李 諫 姚建國 （廣州市奧雅雷諾貝爾鋁業(yè)有限公司）

0 前言

鋁塑板用做建筑幕墻面板時(shí)，四周應(yīng)開槽折邊，其折邊處便成了鋁塑板最薄弱的地方。鋁塑板幕墻是在大氣環(huán)境下使用的，要經(jīng)常承受正、負(fù)風(fēng)壓的非對(duì)稱循環(huán)作用，折邊處的疲勞壽命也就成了人們非常關(guān)心（或說是擔(dān)心）的一個(gè)大問題。嚴(yán)格地講，空氣本身也是一種腐蝕介質(zhì)，因此，鋁塑板折邊處若處理不當(dāng)，也會(huì)發(fā)生腐蝕疲勞（CF）破壞。

下面，就從風(fēng)壓下幕墻鋁塑板的受力情況開始，試對(duì)折邊處的強(qiáng)度和疲勞問題進(jìn)行分析探討見。

1 正風(fēng)壓下板的內(nèi)力

為了簡(jiǎn)便，本文參照CECS 231：2007《鋁塑復(fù)合板幕墻工程施工及驗(yàn)收規(guī)程》中附錄C的鋁塑板折邊處疲勞試驗(yàn)原理圖（見圖1）進(jìn)行分析探討。鋁塑板在正風(fēng)壓下的受力圖如圖2（a）所示。圖2（a）中，均布荷載q為風(fēng)荷載，F(xiàn)Ay和FBy分別為兩簡(jiǎn)支邊的反力，l為跨度。

圖1 鋁塑板折邊疲勞試驗(yàn)原理圖

現(xiàn)列出鋁塑板的剪力、彎矩方程，并作出剪力和彎矩圖。

由于風(fēng)荷載和簡(jiǎn)支邊反力對(duì)稱，故兩簡(jiǎn)支邊反力相等，即

將坐標(biāo)原點(diǎn)取在鋁塑板的左支邊，在距原點(diǎn)任意處（圖示x處）截開，取左邊研究，截面上的剪力方程和彎矩方程為

由剪力方程可知，剪力圖為一斜直線，只要確定直線上的兩點(diǎn)就可確定這條直線，繪制出剪力圖如圖2（b）所示。

由彎矩方程可知，彎矩圖是一條二次曲線，確定曲線上5個(gè)點(diǎn)的值

X=0，M（0）=0

便可繪出彎矩圖如圖2（c）所示。由圖可見，在簡(jiǎn)支邊內(nèi)側(cè)的橫載面上剪力有最大值，即|Fs|max=。在跨度中點(diǎn)的橫載面上彎矩有最大值，即Mmax=ql2/8。

2 正風(fēng)下折邊處的內(nèi)力

上述結(jié)果還無法直接用來分析折邊處的強(qiáng)度，要研究分析折邊處的強(qiáng)度，還須進(jìn)一步對(duì)該處力的情況做細(xì)致分析。折邊處的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 折邊處結(jié)構(gòu)連接圖

圖中圓圈內(nèi)的曲板部分為薄弱環(huán)節(jié)，將該部分從圖3中截取出放大后如圖4（a）所示（實(shí)際上，在曲板的內(nèi)側(cè)還有一層約0.3mm厚的塑料層，因其強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能與鋁相差甚遠(yuǎn)，作用甚微，故為方便分析，這里略去）。B端可視為有條件的自由端（當(dāng)折邊處的槽被壓嚴(yán)或其它構(gòu)件阻擋時(shí)，就不能再繼續(xù)擺動(dòng)了），A端則為固定端。Fs，max為截去的右邊鋁塑板對(duì)B截面的剪力，從1的分析結(jié)果可知其值為；作用于A端的力除了外，還有FAx=0，彎矩MA=Fs，max·R。在極角為φ的任意橫截面m—m處，用截面法將曲板截開，并取右邊板為研究對(duì)象（圖4（b））。曲板上的內(nèi)力有沿中面（即平分板厚度的平面）的面內(nèi)力FN、剪力FS和彎矩M。面內(nèi)力的正負(fù)號(hào)通常規(guī)定為：力的指向離開截面的為正，反之為負(fù)；剪力的正負(fù)號(hào)規(guī)定為：對(duì)所截取的段內(nèi)任一點(diǎn)的矩為順時(shí)針轉(zhuǎn)向時(shí)為正，反之為負(fù)；彎矩的正負(fù)號(hào)的規(guī)定是：使中面曲率增加的為正，反之為負(fù)。

圖4 折邊初曲板部分力圖

做曲板的內(nèi)力圖。由靜力平衡條件，可得m—m截面上的內(nèi)力為：

按此內(nèi)力方程，畫內(nèi)力圖。以板的中面為基準(zhǔn)，將負(fù)的面內(nèi)力FN圖畫在曲板凸的一側(cè)（如圖4（c）所示），將正的剪力Fs圖畫在曲板凹的一側(cè)（如圖4（d）所示），將彎矩M圖畫在曲板受壓的一側(cè)（如圖4（e）所示）。

3 正風(fēng)壓下折邊處的強(qiáng)度

分析圖4，不難看出A端的壓應(yīng)力最大，B端則有最大的切應(yīng)力。

先計(jì)算A截面的壓應(yīng)力。雖然曲板很薄，只有0.5mm厚，但由于其弧長很小，中面弧長為3mm（即開槽時(shí)的槽底寬度），故曲板仍應(yīng)按較厚板對(duì)待（厚板的條件是厚度與短邊長之比≥），因而計(jì)算A截面壓應(yīng)力時(shí)，既要考慮FAy，還要考慮MA。與FAy對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)力σ‘在截面上均勻分布（如圖5（a））所示），其值為

上式中，A為屈板的截面面積。

∵中面弧長=3mm

∴MA=FS,maxR=1.9FS,max

與彎矩MA對(duì)應(yīng)的應(yīng)力σ‘按線性分布（如圖5（b）所示，截面外側(cè)受拉，內(nèi)側(cè)受壓，其最大值為

上式中，W為屈板截面的抗彎截面模量。

綜合考慮以上二個(gè)因素，危險(xiǎn)處在截面的內(nèi)側(cè)邊緣，其壓應(yīng)力為

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式得

σmax應(yīng)小于所用鋁材的許用應(yīng)力[σ]。

若折邊處縫隙被壓嚴(yán)，或被填充，或被其它構(gòu)件約束，壓應(yīng)力應(yīng)另當(dāng)別論了，一般來說就沒有這么大了。

在經(jīng)典的四個(gè)強(qiáng)度理論中，對(duì)鋼材、有色金屬等塑性材料，目前工程中廣泛使用的是第三強(qiáng)度理論（最大切應(yīng)力理論）。該理論認(rèn)為無論是什么應(yīng)力狀態(tài)，只要最大的切應(yīng)力Tmax達(dá)到材料的極限切應(yīng)力T0max時(shí)，材料就發(fā)生屈服。材料發(fā)生屈服的條件是

圖5 圖板A端面應(yīng)力圖

圖6 正風(fēng)壓下折邊初受力方向改變且力值被杠桿原理增大

Tmax=T0max=（σs——材料的屈服極限）

曲板中，B截面上切應(yīng)力最大，其值為

據(jù)此，B截面應(yīng)是危險(xiǎn)處，其上的最大切應(yīng)力Tmax應(yīng)小于所用鋁材的許用切應(yīng)力[T]。

4 負(fù)風(fēng)壓下折邊處的內(nèi)力及強(qiáng)度

前面對(duì)正風(fēng)壓下幕墻鋁塑板折邊處的內(nèi)力及強(qiáng)度進(jìn)行了靜力學(xué)分析。同樣方法，也可對(duì)負(fù)風(fēng)壓下折邊處的內(nèi)力及強(qiáng)度進(jìn)行分析（只要改變風(fēng)荷載的方向即可）。通常情況下，負(fù)風(fēng)壓的絕對(duì)值小于正風(fēng)壓，因而它在折邊處產(chǎn)生的應(yīng)力也比正風(fēng)壓來得小。

5 正、負(fù)風(fēng)壓交變作用下折邊處的疲勞問題

實(shí)際上，幕墻鋁塑板不可能長期處于正風(fēng)壓下，而是處于正、負(fù)風(fēng)壓交變作用下。這樣，折邊處便產(chǎn)生交變應(yīng)力，發(fā)生疲勞破壞。疲勞破壞時(shí)，其最大工作應(yīng)力甚至遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度極限，破壞前也沒有明顯的塑性變形。因此強(qiáng)度極限等指標(biāo)已不能作為疲勞強(qiáng)度的指標(biāo)。

國家建筑材料測(cè)試中心鋁塑部的同志曾模擬風(fēng)荷載，對(duì)不同牌號(hào)鋁材的鋁塑板，做過不同振動(dòng)頻率循環(huán)變形條件下的折邊壽命試驗(yàn)（試驗(yàn)裝置見圖1），得出了一些寶貴的數(shù)據(jù)和結(jié)論，對(duì)鋁塑板行業(yè)做出了重要的貢獻(xiàn)。從試驗(yàn)結(jié)果來看，鋁塑部試驗(yàn)的所有鋁塑板均屬于低周疲勞（通常將疲勞破壞時(shí)循環(huán)次數(shù)小于104—105的疲勞稱為低周疲勞，而將循環(huán)次數(shù)大于106—107的疲勞稱為高周疲勞）。低周疲勞和高周疲勞的主要差別在于塑性應(yīng)變量大小不同。低周疲勞時(shí)塑性應(yīng)變占主導(dǎo)地位（因此稱之為應(yīng)變疲勞）；而高周疲勞時(shí)是彈性應(yīng)變占主導(dǎo)地位（稱之為彈性應(yīng)變疲勞或應(yīng)力疲勞）。真正能導(dǎo)致疲勞破壞的，只是不可逆的塑性變形。如果試驗(yàn)中將應(yīng)變幅控制在彈性應(yīng)變范圍內(nèi)，那疲勞破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)將會(huì)高得多。

6 折邊處的CF破壞

材料在腐蝕介質(zhì)和循環(huán)荷載的共同作用下產(chǎn)生的破壞稱為腐蝕疲勞（Corrosion Fatigue，縮寫為CF）。它與SCC（應(yīng)力腐蝕開裂）不同，不需要特定的電化學(xué)腐蝕電位范圍等特殊條件即可發(fā)生，因此更具廣泛性和嚴(yán)重性。嚴(yán)格說來，只有在真空或隋性氣氛中才不發(fā)生CF破壞。有人在鋁合金的疲勞斷口上發(fā)現(xiàn)，在真空中并不形成，而只有在空氣中試驗(yàn)才會(huì)出現(xiàn)的疲勞條紋，可見，空氣確實(shí)是一種腐蝕介質(zhì)。在大氣環(huán)境下，鋁塑板若未采用規(guī)定的防銹鋁材，開槽過深，未留塑料層或傷及鋁材，正面涂層開裂甚至脫落；或雖按規(guī)定用材了，但環(huán)境惡劣，都會(huì)發(fā)生C F破壞。通常，純機(jī)械疲勞有一個(gè)疲勞極限（亦稱持久極限），而C F破壞則沒有明確的疲勞極限，具有更大的危險(xiǎn)性。環(huán)境的腐蝕性越強(qiáng)，C F破壞越大。工業(yè)大氣和海洋大氣會(huì)加重鋁塑板折邊處的C F破壞。

鋁塑板常用的Al-Mn合金和Al-Mg合金是耐腐蝕性很好的鋁合金，但含Mg量超過5%的Al-Mg合金，耐蝕性（如晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕）則嚴(yán)重惡化。迄今為止，除純鋁、Al-Mn合金,Al-Mg-Si合金尚未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕（腐蝕疲勞可以看做是應(yīng)力腐蝕的一種特殊形式，即應(yīng)力是交變的）開裂現(xiàn)象外，其它鋁合金都有不同程度的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性，而且強(qiáng)度愈高，應(yīng)力腐蝕開裂敏感傾向愈大。

7 提高折邊處疲勞壽命的措施

通過上述分析，可以采用如下措施提高折邊處疲勞壽命：

（1）幕墻鋁塑板的面板堅(jiān)持按GB/T17748要求，采用3×××（Al-Mn）、5×××（Al-Mg）系列或耐腐蝕性及力學(xué)性能更好的其它系列鋁合金。選材時(shí)，應(yīng)摒棄單純追求強(qiáng)度的傳統(tǒng)選材原則，采用全面綜合的選材原則，如寧可選擇強(qiáng)度低點(diǎn)，但塑性好的半硬狀態(tài)（如H24、H26狀態(tài)），也不選用強(qiáng)度高而塑性差的H18狀態(tài)（當(dāng)然了，H18狀態(tài)經(jīng)涂漆時(shí)加熱固化性能也會(huì)發(fā)生變化：強(qiáng)度降低，塑性有所提高）。型材按GB5237.1要求，采用6061、6063、6063A等鋁合金（此三種牌號(hào)系A(chǔ)l–Mg-Si合金）。

（2）開槽時(shí)，按CECS 231：2007要求，至少保留0.3mm厚的塑料層，切不可傷及面鋁，折邊后裝飾面的棱角處涂層不能有損傷。

（3）折邊后，特別是沒有邊肋的情況下，縫隙應(yīng)用結(jié)構(gòu)膠密封。從3的計(jì)算結(jié)果可以看出，max中，F(xiàn)Ay和MA所產(chǎn)生的應(yīng)力分別為和22.8，可見彎矩MA產(chǎn)生的應(yīng)力所占比例很大，起主要作用。因此，折邊后，縫隙一定要用結(jié)構(gòu)膠密封，以增大截面面積，降低彎曲應(yīng)力，提高抗腐蝕疲勞能力。

（4）用鋁合金型材做邊肋，可大大改變折邊處的受力狀況，但要注意，型材與鋁塑板背面應(yīng)用結(jié)構(gòu)膠或3M膠帶滿面牢固粘結(jié)，而不能象玻璃幕墻那樣，只用結(jié)構(gòu)膠封個(gè)口，里面用透氣性雙面膠條粘結(jié)。否則，在正風(fēng)壓下折邊處的受力方向改變且力值被杠桿原理增大（見圖6所示）。從德國國家材料科學(xué)研究院1994年用ALUCOBOND鋁塑板所做的折邊處疲勞試驗(yàn)結(jié)果來看，在相同試驗(yàn)條件下，疲勞破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)，固定于鋁角上的約10000次，而固定于鋁方管上的約5000次，相差一半，可能就是前者作用于折邊處的力未被增大，而后者增大了的緣故。

（5）根據(jù)垂直板面荷載的大小，合理設(shè)計(jì)板區(qū)格尺寸，將面板撓度控制在GB/T21086要求的范圍內(nèi)，避免板產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形。

（6）加強(qiáng)肋及連接件等若采用非鋁金屬，一定要采取適當(dāng)?shù)慕^緣措施，防止發(fā)生電偶腐蝕（亦稱接觸腐蝕）。

8 結(jié)語

本文對(duì)風(fēng)壓下的幕墻鋁塑板折邊處進(jìn)行了強(qiáng)度和疲勞分析，并提出了提高疲勞壽命的措施，期望能對(duì)處理鋁塑板折邊處的疲勞問題及延長折邊處的壽命有所裨益。謬誤之處，敬請(qǐng)專家批評(píng)指正。