結(jié)構(gòu)巖棉金屬面夾芯板在無(wú)檁體系墻面中的應(yīng)用

劉輝璋，王保強(qiáng)，劉逸寒

（多維聯(lián)合集團(tuán)有限公司，北京 100070）

1 研究背景

建筑用墻面夾芯板的內(nèi)外面板通常為平板或淺壓型金屬板，芯材為在垂直于面板方向有足夠剛度且較厚的輕質(zhì)材料，如玻璃絲棉、普通巖棉和結(jié)構(gòu)巖棉等。金屬面夾芯板因具有質(zhì)量輕、剛度大、隔熱和隔聲性能好及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑外墻。為墻板安裝方便，室內(nèi)視覺(jué)觀感良好，無(wú)檁體系墻面構(gòu)造做法應(yīng)運(yùn)而生。本文從理論計(jì)算、承載力試驗(yàn)以及工程實(shí)踐3個(gè)方面闡述結(jié)構(gòu)巖棉金屬面夾芯板在無(wú)檁體系墻面中應(yīng)用的可行性。

2 理論計(jì)算

2.1 圍護(hù)系統(tǒng)方案

方案采用的外墻板為厚120mm巖棉夾芯板，芯材容重120kg/m3，外板厚0.7mm，內(nèi)板厚 0.6mm，屈服強(qiáng)度300MPa；檁條支撐為矩形管（尺寸200mm×100mm×4mm），材質(zhì)Q235B，間距6m，垂直于墻板長(zhǎng)度方向，如圖1所示；夾芯板與檁條之間采用M6.3mm×150mm自攻螺栓固定，間距200mm，如圖2所示。

圖1 夾芯板試驗(yàn)平臺(tái)

圖2 自攻螺栓布置方式

夾芯板圍護(hù)系統(tǒng)抗風(fēng)承載力設(shè)計(jì)應(yīng)以整個(gè)圍護(hù)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，其承載力取決于板材自身強(qiáng)度、板材之間連接強(qiáng)度及板材與支撐結(jié)構(gòu)之間的連接強(qiáng)度，并取三者中的最小值?？癸L(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮風(fēng)壓力和風(fēng)吸力2種工況，風(fēng)壓力工況下其承載力可按照CECS 411：2015《金屬面絕熱夾芯板技術(shù)規(guī)程》第5.2.5條執(zhí)行；風(fēng)吸力工況下，需采取構(gòu)造措施滿足規(guī)范的計(jì)算假定，即夾芯板沿寬度方向始終與支座接觸，或通過(guò)抗風(fēng)揭試驗(yàn)驗(yàn)證夾芯板系統(tǒng)在負(fù)風(fēng)壓下的承載力。

2.2 理論計(jì)算

根據(jù)初步確定的圍護(hù)系統(tǒng)方案進(jìn)行夾芯板的外層彩涂板在自攻螺栓連接處的抗風(fēng)吸計(jì)算，可按《冷彎型鋼鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（送審稿）執(zhí)行；風(fēng)壓力工況計(jì)算按《金屬面絕熱夾芯板技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行。均布荷載對(duì)夾芯板變形起控制作用。具體計(jì)算如下。

2.2.1 抗風(fēng)吸連接計(jì)算

1）彩鋼夾芯板在自攻螺栓連接處拉脫承載力驗(yàn)算：釘帽直徑最大值為14mm，故夾芯板釘頭連接處壓型鋼板抗拉脫承載力設(shè)計(jì)值為：

根據(jù)上述計(jì)算可知，當(dāng)風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值達(dá)到2.18kN/m2，對(duì)應(yīng)的荷載標(biāo)準(zhǔn)值為1.45kN/m2時(shí)，自攻螺栓的承載力達(dá)到限值，同時(shí)彩鋼板拉脫承載力達(dá)到限值。

2.2.2 抗風(fēng)吸撓度計(jì)算

《金屬面絕熱夾芯板技術(shù)規(guī)程》第5.2.1條對(duì)夾芯板撓度w計(jì)算公式如下：

式中，k為剪切剛度影響系數(shù)；Bs為板抗彎剛度（N·mm2）；Gc為芯材的剪切模量（MPa）；EF1和EF2分別為上下面板彈性模量（MPa）；AF1和 AF2分別為上下面板面積（mm2）；As為單位寬度芯材面積（mm2）。

墻面夾芯板撓度按L/150=40mm控制時(shí)，當(dāng)巖棉芯材的剪切模量Gc為6.39MPa（廠家提供）時(shí)，由上式計(jì)算出風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值為1.92kN/m2。綜合以上計(jì)算結(jié)果，當(dāng)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值≤1.45kN/m2時(shí)，跨度6 000mm、厚度120mm的巖棉夾芯板滿足計(jì)算要求。當(dāng)夾芯板兩端由自攻螺栓固定，且保證夾芯板端部始終與檁條接觸時(shí)，其設(shè)計(jì)承載能力由變形控制。

3 承載力試驗(yàn)

為研究金屬面夾芯板圍護(hù)系統(tǒng)在負(fù)風(fēng)壓下的抗風(fēng)性能，設(shè)計(jì)人員在金屬圍護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行多組測(cè)試，如圖3所示。最終，板材在跨中皺屈破壞，試驗(yàn)結(jié)束。

圖3 試驗(yàn)平臺(tái)

本試驗(yàn)采用荷載逐級(jí)增加的方式進(jìn)行，當(dāng)荷載加至1.8kN/m2，板撓度為38.14mm；當(dāng)荷載加至1.9kN/m2，板撓度為40.42mm；當(dāng)荷載加至2.1kN/m2，持續(xù)2min后板跨中向上皺屈斷裂，試驗(yàn)結(jié)束。取墻板破壞的上一級(jí)荷載作為其極限承載力，數(shù)值為1.9kN/m2。此數(shù)值與抗風(fēng)撓度限值L/150反算的1.92kN/m2較吻合。

為防止夾芯板沿板端寬度方向破壞，本試驗(yàn)在夾芯板寬度方向均勻固定5顆自攻螺栓。試驗(yàn)結(jié)果如下：由輕質(zhì)芯層支撐的平表面或淺壓型金屬面層受壓時(shí)，在應(yīng)力遠(yuǎn)低于面層材料屈服強(qiáng)度時(shí)，面層在應(yīng)力較大的薄弱處突然出現(xiàn)彎折皺屈破壞。原因是平表面夾芯板面層完全依靠芯層的支撐作用，其在承受彎曲荷載作用時(shí)，受壓面層在較低荷載作用下出現(xiàn)短波長(zhǎng)皺紋時(shí)，隨著荷載增加而變大。由于芯層的支撐而使這些皺紋保持穩(wěn)定狀態(tài)，一般情況下，當(dāng)彎矩最大截面處皺紋向內(nèi)皺折失穩(wěn)而形成褶皺時(shí)，將導(dǎo)致板件發(fā)生皺屈破壞。

當(dāng)金屬面夾芯板沿寬度方向和插接口連接處有一定加強(qiáng)措施，且使夾芯板端部始終與檁條接觸時(shí)，夾芯板由于芯材強(qiáng)度低，構(gòu)件抗彎承載力一般由變形控制，當(dāng)跨中撓度達(dá)到L/150時(shí)，鋼板中的應(yīng)力很小，基本處于彈性狀態(tài)，而此時(shí)夾芯板斷裂，達(dá)到極限狀態(tài)。此時(shí)，夾芯板的承載能力由撓度變形控制。

4 工程實(shí)踐

浙江省嘉興市某食品加工廠項(xiàng)目金屬面板采用無(wú)檁體系，200mm厚的巖棉夾芯板外墻跨度7.5m，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用，外觀平整（見(jiàn)圖4），說(shuō)明無(wú)檁體系金屬外墻板可滿足使用要求。

圖4 夾芯板跨度7.5m使用正常

5 結(jié)語(yǔ)

在金屬面夾芯板外墻中，夾芯板的承載力通常取決于金屬面層的屈服強(qiáng)度，受壓面層的皺屈、屈曲強(qiáng)度或芯材的剪切強(qiáng)度等。在表面為平板或淺壓型鋼板夾芯板中，鋼板的屈曲應(yīng)力主要取決于材料的彈性性能，而抗風(fēng)連接處的承載力主要取決于鋼板的屈服強(qiáng)度及加強(qiáng)板的厚度和材質(zhì)。當(dāng)夾芯板端部始終與檁條接觸時(shí)，夾芯板的承載能力通常由變形控制，從而為結(jié)構(gòu)巖棉金屬面夾芯板在無(wú)檁體系墻面中的應(yīng)用提供理論支撐和技術(shù)支持。