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)。