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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品中的應用將逐漸普及，如何保證大跨度隔條斷橋復合后的穩(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，舉例分析材料內部應力、應變和位移情況來指導斷橋的選擇和優(yōu)化設計，以提高斷橋產品的安全性，為建筑鋁系統(tǒng)的設計提供科學的方法和依據。
關鍵詞：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、聚酰胺隔熱條、有限元技術
1.引言
在我國建筑維護總能耗中，建筑門窗幕墻的能耗超過49%，已經成為建筑節(jié)能最薄弱的環(huán)節(jié)。各地政府不斷出臺新的建筑節(jié)能標準，以北京市為例，如表1.0所示，早在2014年3月修改的《關于居住建筑門窗工程技術規(guī)范—北京市地方標準》已經將斷橋鋁合金外窗、敞開式陽臺門、戶門、單元外門的傳熱系數(shù)設定到2.0以下，常用的短聚酰胺隔條已經遠遠不能滿足節(jié)能要求。
隨著門窗幕墻節(jié)能技術不斷發(fā)展，大跨度的隔熱條不斷的得到應用。市場上最長的聚酰胺隔熱條已經做到了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的長隔熱條已經有較為普遍的應用。隨著各個地方不斷出臺高隔熱的門窗幕墻相關的節(jié)能地方標準，如何保證大隔條斷橋復合后的穩(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，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，根據模擬得到的隔熱條和型材內部應力云圖對比材料的張力（詞條“張力”由行業(yè)大百科提供）強度（詞條“強度”由行業(yè)大百科提供）、屈服強度和彈性模量，以分析材料內部應力是否超過許用應力。
同時根據斷橋受力后位移和應變的參數(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;根據應力集中情況，指導優(yōu)化型材壁厚設計。
2.大跨度斷橋鋁產生問題的原因
大跨度斷橋鋁在產生問題的原因主要在三個方面。一是由于隔熱條長度過大，在復合過程中容易產生平行度問題。如圖1.0所示，圖示節(jié)點是一款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。非常容易導致復合后鋁型材（詞條“鋁型材”由行業(yè)大百科提供）兩個面產生不平行的現(xiàn)象。復合不緊密導致的型材平面平行度問題會進一步影響型材的穩(wěn)定性，這一問題可以通過設置特殊的復合工具來解決。
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，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)存在三次方的關系。導致斷橋型材質量差異的存在。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，這也會導致斷橋不穩(wěn)定。但是隨著技術的進步，聚酰胺隔熱條的不斷改進，這一問題已經逐漸被解決。
第三條原因最重要的，沒有科學依據盲目的提高型材的K值，選擇大跨度的隔熱條，導致型材在受力后內部應力過大，超出材料的許用應力。同時國標選用的T5材質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.模擬實驗組的設計
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。設置五個實驗組分別對應的玻璃厚度是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，實驗的目的是模擬不同長度隔熱條在對應厚度的玻璃下的扇下邊框應力、應變、位移情況。
有限元分析是利用數(shù)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)進行模擬。首先對鋁合金部分的形狀進行簡化，以便于有限元分析過程中的網格劃分。如圖1.2所示，將扇料進行如下簡化。
進行實驗之前我們需要了解和設定的理論基礎如下：
本實驗主要研究帶線性材料的應變、位移、應力情況、安全系數(shù)等問題，參照門窗規(guī)范設置基本風壓為1.0 KN/m2 ，不考慮型材的移動過程影響，選擇Solidworks靜應力算例。
本實驗型材承受的主要載荷考慮為均布荷載，Solidworks靜應力算例提供了智能化的單元劃分方式，會根據分析對象自動設置網格尺寸區(qū)間為粗糙至良好，用戶可以選擇合適的網格密度（詞條“密度”由行業(yè)大百科提供），此處分析模型較小，我們選擇網格劃分密度為良好，網格類型為實體網格，所用網格器選擇標準網格，如42mm實驗組中，網格的整體大小自動調整為17.4mm，公差自動調整為0.87mm，雅克比點為4.
本實驗單元類型為實體單元。根據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)域對應的全局面接觸，確定邊界條件為1.2m的型材.
4.模擬參數(shù)的設置
本實驗使用SOLIDWORKS根據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裝配體。
SOLIDWORKS插件Simulation有常用的材質參數(shù)庫，除了聚酰胺隔熱條因為添加了玻璃纖維，需要設置物理參數(shù)外，鋁合金材質可以選擇T5自動生成物理屬性。
根據GB/T 23615.1-2009和尼龍材質的屬性設置聚酰胺隔熱條的各項參數(shù)如圖1.4所示。
5.模擬受力與結果分析評價
不同厚度玻璃對應的扇料分析過程大體相同，24mm-38mm厚度玻璃對應的扇料分析在這里不在贅述，這里選擇42mm玻璃對應的46mm斷橋扇料做受力模擬。
如下圖1.5所示，首先要建立42mm的隔熱條和對應型材的裝配體，然后分別在軟件中賦予材質。
其次要分析型材的受力，為了更加真實的反映出推拉門扇料的受力。在1200mm的型材下隔熱條和對應的鋁型材處分割設置70mm滑輪對應的夾具區(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，預留出適當?shù)纳舷路较虻淖冃瘟俊２Ａе亓吭O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JGJ214-2010 鋁合金門窗技術規(guī)范，建筑外門窗的抗風壓（詞條“風壓”由行業(yè)大百科提供）性能指標值P3應按照不低于門窗所受風荷載標準值確定，且不小于1.0KN/m2。這里設置風壓為1.0 KN/m2.則可以計算出型材所受的剪力為600N。
分別設置兩類夾具和兩個主要作用力，并按照均布荷載和靜應力算例劃分網格，設置網格密度為良好，網格類型為標準網格，選擇如圖1.6所示。運行算例得到如圖1.7、1.8、1.9所示的云圖。
放大應力云圖，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合處的顏色最深，最大應力達到2.024×108N/m2。
對比圖1.3和圖1.4，隔熱條的最大應力已經超過隔熱條的屈服強度6×107N/m2和張力強度8×107N/m2，隔熱條已經發(fā)生塑性變形。也超過了T5鋁合金的屈服強度1.45×108N/m2和張力強度1.85×108N/m2,鋁合金也已經發(fā)生塑性變形。結合圖1.8和圖1.9，最大變形位置偏離原來位置的距離達到0.3689mm，并且按照應變和位移的趨勢變形。雖然變形量并不大，即便是按照這種設計來做出成品的門窗，也看不到變形，但是實際上，巨大的安全隱患已經存在。隨著隔熱條的不斷老化，產品會斷裂瓦解。
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計的需要。需要改用組合型的隔熱條，改變鋁合金截面結構，增加應力集中部位的厚度，再次通過相同的實驗步驟，直到滿足模擬結構的應力值和應變值滿足許用的應力值和應變值。此種研究方法在高荷載、高風壓、高隔熱要求的建筑鋁系統(tǒng)工程中具有通用性。
參考文獻：
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作者單位：浙江中南建設集團建筑幕墻設計研究院
