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摘要：随着各地不断提高门窗（词条“门窗”由行业大百科提供）幕墙的节能性要求，大跨度的聚酰胺隔热（词条“隔热”由行业大百科提供）条在断桥铝门窗幕墙产品中的应用将逐渐普及，如何保证大跨度隔条断桥复合后的稳定性（词条“稳定性”由行业大百科提供）和安全性，正在变得越来越重要。本文通过引入有限元技术，举例分析材料内部应力、应变和位移情况来指导断桥的选择和优化设计，以提高断桥产品的安全性，为建筑铝系统的设计提供科学的方法和依据。
关键词：断桥铝合金（词条“断桥铝合金”由行业大百科提供）、虚拟样机、聚酰胺隔热条、有限元技术
1.引言
在我国建筑维护总能耗中，建筑门窗幕墙的能耗超过49%，已经成为建筑节能最薄弱的环节。各地政府不断出台新的建筑节能标准，以北京市为例，如表1.0所示，早在2014年3月修改的《关于居住建筑门窗工程技术规范—北京市地方标准》已经将断桥铝合金外窗、敞开式阳台门、户门、单元外门的传热系数设定到2.0以下，常用的短聚酰胺隔条已经远远不能满足节能要求。
随着门窗幕墙节能技术不断发展，大跨度的隔热条不断的得到应用。市场上最长的聚酰胺隔热条已经做到了77mm。在断桥幕墙系统、窗墙单元体、平开窗、平开门和推拉门系统上，长度大于30mm的长隔热条已经有较为普遍的应用。随着各个地方不断出台高隔热的门窗幕墙相关的节能地方标准，如何保证大隔条断桥复合后的稳定性和安全性，正在变得越来越重要。
本文通过引入有限元技术，举例研究模拟大跨度隔热条型材（词条“型材”由行业大百科提供）受力状况，根据模拟得到的隔热条和型材内部应力云图对比材料的张力（词条“张力”由行业大百科提供）强度（词条“强度”由行业大百科提供）、屈服强度和弹性模量，以分析材料内部应力是否超过许用应力。
同时根据断桥受力后位移和应变的参数云图，评估材料受力后的变形情况。综合三个因素用来评估断桥的稳定性和安全性，指导高隔热门窗幕墙系统的断桥隔热条长度的合理选择;根据应力集中情况，指导优化型材壁厚设计。
2.大跨度断桥铝产生问题的原因
大跨度断桥铝在产生问题的原因主要在三个方面。一是由于隔热条长度过大，在复合过程中容易产生平行度问题。如图1.0所示，图示节点是一款63系列推拉门的下框和扇部位剖视图，扇料所用隔热条长度为28mm聚酰胺加玻璃纤维的隔热条。两条隔热条之间的间距过小。非常容易导致复合后铝型材（词条“铝型材”由行业大百科提供）两个面产生不平行的现象。复合不紧密导致的型材平面平行度问题会进一步影响型材的稳定性，这一问题可以通过设置特殊的复合工具来解决。
二是由于铝合金和聚酰胺隔热条的热膨胀系数不一致，根据GB/T23615.1-2009铝合金建筑型材用辅助材料 第一部分聚酰胺隔热条规定：线膨胀系数在(2.3-3.5)×10-5K-1区间内，各个厂家聚酰胺隔热条玻璃（词条“玻璃”由行业大百科提供）纤维含量不一，热膨胀系数和线膨胀系数存在三次方的关系。导致断桥型材质量差异的存在。而热膨胀系数随温度变化，即便是同一断桥，铝合金和聚酰胺的热胀冷缩（词条“热胀冷缩”由行业大百科提供）并不同步，这也会导致断桥不稳定。但是随着技术的进步，聚酰胺隔热条的不断改进，这一问题已经逐渐被解决。
第三条原因最重要的，没有科学依据盲目的提高型材的K值，选择大跨度的隔热条，导致型材在受力后内部应力过大，超出材料的许用应力。同时国标选用的T5材质的铝合金和聚酰胺隔热条都容易变形，会破坏型材的稳定性。
3.模拟实验组的设计
在高隔热平开门、断桥幕墙和推拉门等常见的建筑铝系统中常常会选用大跨度隔热条。为了研究方便，选用上图中的推拉门扇最为研究对象。设置五个实验组分别对应的玻璃厚度是24mm(6+12+6)、28mm、34mm、38mm、42mm(6+12+6+12+6)，如图1.1所示，对应的隔热条长度28mm、34mm、38mm、42mm、46mm聚酰胺隔热条。研究对象是2.0m*1.2m的推拉门扇，实验的目的是模拟不同长度隔热条在对应厚度的玻璃下的扇下边框应力、应变、位移情况。
有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟。首先对铝合金部分的形状进行简化，以便于有限元分析过程中的网格划分。如图1.2所示，将扇料进行如下简化。
进行实验之前我们需要了解和设定的理论基础如下：
本实验主要研究带线性材料的应变、位移、应力情况、安全系数等问题，参照门窗规范设置基本风压为1.0 KN/m2 ，不考虑型材的移动过程影响，选择Solidworks静应力算例。
本实验型材承受的主要载荷考虑为均布荷载，Solidworks静应力算例提供了智能化的单元划分方式，会根据分析对象自动设置网格尺寸区间为粗糙至良好，用户可以选择合适的网格密度（词条“密度”由行业大百科提供），此处分析模型较小，我们选择网格划分密度为良好，网格类型为实体网格，所用网格器选择标准网格，如42mm实验组中，网格的整体大小自动调整为17.4mm，公差自动调整为0.87mm，雅克比点为4.
本实验单元类型为实体单元。根据包裹法确定边界条件和约束方式，将滑轮接触部位等效为夹具，夹具的约束方式为固定，夹具的接触方式为滑轮区域对应的全局面接触，确定边界条件为1.2m的型材.
4.模拟参数的设置
本实验使用SOLIDWORKS根据简化后的模型建立隔热条和铝合金部分，然后通过配合组成虚拟样机装配体。
SOLIDWORKS插件Simulation有常用的材质参数库，除了聚酰胺隔热条因为添加了玻璃纤维，需要设置物理参数外，铝合金材质可以选择T5自动生成物理属性。
根据GB/T 23615.1-2009和尼龙材质的属性设置聚酰胺隔热条的各项参数如图1.4所示。
5.模拟受力与结果分析评价
不同厚度玻璃对应的扇料分析过程大体相同，24mm-38mm厚度玻璃对应的扇料分析在这里不在赘述，这里选择42mm玻璃对应的46mm断桥扇料做受力模拟。
如下图1.5所示，首先要建立42mm的隔热条和对应型材的装配体，然后分别在软件中赋予材质。
其次要分析型材的受力，为了更加真实的反映出推拉门扇料的受力。在1200mm的型材下隔热条和对应的铝型材处分割设置70mm滑轮对应的夹具区域。
由于型材下部靠两个滑轮支撑，型材上部放的是玻璃。注意此处荷载是均布荷载，当玻璃的重力均匀施加到型材上时，需要在型材上部等效出第二个平面夹具，预留出适当的上下方向的变形量。玻璃重量设置两倍的安全系数。
型材上部压力：F=2×(1.2×2×0.018)×2.5×103*10 N
F=4320N
根据JGJ214-2010 铝合金门窗技术规范，建筑外门窗的抗风压（词条“风压”由行业大百科提供）性能指标值P3应按照不低于门窗所受风荷载标准值确定，且不小于1.0KN/m2。这里设置风压为1.0 KN/m2.则可以计算出型材所受的剪力为600N。
分别设置两类夹具和两个主要作用力，并按照均布荷载和静应力算例划分网格，设置网格密度为良好，网格类型为标准网格，选择如图1.6所示。运行算例得到如图1.7、1.8、1.9所示的云图。
放大应力云图，播放动画，可以观察到规则“C”形隔热条以及“C”形隔热条和铝合金复合处的颜色最深，最大应力达到2.024×108N/m2。
对比图1.3和图1.4，隔热条的最大应力已经超过隔热条的屈服强度6×107N/m2和张力强度8×107N/m2，隔热条已经发生塑性变形。也超过了T5铝合金的屈服强度1.45×108N/m2和张力强度1.85×108N/m2,铝合金也已经发生塑性变形。结合图1.8和图1.9，最大变形位置偏离原来位置的距离达到0.3689mm，并且按照应变和位移的趋势变形。虽然变形量并不大，即便是按照这种设计来做出成品的门窗，也看不到变形，但是实际上，巨大的安全隐患已经存在。随着隔热条的不断老化，产品会断裂瓦解。
综上分析，不论是隔热条或是T5铝合金型材截面都不能满足上述设计的需要。需要改用组合型的隔热条，改变铝合金截面结构，增加应力集中部位的厚度，再次通过相同的实验步骤，直到满足模拟结构的应力值和应变值满足许用的应力值和应变值。此种研究方法在高荷载、高风压、高隔热要求的建筑铝系统工程中具有通用性。
参考文献：
[1]符旭晨，刘斌，刘旭涛.空中铰幕墙立梃最优作法问题研究[A] 水利与建筑工程学报. 2017 .15 (1) :143-146
[2]胡于进,王璋奇.有限元分析及应用[M].北京:清华大学出版社
作者单位：浙江中南建设集团建筑幕墙设计研究院
