穿条式隔热铝型材抗剪强度对门窗性能的影响

孙文迁 赵斌 马建村

【摘要】隔热铝合金型材由中间隔热材料将内外两部分铝合金型材连接而成，其隔热材料与铝合金复合后的纵向抗剪强度的大小，直接影响了铝合金隔热型材的有效惯性矩的大小。本文通过隔热型材不同弹性组合值C对隔热型材有效惯性矩的计算，分析弹性组合值对门窗抗风压性能及气密、水密性能的影响，并提出了解决方法。

【关键词】隔热型材；穿条式；惯性矩；隔热材料；有效惯性矩

【中图分类号】TV228

【文献标识码】A

【文章编号】1671-3362（2018）10-0050-04

1.前言

隔热铝合金型材具有较好的隔热性能，是目前建筑门窗、幕墙用主要材料。作为主要受力杆件的隔热铝合金型材，在材料和截面受荷状态确定的情况下，构件的承载能力主要取决于截面的惯性矩和抵抗矩。截面的惯性矩与材料的弹性模量共同决定着构件的挠度即抗风压性能。

穿条式隔热铝合金型材指通过开齿、穿条、滚压工序，将条形隔热材料穿入铝合金型材穿条槽口内，并使之被铝合金型材牢固咬合的复合方式。由于隔热条与铝合金型材复合而成，在进行门窗、幕墙结构计算时，应以其等效惯性矩作为隔热型材的惯性矩。

在隔热型材等效惯性矩的计算时，组合弹性值是影响等效惯性矩的关键参数，组合弹性值与隔热型材的纵向抗剪强度有直接的关系。

2.穿条隔热型材纵向抗剪强度与组合弹性值

2.1穿条隔热型材的纵向抗剪强度指在垂直隔热型材横截面方向作用的单位长度的纵向剪切极限值，按式（1）计算：

2.2组合弹性值是在纵向抗剪试验中负荷-位移曲线的弹性变形范围内的纵向剪切增量与相对应的两侧铝合金型材出现的相对应的位移增量和试样长度乘积的比值，是表征铝合金型材和隔热条组合后的弹性特征值。组合弹性值c按式（3）计算，计算取值见图1所示。

从式（3）知，组合弹性值c取自隔热型材纵向抗剪曲线，其值的大小与纵向抗剪强度密切相关。

3.组合弹性值c对隔热型材等效惯性矩的影响

3.1穿条式隔热型材等效惯性矩的计算

穿条式隔热型材截面如图2所示，图中：

Al—铝型材1区截面积（mm2）；

A2—铝型材2区截面积（mm2）；

S1—铝型材1区形心；

S2—铝型材2区形心；

S—隔热型材形心；

I1—1区型材惯性矩（mm4）；

I2—2区型材惯性矩（mm4）；

a1—1区形心到隔热型材形心距离（mm）；

a2—2区形心到隔热型材形心距离（mm）。

穿条式隔热型材等效惯性矩Ief按公式（4）计算：

3.2组合弹性值c对隔热型材等效惯性矩影响

以图2所示型材截面为例，其截面尺寸如图3所示，其截面参数如下：

根据我们对近年隔热铝合金型材纵向抗剪试验数据分析，弹性组合值C在80 N/ mm2以上约占8%，40 ～79 N/ mm2约占45%，24～39 N/ mm2约占26%，24 N/ mm2以下约占21%。分别取弹性组合值C室温时的典型代表值80 N/ mm2、50 N/ mm2、24 N/ mm2、15 N/ mm2进行计算其对隔热型材的等效惯性矩的影响，计算结果见表1，根据结果绘制曲线见图4。

从表1及图4可以看出：

隔热铝合金型材的等效惯性矩与受力杆件跨度及弹性组合值C成正比例关系。对于较大的跨度，等效惯性矩接近刚性值。

受力杆件支承间距越小，组合弹性值c对等效惯性矩的影响越大，由式（3）知，组合弹性值c又取自隔热型材纵向抗剪曲线，因此，纵向抗剪强度对隔热型材的等效惯性矩影响很大。

随着弹性组合值C的减小，也即随着隔热型材的纵向抗剪强度的减小，隔热型材的等效惯性矩大幅减小。

3.3隔热型材等效惯性矩值与受力杆件的挠度成反比例关系，即惯性矩越大，杆件挠度变形越小。而纵向剪切强度（弹性组合值C）的值又影响等效惯性矩大小，因此，在复合型材承受荷载已定的情况下，则型材的惯性矩可确定，如果选用小截面的铝型材及大复合强度的隔热型材，其复合惯性矩较大且满足承载要求，若选用较小的复合强度，则需较大的铝型材截面对于隔热型材的优化设计不利。

4.组合弹性值c对门窗抗风压性能、气密及水密性能的影响

4.1对抗风压性能影响

以图3所示隔热型材为例，主要受力杆件支承间距1500mm时，当C值分别取80 N/ mm2、50 N/ mm2、24 N/ mm2及15 N/ mm2时，其对应的等效惯性矩分别为16.18 cm4、14.35 cm4、11.15 cm4和9.20 cm4。此時，C值为50 N/ mm2、24 N/ mm2及15 N/ mm2时的等效惯性矩分别相当于C值为80 N/ mm2时等效惯性矩的88.6%、68.9%及56.8%。根据门窗受力杆件挠度计算公式，则相应的抗风压能力分别是C值为80 N/ mm2时的抗风压能力的88.6%、68.9%及56.8%。

对于图5所示的外形尺寸为1500×1500mm的平开窗，采用图3所示的中竖框料，在C值分别取80 N/mm2、50 N/ mm2、24 N/ mm2及15 N/ mm2时，经计算其对应的最大抗风压性能分别为：5076Pa、4497 Pa、3497Pa 及2883Pa，抗风压性能差别很大。

4.2对气密性能及水密性能的影响

穿条式隔热型材中隔热条两端分别与隔热铝材的里外两腔型材滚压复合，是唯一的受力传载结构。当型材在水平荷载和玻璃自重荷载的作用下，如果隔热条因受力作用致使发生纵向剪切失效，也即隔热条相对铝型材产生移动，则导致内外侧铝型材通过隔热条产生漏气、漏水，也即影响门窗系统的气密和水密性能。

5.解决措施

5.1穿条隔热型材主要由开齿—穿条—滚压复合及纵向抗剪强度检测工序构成，其中开齿与滚压工序是关键工序，对穿条隔热型材的纵向抗剪性能起到关键作用，而检测工序则对开齿与滚压工序进行监督，及时发现问题及修正工艺偏差。

在铝型材开齿控制中，为了保证隔热条的穿条顺畅，槽口内侧B处（见图6）应少开齿或不开齿，开齿部位应在外锤头A处，齿距控制在0.78mm左右，齿峰宽度在0.15mm～0.3mm之间（见图7），保证在隔热型材经滚压后，外锤头能插进隔热条内，从而保证隔热型材的各项复合性能。

5.2通过对我们近年穿条隔热型材的纵向抗剪试验分析，取组合弹性值c为15 N/ mm2为例（见图8），图8中直尺下边刻度与开齿型材外锤头开齿比对，开齿深度很小，齿距在接近0.8mm，齿峰宽度接近0.7mm，结果型材的纵向抗剪强度很小，特征值小于24 N/ mm，不符合铝合金隔热型材标准（GB5237.6）对纵向抗剪特征值应大于24 N/ mm的要求。

5.3提高隔热型材纵向抗剪强度的首要措施是增加开齿深度，外锤头的开齿深度及锥度决定了滚压复合出的隔热型材的剪切强度，鉴于开齿盘的磨损，应定期更换，确保开齿合格；其次，合适的滚压力是铝型材外锤头与隔热条有效复合的关键；第三，对纵向剪切强度的适时检测是穿条隔热型材复合性能稳定的有效保证。

此外，根据铝合金隔热型材工程使用地的环境温度条件，合理调整生产工艺，保证型材在不同温度条件下的纵向抗剪强度值满足工程对型材抗风压性能的特殊要求。

6.结语

铝合金隔热型材杆件的抗风压性能取决于型材的有效惯性矩及弹性模量，穿条式铝合金隔热型材的有效惯性矩与受力杆件跨度及弹性组合值C成正比例关系，而弹性组合值C的大小取决于纵向抗剪强度。因此，合理调整穿条复合工艺，是穿条式隔热铝型材发挥性能的保证。

参考文献

[1]吳亚龙，黄日勇.隔热型材惯性矩分析与计算.中国建筑金属结构，2008.12：44-48

[2]铝合金建筑型材 第6部分：隔热型材 GB5237. 6-2012

[3]建筑用隔热铝合金型材 JG175-2011

[4]铝合金建筑用隔热型材生产工艺技术规范 YS/T844-2012

（作者单位：山东省建筑科学研究院）