金属幕墙中铝塑复合板折边处受力分析

1、前言

金属幕墙是继玻璃幕墙[1]之后而发展起来的又一种新型幕墙结构，金属幕墙[2]经常与玻璃幕墙同时使用于同一建筑物上。通常建筑物的透光部分用玻璃幕墙，不透光部分采用金属幕墙。由于金属板材( 铝塑复合板、铝单板、蜂窝铝板、夹芯保温铝板等) 的优良的加工性能，色彩的多样及良好的安全性，能完全适应各种复杂造型的设计，可以任意增加凹进和凸出的线条，而且可以加工各种型式的曲线线条，因而金属幕墙作为一种极富冲击力的建筑形式，给建筑师以巨大的发挥空间，倍受青睐。大规格金属板面在工程中被广泛的采用，为保证金属板面的平整度因而需进行合理的受力计算。国内对金属幕墙中铝塑复合板折边处受力的研究较少，本文采用有限元方法，把铝塑复合板作为受力分析对象，研究折边周围的最大应力分布，为金属幕墙受力分析提出合理性建议。

2、铝塑复合板折边形式

2.1 铝塑复合板

铝塑复合板是内外两层 0.5mm 的纯铝板中间夹层为 3mm～4mm 厚的聚乙烯(PE 或聚氯乙烯 PVC)经辊压热合而成。外用复合铝板表面的氟碳漆也是以辊涂的方式与辊压、热合一次完成的，涂层的厚度一般为 20μm 左右，复合铝板的优点是质轻，表面光洁，平整度好，同方向无色差，并具有出色的现场加工性，为处理现场建筑误差所引起的外墙尺寸变化，减少车间加工周期和缩短安装工期提供了条件。

2.2 铝塑复合板折边

铝塑复合板开槽一般可开 V 型槽、U 型槽等，几种典型的开槽方式如图 1 所示。铝塑复合板的板材在裁板时要考虑到折边加放的尺寸，一般每边加放 25mm 左右。裁好的复合板需要四边刨槽，即切去一定宽度的内层铝板和塑料层，开槽深度必须严格控制在正面铝板后至少保留 0.3mm 厚的塑料芯材，以保证铝塑复合板有足够的韧性，防止折边处铝皮断裂，然后折边成 90°阳角，这样板面自重和幕墙随时都会受到的正负风荷载压力均由四个边 0.5mm 铝板承受，因此，开槽折边处是铝塑复合板面板的最薄弱环节，也是风荷载作用下最先破坏的部位。

2.2 铝塑复合板折边加固

铝塑复合板一般通过四周折边增大板的刚度，而且可以避免铝塑复合板的芯材在大气中外露。铝塑复合板的折边可按需要设置加强边框，铝塑复合板幕墙面板不宜使用铝角码作为边框，应使用铝型材作为加强边框。加强边框可采用金属方管、槽形和角形等，其应与面板可靠连结，并应有防腐措施。边框与铝塑复合板的折边的连接可使用铝铆钉，其连接应满足传力要求可靠连结。

在实际工程中，铝塑复合板的折边处的处理形式分为以下两种： ①可按需要设置加强边框； ②没有设置加强边框。铝塑复合板的折边处没有设置加强边框的形式受力最为不利。本文的铝塑复合板的折边处的处理形式为没有设置加强边框。

3、铝塑复合板受力研究

3.1 基本承载特点

金属幕墙中金属板需承受多种荷载，其中包括自重、风荷载、雨雪荷载、地震荷载、施工荷载、温度变化、支座位移以及活荷载等。而其作用的形式可分成两类：垂直于金属板表面的作用和平行于金属板表面的作用。垂直于板表面的作用使金属板发生弯曲，统称为面外作用，亦称面外荷载；平行于板表面的作用会使金属板发生剪切破坏，统称为面内作用，也可称作面内剪力。一般情况下，对建筑幕墙起控制作用的是风荷载[3]。幕墙面板本身必须具有足够的承载能力，避免在风荷载作用下破碎或脱落。本文主要考虑了垂直于板表面的风荷载。

3.2 计算公式

3.2.1 铝塑复合板固定形式

铝塑复合板的力学性能主要来源于两层铝板，铝板的厚度对其力学性能有着重要的影响。塑复合板采用 4mm，面板厚度为 0.5mm，铝塑复合板四周折边，采取铝角码固定，采用设置和不设置加强边框两种。铝塑复合板固定后，板材的周边均可以产生转动，所以计算时可以作为简支边考虑。

3.2.2 应力计算

在垂直于铝塑复合板板块的风荷载作用下的最大弯曲应力标准值[4]可采用考虑几何非线性的有限元方法计算。也可分别按下列公式计算:

式中：

θ —— 参数；

σwk ——风荷载作用产生的板中最大弯曲应力标准值 (N/mm2);

wk——风荷载标准值(N/mm2);

l——铝塑复合板区格的计算边长(mm);

E——铝塑复合板的弹性模量(N/mm2);

m——铝塑复合板的弯矩系数;

t——铝塑复合板的厚度(mm);

η——折减系数。

3.2.3 挠度计算

式中：

df——风荷载标准值作用下挠度最大值(mm);

wk——风荷载标准值(N/mm2);

l———铝塑复合板区格的计算边长(mm);

μ———挠度系数;

D———铝塑复合板的刚度(N·mm);

η———折减系数。

3.2.4 荷载计算

作用于铝塑复合板板块的荷载可按三角形或梯形分布传递到边肋上，进行边肋的计算时可按等弯矩原则化为等效均布荷载 (见图 2)

4、铝塑复合板有限元分析

4.1 模型尺寸

标准板件采用 1000mm×1600mm，板材表面均布荷载取 1.0×10-3N/mm2 (见图 3)。

4.2 模型概述

本文以太原某工程一块铝塑复合板的设计为例，采用国际著名的有限元分析软件——ANSYS 建立模型，在铝塑复合板模拟时采取了一些简化，把铝角码减去， 四周固定位置在折边的某一长度上，铝塑复合板采用 Shell 单元建模(见表1)，并在板面大范围内通过 Mapped 方式划分生成规则分布的单元，折边处的面板为铝板，厚度为 0.5mm，折边半径为 R (见图4)。

4.3 无加强边框有限元分析

折边半径R=1.5mm 时, 标准板件采用 1000mm×1600mm，板材表面均布荷载取 1.0×10-3N/mm2 (见图 5)。

理论计算结果：铝塑复合板板面的最大弯曲应力标准值为 32.61N/mm2，挠度最大值为 36.54mm。有限元分析结果为：挠度最大值为 61.227mm ( 见图 6)，铝塑复合板板面的最大弯曲应力标准值为 24.607N/mm2 (见图 7)，铝塑复合板折边处板面的最大弯曲应力标准值为437.973N/mm2 ( 见图 8)。计算结果显示：整体铝塑复合板的最大弯曲应力标准值出现在折边上即长边中点靠近铝角码固定的位置，板面中的最大弯曲应力标准值出现在板中附近位置，挠度最大值出现在板中附近位置。

折边半径 R=2.0mm 时，标准板件( 见图 9) 采用1000mm×1600mm，板材表面均布荷载取 1.0×10-3N/mm2。

理论计算结果：铝塑复合板板面的最大弯曲应力标准值为32.61N/mm2，挠度最大值为 36.54mm。

有限元分析结果为：挠度最大值为 60.85 mm(见图 10)，铝塑复合板板面的最大弯曲应力标准值为 24.506N/mm2 (见图 11)，铝塑复合板折边处板面的最大弯曲应力标准值为 452.784N/mm2 ( 见图12)。

计算结果显示：整体铝塑复合板的最大弯曲应力标准值出现在折边上即长边中点靠近铝角码固定的位置，板面中的最大弯曲应力标准值出现在板中附近位置，挠度最大值出现在板中附近位置。

折边半径 R=2.5mm 时，标准板件 ( 见图13) 采用1000mm×1600mm，板材表面均布荷载取

1.0×10- 3N/mm2 。

理论计算结果：铝塑复合板板面的最大弯曲应力标准值为 32.61N/mm2，挠度最大值为 36.54mm。

有限元分析结果为：挠度最大值为 60.441mm( 见图 14)，铝塑复合板板面的最大弯曲应力标准值为 24.396N/mm2 (见图 15)，铝塑复合板折边处板面的最大弯曲应力标准值为469.242N/mm2( 见图16)。

计算结果显示：整体铝塑复合板的最大弯曲应力标准值出现在折边上即长边中点靠近铝角码固定的位置，板面中的最大弯曲应力标准值出现在板中附近位置，挠度最大值出现在板中附近位置。

5 结束语

5.1 理论计算与有限元分析结果的比较通过两种方式计算得出的结果可以得出：铝塑复合板板面的最大弯曲应力标准值两结果的差值在25%左右，挠度最大值两结果的差值在 68%左右，其差值较大与铝角码的固定数量和位置有一定关系。

5.2 折边半径的比较通过有限元的三种方式计算得出的结果可以得出：挠度最大值和铝塑复合板板面的最大弯曲应力标准值变化非常小；铝塑复合板折边处板面的最大弯曲应力标准值随着折边半径 R 的增大而增大，其差值在 3.5%左右。

通过以上对金属幕墙中铝塑复合板折边处受力分析，为金属幕墙的设计提供了参考依据。

参考文献:

[1] JGJ 102—2003《玻璃幕墙工程技术规范》.

[2] JGJ 133—2001《金属与石材幕墙工程技术规范》.

[3] JGJ 102—1996《玻璃幕墙工程技术规范》.

[4] 金属与石材幕墙工程实用技术·北京·机械工业出版社.