断热铝型材强度计算

断热铝型材强度计算
一 前 言
建筑节能是世界性的潮流 也是中国持续发展的需要 铝材与隔热塑料复合的断热
建筑铝型材 以下简称断热铝材 的传热系数比普通建筑铝型材 以下简称普通铝材
低 是一种符合节能潮流的节能建材 当它用于建筑幕墙和铝合金外窗之时 除了要考
虑其保温隔热性能之外 还要充分考虑到其结构的安全性和可靠性 从力学角度看 普
通铝材是各相同性材料的弯曲梁 断热铝材是两种不同材料复合而成的组合梁 两者的
力学分析不完全相同 有鉴于此 本文试图对断热铝材的强度计算进行探讨
二 组合梁的力学分析
两种材料复合而成的矩形组合梁 图 弯曲时 如果铝材与塑料接合处联结牢
固 不发生相对滑动和分离 铝材和塑料将一起变形 按照材料力学弯曲理论的平面的
假设 应变将沿截面高度连续线性变化 图 当两种材料的弹性模量相同时 同
一截面的弯曲正应力沿高度呈连续分布 图 当两种材料的弹性模量不同时 同
一截面的弯曲正应力沿高度不连续分布 图 二者虽然都呈线性变化 但分布直
线斜率不同 在铝材和塑料的结合处 应力发生突变 因而隔热铝材的强度计算可分为
两部份 化作整体梁的强度计算 铝材和隔热塑料分离面的强度计算
三 整体梁的强度计算
当组合梁作为整体梁进行强度计算时 为方便起见 工程上多采用 当量截面法
这种方法是在不改变各种材料截面形心位置的前提下 将一种材料的面积扩大 或缩小
倍 化作为完全为另一种材料截面的整体梁 这个截面称为当量截面 如图 隔
热型材组合截面中 将铝材的面积扩大 倍 化作为单一塑料截面的整体梁 为了保持
铝材原截面形心位置不变 必须将铝材的宽度对称地扩大 倍 如图 所示 这里
是两种材料弹性模量之比
即
铝 铝材弹性模量 根据 规范 铝
塑 隔热塑料弹性模量 根据 标准 隔热塑料在干
燥状态下 塑
化成单一材料的整体梁以后 即可直接用梁的平面弯曲公式进行应力计算
即
上式中的 为当量截面对中性轴的惯性矩 但是这样计算所得的应力只反映代换后的
那种材料的梁内应力 对于被代换材料那部份截面上的应力还需将其扩大 或缩小倍
例一 知 铝材宽 厚 塑料宽
梁高 最大弯矩 隔热条高
铝 塑
求 铝材截面最大弯曲正应力 铝 隔热塑料截面最大弯曲正应力 塑
解
将铝塑组合梁转化为单一塑料整体梁 所以得到铝材截面转化后
的宽度 转化后整体梁的当量截面如
图 所示
计算当量截面惯性矩
计算当量截面弯曲最大正应力
计算铝材弯曲最大正应力 铝
计算塑料弯曲最大正应力 塑
四 分离面最大应力计算
铝材与隔热塑料复合而成的组合梁 其线荷载设计值为 型材宽 在梁的跨
度取一微段 如图 所示 在 截面和 截面上作用有正应力和剪应力
铝材和隔热塑料分界面 将铝材从微段 分离 如图 所示 在分离面
上作用有剪应力 分和正应力 分 在 面上作用有弯曲剪
应力 弯
分离面最大剪应力 分 计算 根据剪应力互等定律 分 弯 依照材
料力学计算公式
弯
截面所受剪力
截面静面矩
截面惯性矩
隔热塑料截面宽
矩形梁上的 截面 图 静面矩 可按下式计算
铝塑分离面的 最大剪应力发生在剪力最大截面 矩形梁分离面的最大剪应力的设
计值可按下式计算
分最大剪力设计值
截面惯性矩
截面总高度
塑料隔热条总高度
分 分离面最大剪应力设计值
工字梁分离面的最大剪应力设计值 可按下式计算
分
当量截面腹板宽度
当量截面翼缘宽度
分离面最大正应力 分 计算
按照图 所示的分离单元体 其上所受之力在垂直方向的平衡式为
弯 分
按照上式 当 弯 分达到最大 即分离面的最大正应力发生在 的截面
则上式为
分
则分离面的最大正应力可按下式计算
分
线荷载设计值
塑料隔热条宽
分 分离面最大正应力设计值
例二 知 某一幕墙工程的力柱采用隔热铝材 其截面几何尺寸见例一 承受线荷
载的设计值 塑料隔热条的宽度 按简支梁计算 跨度
求 分离面最大剪应力设计值
分离面最大正应力设计值
解 梁的弯矩 剪力图见图
依照图 的剪力图 最大剪力发生在支座处 该截面的剪力设计值为
分离面的最大剪应力设计值计算如下 由例一得到
分
依照图 的剪力图 跨中截面剪力为 分离面的最大拉应力发生在该处 其设
计值可计算如下
分五 建 议
断热铝材用于建筑幕墙和铝门窗的结构件时 应进行强度设计计算
铝材应计算弯曲最大拉应力 隔热塑料应计算最大弯曲拉应力最大弯曲剪应力
铝材和隔热塑料的分离面还应计算最大拉应力和最大剪应力
强度校核建议
铝 塑 塑拉 塑 塑剪
分 分拉 分 分剪
铝 铝材最大弯曲拉应力设计值
塑 隔热塑料最大弯曲拉应力设计值
塑 隔热塑料最大弯曲剪应力设计值
分 铝材和隔热塑料分离面最大拉应力设计值