元分析軟件——ANSYS 建立模型,在鋁塑復(fù)合板模擬時(shí)采取了一些簡化,把鋁角碼減去, 四周固定位置在折邊的某一長度上,鋁塑復(fù)合板采用 Shell 單元建模(見表1),并在板面大范圍內(nèi)通過 Mapped 方式劃分生成規(guī)則分布的單元,折邊處的面板為鋁板,厚度為 0.5mm,折邊半徑為 R (見圖4)。

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    4.3 無加強(qiáng)邊框有限元分析
    折邊半徑R=1.5mm 時(shí), 標(biāo)準(zhǔn)板件采用    1000mm×1600mm,板材表面均布荷載取 1.0×10-3N/mm2 (見圖 5)。
    理論計(jì)算結(jié)果:鋁塑復(fù)合板板面的最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值為 32.61N/mm2,撓度最大值為 36.54mm。有限元分析結(jié)果為:撓度最大值為 61.227mm ( 見圖 6),鋁塑復(fù)合板板面的最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值為  24.607N/mm2 (見圖 7),鋁塑復(fù)合板折邊處板面的最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值為437.973N/mm2 ( 見圖 8)。計(jì)算結(jié)果顯示:整體鋁塑復(fù)合板的最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值出現(xiàn)在折邊上即長邊中點(diǎn)靠近鋁角碼固定的位置,板面中的最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值出現(xiàn)在板中附近位置,撓度最大值出現(xiàn)在板中附近位置。
    折邊半徑 R=2.0mm 時(shí),標(biāo)準(zhǔn)板件( 見圖 9) 采用1000mm×1600mm,板材表面均布荷載取 1.0×10-3N/mm2。
    理論計(jì)算結(jié)果:鋁塑復(fù)合板板面的最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值為32.61N/mm2,撓度最大值為 36.54mm。
    有限元分析結(jié)果為:撓度最大值為 60.85 mm(見圖 10),鋁塑復(fù)合板板面的最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值為 24.506N/mm2 (見圖 11),鋁塑復(fù)合板折邊處板面的最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值為 452.784N/mm2 ( 見圖12)。
    計(jì)算結(jié)果顯示:整體鋁塑復(fù)合板的最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值出現(xiàn)在折邊上即長邊中點(diǎn)靠近鋁角碼固定的位置,板面中的最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值出現(xiàn)在板中附近位置,撓度最大值出現(xiàn)在板中附近位置。
    折邊半徑 R=2.5mm 時(shí),標(biāo)準(zhǔn)板件 ( 見圖13) 采用1000mm×1600mm,板材表面均布荷載取 
1.0×10- 3N/mm2   。
    理論計(jì)算結(jié)果:鋁塑復(fù)合板板面的最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值為 32.61N/mm2,撓度最大值為 36.54mm。
有限元分析結(jié)果為:撓度最大值為 60.441mm( 見圖 14),鋁塑復(fù)合板板面的最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值為 24.396N/mm2 (見圖 15),鋁塑復(fù)合板折邊處板面的最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值為469.242N/mm2( 見圖16)。
    計(jì)算結(jié)果顯示:整體鋁塑復(fù)合板的最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值出現(xiàn)在折邊上即長邊中點(diǎn)靠近鋁角碼固定的位置,板面中的最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值出現(xiàn)在板中附近位置,撓度最大值出現(xiàn)在板中附近位置。
    5  結(jié)束語
    5.1 理論計(jì)算與有限元分析結(jié)果的比較通過兩種方式計(jì)算得出的結(jié)果可以得出:鋁塑復(fù)合板板面的最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值兩結(jié)果的差值在25%左右,撓度最大值兩結(jié)果的差值在 68%左右,其差值較大與鋁角碼的固定數(shù)量和位置有一定關(guān)系。
    5.2 折邊半徑的比較通過有限元的三種方式計(jì)算得出的結(jié)果可以得出:撓度最大值和鋁塑復(fù)合板板面的最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值變化非常;鋁塑復(fù)合板折邊處板面的最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值隨著折邊半徑 R 的增大而增大,其差值在 3.5%左右。
    通過以上對(duì)金屬幕墻中鋁塑復(fù)合板折邊處受力分析,為金屬幕墻的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

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參考文獻(xiàn):
[1] JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》.
[2] JGJ 133—2001《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》.
[3] JGJ 102—1996《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》.
[4] 金屬與石材幕墻工程實(shí)用技術(shù)·北京·機(jī)械工業(yè)出版社.
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