志诚铝合金型材截面特性计算软件V2.0 的研制及铝合金型材性能比较

李成钢 何振程 李宏宁

0 引言

在铝合金门窗及玻璃幕墙工程结构计算中，铝合金型材的等效截面特性至关重要。如何提取铝合金型材的截面特性并转化为结构计算所需的等效截面特性，通过软件按照行业理论及标准计算高效便捷。目前国内铝合金门窗及玻璃幕墙工程结构计算软件很多，能够提取普通铝合金型材及穿条式隔热铝合金型材等效截面特性的计算软件也较多，但能够有效提取浇注式隔热铝合金型材等效截面特性的软件甚少，或提取的结果不符合规范要求，为此，笔者团队研制了“志诚软件V2.0”，软件研制也参考了美国建筑制造协会（AAMA）行业软件TBSA。为顺应“碳达峰”、“碳中和”的绿色低碳循环发展战略，笔者团队对双浇注式槽口隔热玻璃幕墙立柱的结构计算做了算例。

1 铝合金型材等效截面特性计算采用的理论依据

软件研制主要依据下列标准：

《铝合金型材截面几何参数算法及计算机程序要求》（YS/T 437-2018）[1]；

《铝合金结构设计规范》（GB 50429-2007)[2]；

《铝合金门窗》（GB/T 8478-2020）[3]；

《铝合金建筑型材》第6 部分:隔热型材（GB/T 5237.6-2017)[4]；

同时也参考了美国建筑制造协会（AAMA）行业标准《Structural Performance of Composite Thermal Barrier Framing Systems》（AAMA TIR-A8-16）[5]。

2 软件研制基本程序框架

本软件采用Visual Basic 6.0 编程从AutoCAD 内部或外部来控制或操作AutoCAD，能做到便捷提取截面特性，高效实现提取截面参数与输入参数间繁杂的计算功能。在AutoCAD 中，需对几何图形创建面域，对面域进行布尔运算，从而形成单个截面即图元对象。软件研制基本程序框架主要包含两大部分：截面特性提取计算程序框架；整体计算结构程序框架。

2.1 截面特性提取计算程序框架（公用模块）

截面特性提取计算程序框架主要功能是提取单个图元对象的截面特性，为公用模块。其程序框架流程如图1 所示。

图1 截面特性提取计算程序框架流程图

2.2 整体计算结构程序框架

整体计算结构程序框架主要功能是依照文献[1]的要求，分别根据提取的单个图元对象的截面特性，整体计算普通铝合金型材、穿条式和浇注式隔热铝合金型材的等效截面特性，浇注式隔热铝合金型材还包括受力分析的参数，并实现软件输出。如图2 所示。

图2 整体计算结构程序框架流程图

3 软件编制说明

3.1 立柱及横梁的方向布置关系

如图3 所示。

图3 立柱及横梁截面的布置方式及截面选择顺序图

图3 中需要注意：浇注式隔热铝合金型材由于要进行受力分析计算，截面选择时先选择室外侧截面，再选择室内侧截面。

3.2 软件计算时双浇注式槽口的参数选择

如图4 所示。

图4 双浇注式槽口对比单浇注式槽口槽口尺寸参数

3.3 浇注式隔热型材槽口选择

可以依照文献[4]选择，也可以根据设计的实际尺寸自行输入。

在 Caption 属性为“注胶槽口”的Label 控件后对应的ComboBox 控件中选择“输入”，即出现图5 所示界面，根据图4 中的浇注式槽口尺寸参数要求在图5 中输入对应尺寸。

图5 输入注胶槽口尺寸界面

3.4 软件计算结果相关数值红色显示释义

软件计算时对浇注式隔热型材要求输入和选择的参数多，笔者团队参考了美国AAMA 行业软件TBSA 的模式，同时，依照文献[2]、[3]及[4]的规定把主受力杆件的强度和挠度要求的内容添加到软件中。选择的材料强度和挠度不满足标准要求时会在浇注式隔热型材截面参数及受力分析栏对相关数值以红色字体显示出来，提醒软件操作者注意。

以与后述4.3.1 算例参数中图12 完全一致的型材截面为例，作为立柱的隔热型材，荷载施加类型仍为均布荷载，荷载大小调整为1.6N/mm，跨距L=1500mm,玻璃选择调整为中空玻璃，注胶槽口：BB，tw=2.8mm，材料类型：6063 T5,计算结果如图6 所示。

图6 浇注式隔热型材计算算例1（数值红色显示）

（1）在 Caption 属性为“材料选择”的Label 控件后对应的ComboBox 控件中选择铝合金材料牌号及状态，不同铝合金材料牌号及状态下的取值可依照文献[2]表4.3.4 规定，软件里遵照该表取值。

图6 中材料选择为6063 T5，型材受到的最大压缩应力f11=-75.264N/mm2，型材受到的最大拉伸应力f22=108.268N/mm2。

依照文献[2]表4.3.4 规定取值如下：6063 T5:抗拉、抗压和抗弯设计值f=90N/mm2，抗剪设计值:fv=55N/mm2。

因此，型材受到的最大拉伸应力f22 不满足标准要求，所以在Caption 属性为“型材受到的最大拉伸应力f22”的Label控件后对应的TextBox 控件中显示的数值“108.268”为红色。

（2）图6 中隔热胶受到的最大纵向剪切力：25.3213N/mm。依照文献[4]表9 要求：浇注式隔热型材纵向抗剪特征值大于等于24N/mm,取其最小值，所以在Caption 属性为“隔热胶受到的最大纵向剪切力”的Label 控件后对应的TextBox 控件中显示的数值“25.3213”为红色。

（3）图6 中最大挠度12.055mm。在Caption 属性为“玻璃选择”的Label 控件后对应的ComboBox 控件中选择玻璃类型，不同玻璃类型条件下对主要受力杆件挠度的要求不同，取值是否满足要求依照文献[3]表7 规定，软件按照该表规定判定是否满足要求。

依照文献[3]表7 规定：支承玻璃种类为单层玻璃、夹层玻璃时相对挠度不大于L/100mm,相对挠度最大值不大于20mm。支承玻璃种类为中空玻璃时相对挠度不大于L/150mm,相对挠度最大值不大于20mm。L 为主要受力杆件的支撑跨距,单位为mm。

图6 中玻璃选择为中空玻璃,挠度不得大于L/150mm=10mm（梁的跨距L=1500mm），所以在Caption 属性为“最大挠度”的Label 控件后对应的TextBox 控件中显示的数值“12.055”为红色。

3.5 穿条式隔热型材弹性系数c 的说明

软件计算时c 值一般取60～80N/mm2，本软件设定为60N/mm2，也可以根据铝型材厂测试结果在软件运行后直接修改穿条式隔热型材弹性系数c 数值。

3.6 软件的主要特点

（1）本软件的主要功能

主要功能分为三部分：常规非隔热型材截面特性提取；作为立柱与横梁的穿条式隔热型材等效截面特性提取；作为立柱与横梁的浇注式隔热型材等效截面特性提取及受力分析。前两部分作为提取截面特性功能仅在Caption 属性为“截面特性”的Frame 控件内显示，浇注式隔热型材的输出结果在Caption属性为“浇注式隔热型材截面参数及受力分析”的Frame 控件内显示，由此完成浇注式隔热型材的结构计算功能。

（2）可以输出word 版计算书，方便调用参数及计算结果的提取。

（3）采用Visual Basic 6.0 编程进行AutoCAD 二次开发，简单快捷提取截面特性和参数的计算。

4 手工计算与软件计算对比算例

4.1 作为常规非隔热型材截面特性计算

4.1.1 算例参数

作为常规非隔热型材截面的形心与截面本身相对位置关系如图7 所示，以常规非隔热型材形心轴x 轴将原截面一分为二，图中I 区和II 区，对应的面积分别为A上、A下。

图7 常规非隔热型材截面图

常规非隔热型材截面参数：

采用惯性矩I0x计算对常规非隔热型材形心轴x 轴的抗弯截面系数：

采用惯性矩I0y计算对常规非隔热型材形心轴y 轴的抗弯截面系数：

SX01、SX02为I 区型材截面与II 区型材截面分别对常规非隔热型材形心轴x 轴静距：

以常规非隔热型材形心轴y 轴为基准，将原有常规非隔热型材截面图一分为二，计算左侧（或右侧）截面对常规非隔热型材形心轴y 轴的静矩，如图8 所示，分别为Sy01、Sy02。

图8 对常规非隔热型材形心轴y 轴计算静距截面图

左（右）侧截面形心到常规非隔热型材形心轴y 轴间距X0=11.432657mm

静矩：

4.1.3 软件计算结果

选择Caption 属性为“常规非隔热型材”的OptionButton 控件，点击在Caption 属性为“计算截面特性”的CommandButton控件，根据界面操作的提示在AutoCAD 中选择常规非隔热型材截面后点击鼠标右键，从而完成操作。操作完成后，点击在Caption 属性为“输出word 计算书”的CommandButton 控件，输出word 版计算书。操作结果如图9 所示。

图9 常规非隔热型材截面特性计算结果

4.1.4 计算结果比较

从表1 可见，由手工计算结果与软件计算结果的对比可以看出，软件计算准确。

表1 研制软件、依据材料力学手工计算结果对比表

4.2 作为立柱的穿条式隔热型材截面特性计算

4.2.1 算例参数

I 区型材与II 区型材求并集后截面形心对原单个侧面型材形心的相对位置关系如图10 所示。

图10 作为立柱的穿条式隔热型材截面图

上部型材（室外侧）截面参数：

A1=214.2207mm2I1=9,579.0910mm4a1=15.5484mm

下部型材（室内侧）截面参数：

A2=176.6920mm2I2=16,721.7417mm4a2=18.8510mm

铝合金弹性模量E=70,000N/mm2；

梁的跨距L=1,500mm；

穿条式隔热型材弹性系数取c=60N/mm2。

4.2.2 手工计算

穿条式隔热型材I 区形心与II 区形心间距a，单位：mm；

刚性惯性矩计算：

作用参数计算：

几何形状参数计算：

组合参数计算：

等效惯性矩计算：

截面面积：

4.2.3 软件计算结果

选择Caption 属性为“ 作为立柱的隔热型材” 的OptionButton 控件，在Caption 属性为“输入参数”的Frame 控件内点击ComboBox 控件选择“穿条式隔热型材”，此时，在Caption 属性为“梁的跨距L”的Label 控件后对应的TextBox控件中获得焦点，直接输入“1500”，点击在Caption 属性为“计算截面特性”的CommandButton 控件，根据界面操作的提示在AutoCAD 中选择外侧和内侧（也可反向选择）的型材截面后点击鼠标右键，从而完成操作。操作完成后，点击在Caption 属性为“输出word 计算书”的CommandButton 控件，输出word版计算书。操作结果如图11 所示。

图11 穿条式隔热型材截面特性计算结果

4.2.4 计算结果比较

从表2 可见，由手工计算结果与软件计算结果的对比可以看出，软件计算准确。

表2 研制软件、依照文献[1]计算结果对比表

4.3 作为立柱的浇注式隔热型材（窗型材）截面特性及受力分析计算

4.3.1 算例参数

I 区型材与II 区型材求并集后截面形心对原单个侧面型材形心的相对位置关系如图12 所示。

图12 作为立柱的浇注式隔热型材截面图

上部型材（室外侧）截面参数：

A01=210.089900739616 mm2；I01=13,465.0082316926mm4；a11=7.51532862991184 mm。

下部型材（室内侧）截面参数：

A02=156.968277574488mm2；I02=12,183.1886030984mm4；a22=12.19709881744353mm。

D=35.087565374018 mm

b=7.14mm；b’=4.85mm；DC=14.48mm；g=6.35mm。

隔热胶的剪切模量Gc=552N/mm2；

铝合金弹性模量E=70,000N/mm2；

均布荷载W0=1.2 N/mm；

梁的跨距L=1,500mm。

说明：本算例以施加荷载为均布荷载为例，实际浇注式隔热型材作为主受力杆件施加荷载的方式还有集中荷载、三角形荷载和梯形荷载，共计四种方式，其计算过程依照文献[1]，研制软件也依照文献[1]的要求进行参数计算。

4.3.2 手工计算

铝型材加强轴边的厚度或厚度的总和tw计算方法如下:

上下部型材各个立筋厚度乘以其相应高度之和

等效惯性矩结合值：

等效惯性矩下限值：

等效惯性矩上限值：

复合结构几何参数：

参分值：

施加荷载引起的变形量y（单位：mm）计算：

式中：

M—铝合金复合梁的弯曲力矩，单位：N.mm；

V—梁的剪切力，单位：N。

均布载荷W0=1.2 N/mm，在x=L/2 处，施加荷载引起的变形量y 出现最大值，此时：

截面A01、截面A02求并集后的A01A02组合截面对于通过其形心的轴的静矩恒等于零。

形心到外侧外表面的距离：

形心到内侧内表面的距离：

对承受均布荷载的受力杆件，铝合金型材受到的剪切力V最大值为：

4.3.3 软件计算结果

选择Caption 属性为“ 作为立柱的隔热型材” 的OptionButton 控件，在Caption 属性为“输入参数”的Frame 控件内点击ComboBox 控件选择“浇注式隔热型材”，此时，在Caption 属性为“梁的跨距L”的Label 控件后对应的TextBox控件中获得焦点，直接输入“1500”，选择Caption 属性为“均布荷载”的OptionButton 控件，在 Caption 属性为“荷载”的Label 控件后对应的TextBox 控件中输入“1.2”，在Caption 属性为“铝型材加强轴边的厚度或厚度的总和tw（参见提示）”的Label 控件后对应的TextBox 控件中的原数值“3”调整为“2.8”，在Caption 属性为“注胶槽口”的Label 控件后，点击对应ComboBox 控件选择“BB”，在Caption 属性为“材料选择”的Label 控件后，点击对应ComboBox 控件选择“6063 T5”，在Caption 属性为“玻璃选择”的Label 控件后，点击对应ComboBox 控件选择“单层玻璃”。

点击Caption 属性为“计算截面特性”的CommandButton控件，根据界面操作的提示在AutoCAD 中选择外侧和内侧的型材截面后点击鼠标右键，从而完成操作。操作完成后，点击Caption 属性为“输出word 计算书”的CommandButton 控件，输出word 版计算书。操作结果如图13 所示。

图13 浇注式隔热型材截面参数及受力分析计算结果

采用美国建筑制造协会(AAMA)提供的TBSA 软件需要手工计算和输入截面的基本参数和注胶槽口尺寸（同4.3.1 算例参数），选择荷载施加方式：Uniform（均布荷载），荷载大小：1.2N/mm，梁的跨距：L=1,500mm，隔热胶的剪切模量Gc=552N/mm2，铝合金弹性模量E=70,000N/mm2，点击“Calculate”按钮，即可获取计算结果，如图14 所示。

图14 浇注式隔热型材用美国行业软件TBSA 计算结果

4.3.4 计算结果比较

（1）手工计算结果与研制软件及美国AAMA 的TBSA 软件计算结果一致，见表3。

表3 研制软件、美国TBSA 软件及依照文献[1]计算结果对比表

（2）与美国建筑制造协会(AAMA)提供的TBSA 计算软件相比，本软件有以下特点：

①浇注式隔热型材的截面特性参数的输入更为便捷，如浇注式隔热型材槽口既可直接选择标准槽口（从AA-KK），又可输入特殊槽口的基本参数。

②美国建筑制造协会(AAMA)行业计算软件TBSA 需手工输入相关参数（单侧截面的面积:A1、A2；型材截面惯性矩:I01、I02；形心位置：C11、C22 及D；注胶槽口：b、b’、DC、g。），采用AutoCAD 手工提取这些参数再输入的方式会很麻烦，消耗大量的时间。本软件只需点击“计算截面特性”按钮后，在AutoCAD 里通过分别选择浇注式隔热型材两侧的截面这一简单操作，就能提取截面的这些特性，软件会自动识别并赋值给相应变量，使整个计算过程非常顺畅。

③笔者团队研制的软件在主受力杆件的强度、挠度不满足国家及行业标准要求的条件下对应TextBox 控件中显示的数值为红色。

4.4 作为幕墙立柱的双浇注式槽口隔热型材截面特性及受力分析计算

4.4.1 算例参数

在铝合金门窗或玻璃幕墙的实际应用中，风荷载对隔热梁影响较大，应该选择梯形荷载进行计算；本文为了计算简便和出于一些更安全的角度考虑，选择了均布载荷。

玻璃幕墙立面布置图如图15 所示，立柱的跨距L=4,000mm，风荷载的设计值W设计值=2,800N/m2，选用160 系列立柱。

图15 作为幕墙立柱的双浇注式槽口隔热梁立面布置图

I 区型材与II 区型材求并集后截面形心对原单个侧面型材形心的相对位置关系如图16 所示。

图16 作为幕墙立柱的双浇注式槽口隔热型材整体截面图

上部型材（室外侧）截面参数：

均布载荷W0=2.8N/mm，在x=L/2 处，施加荷载引起的变形量y 出现最大值，此时：

4.4.3 软件计算结果

选择Caption 属性为“ 作为立柱的隔热型材” 的OptionButton 控件，在Caption 属性为“输入参数”的Frame 控件内点击ComboBox 控件选择“浇注式隔热型材”，此时，在Caption 属性为“梁的跨距L”的Label 控件后对应的TextBox 控件中获得焦点，直接输入“4,000”，在Caption 属性为“铝型材加强轴边的厚度或厚度的总和tw（参见提示）”的Label 控件后对应的TextBox 控件中的原数值“3”调整为“5”，选择Caption 属性为“均布荷载”的OptionButton 控件，在 Caption属性为“荷载”的Label 控件后对应的TextBox 控件中输入“2.8”，在Caption 属性为“注胶槽口”的Label 控件后，点击对应ComboBox 控件选择“输入”，显现Caption 属性为“输入注胶槽口尺寸”的Frame 控件，输入对应槽口尺寸，在Caption 属性为“材料选择”的Label 控件后，点击对应ComboBox 控件选择“6063 T5”，在Caption 属性为“玻璃选择”的Label 控件后，点击对应ComboBox 控件选择“中空玻璃”。

点击Caption 属性为“计算截面特性”的CommandButton控件，根据界面操作的提示在AutoCAD 中选择外侧和内侧的型材截面后点击鼠标右键，从而完成操作。操作完成后，点击Caption 属性为“输出word 计算书”的CommandButton 控件，输出word 版计算书。操作结果如图17 所示。

图17 作为立柱的双浇注式槽口隔热型材截面参数及受力分析计算结果

采用美国建筑制造协会(AAMA)提供的TBSA 软件需要手工计算和输入截面的基本参数和注胶槽口尺寸（同4.4.1 算例参数），选择荷载施加方式：Uniform（均布荷载），荷载大小：2.8N/mm，梁的跨距：L=4000mm，隔热胶的剪切模量Gc=552N/mm2，铝合金弹性模量E=70000N/mm2，点击“Calculate”按钮，即可获取计算结果，如图18 所示。

图18 作为立柱的双浇注式槽口隔热型材用美国行业软件TBSA 计算结果

4.4.4 计算结果比较

手工计算结果与研制软件及美国AAMA 的TBSA 软件计算结果一致，见表4。

表4 研制软件、美国TBSA 软件及依照文献[1]计算结果对比表

5 相同外形尺寸截面型材等效惯性矩和线重对比

型材截面外形尺寸如图19 所示，隔热条选用14.8mm 宽度I 型条，浇注式槽口选择“BB”口。

图19 普通铝合金型材、穿条式隔热型材及浇注式隔热型材截面对比

由表5 可以看出：在同等外形尺寸的条件下，浇注式隔热型材的等效惯性矩明显优于穿条式隔热型材，接近普通铝合金型材。浇注式隔热型材线重也优于穿条式隔热型材。

表5 普通铝合金型材、穿条式隔热型材及浇注式隔热型材等效惯性矩和线重对比

6 结束语

研制的“志诚软件V2.0”依照文献[1]里所指出的“3.2 隔热型材截面几何参数计算方法”，同时也包含了常规非隔热型材截面几何参数的提取，这样就涵盖了铝合金型材的全部，能够简便快捷地提取截面的几何参数，为作为主受力杆件的铝合金型材结构计算带来方便，这就是笔者研制这款软件的目的。通过对比可以看到在相同外形尺寸前提下不同种类铝合金型材的性能比较。