《隔热铝合金门窗抗风压性能的计算原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《隔热铝合金门窗抗风压性能的计算原理（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、隔热铝合金门窗抗风压计算原理目前很多的门窗、幕墙公司在计算隔热铝合金门窗抗风压性能方面，缺少理论计算方法 的支持，因此，显得办法不多，很是无奈；于是“旁引”了一些不科学的计算公式进行计算， 结果有两种可能：一种是质量不合格，因此而造成了工程质量的隐患；另一种是设计的安全 系数过大造成不必要的浪费。很多的业内朋友说：隔热铝合金门窗的抗风压性能强于塑钢门窗，在美国的众多摩天大 楼成功应用了 30 年以上，市场占有率高于80%。那些国外的门窗设计师是如何进行抗风压 强度计算的呢？随着隔热铝合金门窗的大量应用，设计师们必须用他们所熟悉的计算方法和 公式来合理设计，才能保证设计方案既安全、又经济。本文将
2、在下面进行浅析，有不正确的 地方望朋友们指正！同时也希望对读过本文的各位专家在您的工作上有所帮助。本文的问题是：隔热型材宽度为60 毫米，竖中梃距两侧边框的距离均分，尺寸为 1500X1500的固定窗（中空玻璃），在正风压为2500N/m2的情况下，其中梃的挠度是多少？ 当风压消失后，窗的中梃杆件是否为弹性变形？只有中梃杆件是弹性变形，才能保证门窗 的水密性、气密性和保温性能。此时的中梃受到两个相同的梯形载荷作用，中梃的挠度应为两个梯形载荷作用下的挠 度迭加。在实际工程计算中，均布载荷计算出来的结果较梯形载荷的安全系数稍大，且计 算简便，故更多的使用均布载荷进行计算，其线载荷用W0表示（牛顿/
3、毫米）。1隔热铝合金型材挠度和等效惯性矩的计算方法1.1 计算原理本文是对于一个具有非均一截面的简支梁在均布载荷作用下，预算其等效惯性矩的方 法。这个模型是由相对硬面（如铝合金）与较软的核心材料（隔热聚氨酯胶）持续联结在 一起的“复合”梁。表面除了轴向强度之外还有具有抗弯曲的强度。在这里，假定隔热材 料仅抵抗剪切力。需要说明的是：铝合金型材的杨氏模量比隔热胶的大很多，在考虑弯曲型变的计算时 只选用了铝合金的，而省略了隔热胶的。例如，隔热胶的杨氏模量为1650MPa,仅为铝合 金型材（杨氏模量为70000MPa）的3%。12毫米宽的聚氨酯隔热胶仅相当于0.39毫米宽 的铝合金。计算隔热铝合金型材
4、的关键问题是隔热材料的剪切形变。在计算纯铝合金型材的简支梁 受到均布载荷时，其公式为：伯努利一欧拉方程（EIy=M），而将其剪切变形量忽略不计。 然而，当型材轴向上的立筋存在相对较软的隔热材料时，会导致“复合”梁的行为复杂化。 受到载荷时，“复合”梁的横截面尺寸会因隔热材料的剪切形变而产生变化。隔热材料的剪 切形变使得其形状由矩型变成平行四边型。由于隔热材料位于两块铝合金型材之间，当其作为简支梁承受力的作用时，整个复合型 材的变形量以及铝合金型材所受到的应力较纯铝合金型材都有所增加；相反在长度方向上所 传递的剪切流（隔热胶的剪切应力乘以隔热胶的宽度b却减弱了很多。在公式和图示中我们将用到以下参
5、数：A= tw (h-g)铝合金材料的剪切面积(mm2)AC 弹性体的总截面积(mm2)a1,a2 铝型材表面1和2的面积(mm2)b=AC/DC 弹性体的平均宽度(mm)b两个凸点间的净宽度(mm)c11?c22,D 分别是形心轴线到两个铝合金型材外表面的距离，以及两形心轴线间的距 离。(mm)DC 断热槽的最大深度(mm)E=70000N/mm2 铝型材的杨氏模量EC弹性体的杨氏模量(1650 N/mm2)g 隔热槽两个凸点的隔热距离(mm)GC= EC/2(1+v)弹性体的剪切模量(N/mm2)；是弹性体的泊松比(Poissonsratio) h铝型材截面的总宽度(mm)h,h2铝型材的
6、重心到两个外表面的距离(mm)I01，I02铝型材1和2的惯性矩(mm4)L跨度，两个支点间的距离(mm)W0均布载荷(N/mm)tw 铝型材轴向立筋的厚度，或厚度的总和otw= AW /(h-g) , Aw是两块型材各个立筋 WWWW乘以其相应高度之和。1.2 参数、综合恒量和基本公式a a D21 -该值仅适用于复合型材的两段均为同一材料的情况下（mm4）（ 1 ）c a + a12I0=I01+I02是等效惯性矩的较低值。（铝型材内表面和胶接触的表面上，有相对滑动的情况) (mm4)2)I=IC+I0是等效惯性矩的较高值。该值仅在铝型材内表面和断热胶接触的表面没有任何剪切变形时 （mm4
7、）3)IC/I4)IbD2GG 二 cp I DCC(N)5)Gc = PEI0仅对于两面的材质具有相同的 E 值 （1/mm2）6)因为隔热铝合金型材杆件的理论惯性矩Ie是L （跨矩）、GC （弹性体的剪切模量）和载 荷形式（如：均布载荷或集中载荷）的函数，它不同于普通铝合金型材的惯性矩（是与截 面有关的常数）。所以，首先要计算出在均布载荷作用下的复合杆件形变，再计算其相应 的理论惯性矩I的值。e。对于“复合”梁的弯曲力矩和剪切力，相关于发生弯曲形变（y）,其相关的微分公式为:y cy-cMEIEI(1/mm3)公式中的（）表示对x的微分，整理后的弯曲形变（y）表示为:y = D x5 +
8、D x4 + D x3 + D X2 + Dx + D + Fep + 25432101 eP当均布载荷时，D0 =器甘P；D1=-(w L) Iw L0 C 02G I24ElpD2= 2GIP；D3=wL12 EI；D4=w24 EI；D5= 0 w I e rF =-c； f = F e 2 r1 cG I (er + e-r 厂 2 i P*p= x c注：e为自然对数的底(其值约为2.71828)。按照公式(8)计算出形变y,均布载荷时，其理论惯性矩Ie应为：Ie= (w0L)L3三 76.8Ey(9)因为隔热胶的泊松比(Poissons ratio)为0.5 (N/mm2),在均布
9、载荷作用下隔热铝合金型 材内的隔热胶尺寸较没受到载荷时有一定的变化，所以均匀载荷时，其实际的等效惯性矩 I为：Ie = Ie 三l+25.6(Ie)三(L2A)(10)1.3 挠度和等效惯性矩的计算实例：如图为 60 毫米宽的注胶隔热铝型材中梃，表面为普通喷粉，隔热胶的牌号为亚松公司生 产的 SU207-30T。上面(室外侧)型材的：a1= 304.7 (mm2) ； I01 = 26094.4 (mm4) ； c11 = 10.09 (mm) 。下面(室内侧)型材的：a2= 190.7 (mm2) ； I02 = 11891.6 ( mm4) ； c11 = 11.27 (mm) 。D =
10、38.64 mm ； b= 7.7 (mm) ： b = 5.38 (mm) ； DC= 15.9 (mm) ； GC= 552(N/mm2)W0 = 1.875 (N/mm) ； tw= 3.2 (mm) ； g = 6.35 (mm) ； L = 1500 (mm) 。” a a D2按照公式(1)得：I =-= 175122.3 (mm4)c a + a1 2按照公式(2)得：I0=I01+I02 = 37986 (mm4)按照公式(3)得：I=IC+I0 =213108.3 (mm4)按照公式（4）得:：IC/I = 0.8218按照公式(5)得:：G 二 YDDc = 485697.
11、4 (N)c cG按照公式（6）得:：c 二 仃=0.0001826 （1/mm2）EI0均布载荷时，x =L/2时，中梃杆件的挠度出现最大值。按照公式（8）得:y = D x5 + D x4 + D x3 + D X2 + D x + D5432109.1371 ep(mm)按照公式（9）得:：Ie=wL4/ 76.8Ey = （wL）L3/ 76.8Ey = 19.3 （cm4）按照公式（10）得:：Ie = Ie 三l+25.6（Ie）三（L2A） = 19.1（cm4）2隔热铝合金型材弹性变形校合的计算方法和实例：2.1 铝合金型材最大应力的校合：在复合铝合金型材任意截面内，上半部型材
12、的平均压缩力（ F 1）与截面内不同的压缩 力之和相等；Fl的作用点为上半部型材的形心（在上半部型材的中心轴线上）。下半部型材 的平均拉社伸力（F2）与截面内不同的拉伸力之和相等；F2的作用点为下半部型材的形心 （在下半部型材的中心轴线上）。由于隔热材料与铝合金的弹性模量想差悬殊，故隔热材料 的压缩、拉伸应力忽略不计。由于隔热胶的剪切形变，任意截面内（延着中心轴线）存在着一个平均压缩力（ F1） 和一个平均拉伸力（F2）。因复合型材杆件的静止，所以，两力相等（F1=F2）,方向相反。任意截面内（延着中心轴线），上半部型材的中心轴线之上，压缩应力增加；上半部型 材的中心轴线之下，压缩应力减少，应
13、力间相互平衡。同样的情况，下半部型材的中心轴线 之上，拉伸应力减少；下半部型材的中心轴线之下，压缩应力增加，应力间相互平衡。M = Mc + MoM ：由于受到均布载荷，而在中梃杆件截面内产生的力矩。Mc :由于两个大小相等、方向相反的平均力（Fl、F2），而产生的力矩。Mo ：由于两块铝合金型材截面内应力分布的不同，而产生的力矩。中梃的上面（室外侧）型材质心受到的平均压缩应力为: -（M-EI0y） / a1D； 中梃的下面（室内侧）型材质心受到的平均拉伸应力为：（M-EI0y）/a2D；中梃的上面（室外侧）型材受到的最大压缩应力存在于型材的最外侧，故:f11= -（M-EI0y）/ a1D
14、- Ec11y中梃的下面（室内侧）型材受到的最大拉伸应力存在于型材的最内侧，故：f22=（M-EI0y） / a2D + Ec22y对公式（ 8）进行两次微分，得：y= d2y/dx2 = 20D5x3+12D4x2 + 6D3x + 2D2 + CF1ep+ F2/ep注意： p= x（C）1/2均布载荷时，中梃杆件任意截面上的力矩是x的函数：M = w0x（L-x）/2 ；M =w L2/8 。max 012)13 )(14)(15)(16)=L/2 时，按照公式(14)得:：f11= (M-EI0y，) / a1D Ec11y= 63.26 ( N/mm2)按照公式(15)得:：88.03 ( N/mm2)f22= (MW) / a?。+ Ec22y因铝合金的6063 T5的许用应力为85 ( N/mm2),此时的f2(88.03 ( N/mm2)大于6063 T5的许用应力，有可能发生铝合金型材的塑性变形。6063 T6的许用应力为138 ( N/mm2)。 故选用6063 T6更安全可靠。2.
