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摘要：隨著各地不斷提高門窗（詞條“門窗”由行業(yè)大百科提供）幕墻的節(jié)能性要求，大跨度的聚酰胺隔熱（詞條“隔熱”由行業(yè)大百科提供）條在斷橋鋁門窗幕墻產(chǎn)品中的應(yīng)用將逐漸普及，如何保證大跨度隔條斷橋復(fù)合后的穩(wěn)定性（詞條“穩(wěn)定性”由行業(yè)大百科提供）和安全性，正在變得越來越重要。本文通過引入有限元技術(shù)，舉例分析材料內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變和位移情況來指導(dǎo)斷橋的選擇和優(yōu)化設(shè)計，以提高斷橋產(chǎn)品的安全性，為建筑鋁系統(tǒng)的設(shè)計提供科學(xué)的方法和依據(jù)。
關(guān)鍵詞：斷橋鋁合金（詞條“斷橋鋁合金”由行業(yè)大百科提供）、虛擬樣機(jī)、聚酰胺隔熱條、有限元技術(shù)
1.引言
在我國建筑維護(hù)總能耗中，建筑門窗幕墻的能耗超過49%，已經(jīng)成為建筑節(jié)能最薄弱的環(huán)節(jié)。各地政府不斷出臺新的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，以北京市為例，如表1.0所示，早在2014年3月修改的《關(guān)于居住建筑門窗工程技術(shù)規(guī)范—北京市地方標(biāo)準(zhǔn)》已經(jīng)將斷橋鋁合金外窗、敞開式陽臺門、戶門、單元外門的傳熱系數(shù)設(shè)定到2.0以下，常用的短聚酰胺隔條已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足節(jié)能要求。
隨著門窗幕墻節(jié)能技術(shù)不斷發(fā)展，大跨度的隔熱條不斷的得到應(yīng)用。市場上最長的聚酰胺隔熱條已經(jīng)做到了77mm。在斷橋幕墻系統(tǒng)、窗墻單元體、平開窗、平開門和推拉門系統(tǒng)上，長度大于30mm的長隔熱條已經(jīng)有較為普遍的應(yīng)用。隨著各個地方不斷出臺高隔熱的門窗幕墻相關(guān)的節(jié)能地方標(biāo)準(zhǔn)，如何保證大隔條斷橋復(fù)合后的穩(wěn)定性和安全性，正在變得越來越重要。
本文通過引入有限元技術(shù)，舉例研究模擬大跨度隔熱條型材（詞條“型材”由行業(yè)大百科提供）受力狀況，根據(jù)模擬得到的隔熱條和型材內(nèi)部應(yīng)力云圖對比材料的張力（詞條“張力”由行業(yè)大百科提供）強(qiáng)度（詞條“強(qiáng)度”由行業(yè)大百科提供）、屈服強(qiáng)度和彈性模量，以分析材料內(nèi)部應(yīng)力是否超過許用應(yīng)力。
同時根據(jù)斷橋受力后位移和應(yīng)變的參數(shù)云圖，評估材料受力后的變形情況。綜合三個因素用來評估斷橋的穩(wěn)定性和安全性，指導(dǎo)高隔熱門窗幕墻系統(tǒng)的斷橋隔熱條長度的合理選擇;根據(jù)應(yīng)力集中情況，指導(dǎo)優(yōu)化型材壁厚設(shè)計。
2.大跨度斷橋鋁產(chǎn)生問題的原因
大跨度斷橋鋁在產(chǎn)生問題的原因主要在三個方面。一是由于隔熱條長度過大，在復(fù)合過程中容易產(chǎn)生平行度問題。如圖1.0所示，圖示節(jié)點(diǎn)是一款63系列推拉門的下框和扇部位剖視圖，扇料所用隔熱條長度為28mm聚酰胺加玻璃纖維的隔熱條。兩條隔熱條之間的間距過小。非常容易導(dǎo)致復(fù)合后鋁型材（詞條“鋁型材”由行業(yè)大百科提供）兩個面產(chǎn)生不平行的現(xiàn)象。復(fù)合不緊密導(dǎo)致的型材平面平行度問題會進(jìn)一步影響型材的穩(wěn)定性，這一問題可以通過設(shè)置特殊的復(fù)合工具來解決。
二是由于鋁合金和聚酰胺隔熱條的熱膨脹系數(shù)不一致，根據(jù)GB/T23615.1-2009鋁合金建筑型材用輔助材料 第一部分聚酰胺隔熱條規(guī)定：線膨脹系數(shù)在(2.3-3.5)×10-5K-1區(qū)間內(nèi)，各個廠家聚酰胺隔熱條玻璃（詞條“玻璃”由行業(yè)大百科提供）纖維含量不一，熱膨脹系數(shù)和線膨脹系數(shù)存在三次方的關(guān)系。導(dǎo)致斷橋型材質(zhì)量差異的存在。而熱膨脹系數(shù)隨溫度變化，即便是同一斷橋，鋁合金和聚酰胺的熱脹冷縮（詞條“熱脹冷縮”由行業(yè)大百科提供）并不同步，這也會導(dǎo)致斷橋不穩(wěn)定。但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，聚酰胺隔熱條的不斷改進(jìn)，這一問題已經(jīng)逐漸被解決。
第三條原因最重要的，沒有科學(xué)依據(jù)盲目的提高型材的K值，選擇大跨度的隔熱條，導(dǎo)致型材在受力后內(nèi)部應(yīng)力過大，超出材料的許用應(yīng)力。同時國標(biāo)選用的T5材質(zhì)的鋁合金和聚酰胺隔熱條都容易變形，會破壞型材的穩(wěn)定性。
3.模擬實(shí)驗組的設(shè)計
在高隔熱平開門、斷橋幕墻和推拉門等常見的建筑鋁系統(tǒng)中常常會選用大跨度隔熱條。為了研究方便，選用上圖中的推拉門扇最為研究對象。設(shè)置五個實(shí)驗組分別對應(yīng)的玻璃厚度是24mm(6+12+6)、28mm、34mm、38mm、42mm(6+12+6+12+6)，如圖1.1所示，對應(yīng)的隔熱條長度28mm、34mm、38mm、42mm、46mm聚酰胺隔熱條。研究對象是2.0m*1.2m的推拉門扇，實(shí)驗的目的是模擬不同長度隔熱條在對應(yīng)厚度的玻璃下的扇下邊框應(yīng)力、應(yīng)變、位移情況。
有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬。首先對鋁合金部分的形狀進(jìn)行簡化，以便于有限元分析過程中的網(wǎng)格劃分。如圖1.2所示，將扇料進(jìn)行如下簡化。
進(jìn)行實(shí)驗之前我們需要了解和設(shè)定的理論基礎(chǔ)如下：
本實(shí)驗主要研究帶線性材料的應(yīng)變、位移、應(yīng)力情況、安全系數(shù)等問題，參照門窗規(guī)范設(shè)置基本風(fēng)壓為1.0 KN/m2 ，不考慮型材的移動過程影響，選擇Solidworks靜應(yīng)力算例。
本實(shí)驗型材承受的主要載荷考慮為均布荷載，Solidworks靜應(yīng)力算例提供了智能化的單元劃分方式，會根據(jù)分析對象自動設(shè)置網(wǎng)格尺寸區(qū)間為粗糙至良好，用戶可以選擇合適的網(wǎng)格密度（詞條“密度”由行業(yè)大百科提供），此處分析模型較小，我們選擇網(wǎng)格劃分密度為良好，網(wǎng)格類型為實(shí)體網(wǎng)格，所用網(wǎng)格器選擇標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格，如42mm實(shí)驗組中，網(wǎng)格的整體大小自動調(diào)整為17.4mm，公差自動調(diào)整為0.87mm，雅克比點(diǎn)為4.
本實(shí)驗單元類型為實(shí)體單元。根據(jù)包裹法確定邊界條件和約束方式，將滑輪接觸部位等效為夾具，夾具的約束方式為固定，夾具的接觸方式為滑輪區(qū)域?qū)?yīng)的全局面接觸，確定邊界條件為1.2m的型材.
4.模擬參數(shù)的設(shè)置
本實(shí)驗使用SOLIDWORKS根據(jù)簡化后的模型建立隔熱條和鋁合金部分，然后通過配合組成虛擬樣機(jī)裝配體。
SOLIDWORKS插件Simulation有常用的材質(zhì)參數(shù)庫，除了聚酰胺隔熱條因為添加了玻璃纖維，需要設(shè)置物理參數(shù)外，鋁合金材質(zhì)可以選擇T5自動生成物理屬性。
根據(jù)GB/T 23615.1-2009和尼龍材質(zhì)的屬性設(shè)置聚酰胺隔熱條的各項參數(shù)如圖1.4所示。
5.模擬受力與結(jié)果分析評價
不同厚度玻璃對應(yīng)的扇料分析過程大體相同，24mm-38mm厚度玻璃對應(yīng)的扇料分析在這里不在贅述，這里選擇42mm玻璃對應(yīng)的46mm斷橋扇料做受力模擬。
如下圖1.5所示，首先要建立42mm的隔熱條和對應(yīng)型材的裝配體，然后分別在軟件中賦予材質(zhì)。
其次要分析型材的受力，為了更加真實(shí)的反映出推拉門扇料的受力。在1200mm的型材下隔熱條和對應(yīng)的鋁型材處分割設(shè)置70mm滑輪對應(yīng)的夾具區(qū)域。
由于型材下部靠兩個滑輪支撐，型材上部放的是玻璃。注意此處荷載是均布荷載，當(dāng)玻璃的重力均勻施加到型材上時，需要在型材上部等效出第二個平面夾具，預(yù)留出適當(dāng)?shù)纳舷路较虻淖冃瘟�。玻璃重量設(shè)置兩倍的安全系數(shù)。
型材上部壓力：F=2×(1.2×2×0.018)×2.5×103*10 N
F=4320N
根據(jù)JGJ214-2010 鋁合金門窗技術(shù)規(guī)范，建筑外門窗的抗風(fēng)壓（詞條“風(fēng)壓”由行業(yè)大百科提供）性能指標(biāo)值P3應(yīng)按照不低于門窗所受風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值確定，且不小于1.0KN/m2。這里設(shè)置風(fēng)壓為1.0 KN/m2.則可以計算出型材所受的剪力為600N。
分別設(shè)置兩類夾具和兩個主要作用力，并按照均布荷載和靜應(yīng)力算例劃分網(wǎng)格，設(shè)置網(wǎng)格密度為良好，網(wǎng)格類型為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格，選擇如圖1.6所示。運(yùn)行算例得到如圖1.7、1.8、1.9所示的云圖。
放大應(yīng)力云圖，播放動畫，可以觀察到規(guī)則“C”形隔熱條以及“C”形隔熱條和鋁合金復(fù)合處的顏色最深，最大應(yīng)力達(dá)到2.024×108N/m2。
對比圖1.3和圖1.4，隔熱條的最大應(yīng)力已經(jīng)超過隔熱條的屈服強(qiáng)度6×107N/m2和張力強(qiáng)度8×107N/m2，隔熱條已經(jīng)發(fā)生塑性變形。也超過了T5鋁合金的屈服強(qiáng)度1.45×108N/m2和張力強(qiáng)度1.85×108N/m2,鋁合金也已經(jīng)發(fā)生塑性變形。結(jié)合圖1.8和圖1.9，最大變形位置偏離原來位置的距離達(dá)到0.3689mm，并且按照應(yīng)變和位移的趨勢變形。雖然變形量并不大，即便是按照這種設(shè)計來做出成品的門窗，也看不到變形，但是實(shí)際上，巨大的安全隱患已經(jīng)存在。隨著隔熱條的不斷老化，產(chǎn)品會斷裂瓦解。
綜上分析，不論是隔熱條或是T5鋁合金型材截面都不能滿足上述設(shè)計的需要。需要改用組合型的隔熱條，改變鋁合金截面結(jié)構(gòu)，增加應(yīng)力集中部位的厚度，再次通過相同的實(shí)驗步驟，直到滿足模擬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值和應(yīng)變值滿足許用的應(yīng)力值和應(yīng)變值。此種研究方法在高荷載、高風(fēng)壓、高隔熱要求的建筑鋁系統(tǒng)工程中具有通用性。
參考文獻(xiàn)：
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作者單位：浙江中南建設(shè)集團(tuán)建筑幕墻設(shè)計研究院
