斷熱鋁型材強度計算

斷熱鋁型材強度計算
一 前 言
建筑節(jié)能是世界性的潮流 也是中國持續(xù)發(fā)展的需要 鋁材與隔熱塑料復(fù)合的斷熱
建筑鋁型材 以下簡稱斷熱鋁材 的傳熱系數(shù)比普通建筑鋁型材 以下簡稱普通鋁材
低 是一種符合節(jié)能潮流的節(jié)能建材 當它用于建筑幕墻和鋁合金外窗之時 除了要考
慮其保溫隔熱性能之外 還要充分考慮到其結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性 從力學角度看 普
通鋁材是各相同性材料的彎曲梁 斷熱鋁材是兩種不同材料復(fù)合而成的組合梁 兩者的
力學分析不完全相同 有鑒于此 本文試圖對斷熱鋁材的強度計算進行探討
二 組合梁的力學分析
兩種材料復(fù)合而成的矩形組合梁 圖 彎曲時 如果鋁材與塑料接合處聯(lián)結(jié)牢
固 不發(fā)生相對滑動和分離 鋁材和塑料將一起變形 按照材料力學彎曲理論的平面的
假設(shè) 應(yīng)變將沿截面高度連續(xù)線性變化 圖 當兩種材料的彈性模量相同時 同
一截面的彎曲正應(yīng)力沿高度呈連續(xù)分布 圖 當兩種材料的彈性模量不同時 同
一截面的彎曲正應(yīng)力沿高度不連續(xù)分布 圖 二者雖然都呈線性變化 但分布直
線斜率不同 在鋁材和塑料的結(jié)合處 應(yīng)力發(fā)生突變 因而隔熱鋁材的強度計算可分為
兩部份 化作整體梁的強度計算 鋁材和隔熱塑料分離面的強度計算
三 整體梁的強度計算
當組合梁作為整體梁進行強度計算時 為方便起見 工程上多采用 當量截面法
這種方法是在不改變各種材料截面形心位置的前提下 將一種材料的面積擴大 或縮小
倍 化作為完全為另一種材料截面的整體梁 這個截面稱為當量截面 如圖 隔
熱型材組合截面中 將鋁材的面積擴大 倍 化作為單一塑料截面的整體梁 為了保持
鋁材原截面形心位置不變 必須將鋁材的寬度對稱地擴大 倍 如圖 所示 這里
是兩種材料彈性模量之比
即
鋁 鋁材彈性模量 根據(jù) 規(guī)范 鋁
塑 隔熱塑料彈性模量 根據(jù) 標準 隔熱塑料在干
燥狀態(tài)下 塑
化成單一材料的整體梁以后 即可直接用梁的平面彎曲公式進行應(yīng)力計算
即
上式中的 為當量截面對中性軸的慣性矩 但是這樣計算所得的應(yīng)力只反映代換后的
那種材料的梁內(nèi)應(yīng)力 對于被代換材料那部份截面上的應(yīng)力還需將其擴大 或縮小倍
例一 知 鋁材寬 厚 塑料寬
梁高 最大彎矩 隔熱條高
鋁 塑
求 鋁材截面最大彎曲正應(yīng)力 鋁 隔熱塑料截面最大彎曲正應(yīng)力 塑
解
將鋁塑組合梁轉(zhuǎn)化為單一塑料整體梁 所以得到鋁材截面轉(zhuǎn)化后
的寬度 轉(zhuǎn)化后整體梁的當量截面如
圖 所示
計算當量截面慣性矩
計算當量截面彎曲最大正應(yīng)力
計算鋁材彎曲最大正應(yīng)力 鋁
計算塑料彎曲最大正應(yīng)力 塑
四 分離面最大應(yīng)力計算
鋁材與隔熱塑料復(fù)合而成的組合梁 其線荷載設(shè)計值為 型材寬 在梁的跨
度取一微段 如圖 所示 在 截面和 截面上作用有正應(yīng)力和剪應(yīng)力
鋁材和隔熱塑料分界面 將鋁材從微段 分離 如圖 所示 在分離面
上作用有剪應(yīng)力 分和正應(yīng)力 分 在 面上作用有彎曲剪
應(yīng)力 彎
分離面最大剪應(yīng)力 分 計算 根據(jù)剪應(yīng)力互等定律 分 彎 依照材
料力學計算公式
彎
截面所受剪力
截面靜面矩
截面慣性矩
隔熱塑料截面寬
矩形梁上的 截面 圖 靜面矩 可按下式計算
鋁塑分離面的 最大剪應(yīng)力發(fā)生在剪力最大截面 矩形梁分離面的最大剪應(yīng)力的設(shè)
計值可按下式計算
分最大剪力設(shè)計值
截面慣性矩
截面總高度
塑料隔熱條總高度
分 分離面最大剪應(yīng)力設(shè)計值
工字梁分離面的最大剪應(yīng)力設(shè)計值 可按下式計算
分
當量截面腹板寬度
當量截面翼緣寬度
分離面最大正應(yīng)力 分 計算
按照圖 所示的分離單元體 其上所受之力在垂直方向的平衡式為
彎 分
按照上式 當 彎 分達到最大 即分離面的最大正應(yīng)力發(fā)生在 的截面
則上式為
分
則分離面的最大正應(yīng)力可按下式計算
分
線荷載設(shè)計值
塑料隔熱條寬
分 分離面最大正應(yīng)力設(shè)計值
例二 知 某一幕墻工程的力柱采用隔熱鋁材 其截面幾何尺寸見例一 承受線荷
載的設(shè)計值 塑料隔熱條的寬度 按簡支梁計算 跨度
求 分離面最大剪應(yīng)力設(shè)計值
分離面最大正應(yīng)力設(shè)計值
解 梁的彎矩 剪力圖見圖
依照圖 的剪力圖 最大剪力發(fā)生在支座處 該截面的剪力設(shè)計值為
分離面的最大剪應(yīng)力設(shè)計值計算如下 由例一得到
分
依照圖 的剪力圖 跨中截面剪力為 分離面的最大拉應(yīng)力發(fā)生在該處 其設(shè)
計值可計算如下
分五 建 議
斷熱鋁材用于建筑幕墻和鋁門窗的結(jié)構(gòu)件時 應(yīng)進行強度設(shè)計計算
鋁材應(yīng)計算彎曲最大拉應(yīng)力 隔熱塑料應(yīng)計算最大彎曲拉應(yīng)力最大彎曲剪應(yīng)力
鋁材和隔熱塑料的分離面還應(yīng)計算最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力
強度校核建議
鋁 塑 塑拉 塑 塑剪
分 分拉 分 分剪
鋁 鋁材最大彎曲拉應(yīng)力設(shè)計值
塑 隔熱塑料最大彎曲拉應(yīng)力設(shè)計值
塑 隔熱塑料最大彎曲剪應(yīng)力設(shè)計值
分 鋁材和隔熱塑料分離面最大拉應(yīng)力設(shè)計值