建筑工程中未增塑聚氯乙烯(PVC-U)塑料门窗抗风压性能探究

2023-02-21

1 行业标准对未增塑聚氯乙烯 (PVC-U) 塑料门窗抗风压性能的要求及分级

未增塑聚氯乙烯 (PVC-U) 塑料门窗成型后由P V C-U型材与其内部的增强型钢组成, 由于钢材的强度比铝合金要好得多, 所以P V C-U型材与增强型钢共同作用组成的未增塑聚氯乙烯 (PVC-U) 塑料门窗具有很高的强度, 可以承受很大的风压。JG/T140-2005《未增塑聚氯乙烯 (PVC-U) 塑料窗》、J G/T 1 8 0-2 0 0 5《未增塑聚氯乙烯 (PVC-U) 塑料门》中以安全检测压力值 (P3) 进行分级, 其分级指标值P3按表1规定。

2 几种常见窗型受力情况分析

窗型种类繁多, 各种窗型的窗在风荷载作用下, 承受与外窗平面垂直的横向水平力。外窗各框料间构成的受荷单元可视为四边铰接的简支板。在每个受荷单元的四角各作45°斜线, 使其与平行于长边的中线相交。这些线把受荷单元分成四块, 每块面积所承受的风荷载传给其相邻的构件, 每个构件可以近似地简化为简支梁上呈矩形、梯形或三角形的均布荷载。图1为常见窗型的受力情况。

建筑外窗在风荷载作用下, 受力构件上的总荷载 (Q) 为该构件所承受的受荷面积 (A) 与施加在该面积上的单位风荷载 (W) 之乘积, 按下式计算:

式中:Q为受力构件所承受的总荷载, 单位为牛顿 (N) ;

A为受力构件所承受的受荷面积, 单位为平方米 (m2) ;

W为施加在受荷面积上的单位风荷载, 单位为帕 (Pa) ;按现行《建筑结构荷载规范》中取值。

当进行建筑外窗的强度计算时, 其受力构件上的总荷载 (Q) 为该构件所承受的受荷面积 (A) 与该窗的强度等级相对应的单位荷载 (WG) 之乘积。

建筑外窗的受力构件在材料、截面积和受荷状态确定的情况下, 构件的承载能力主要取决于与截面形状有关的两个特性, 即截面的惯性矩与抵抗矩。截面的惯性矩 (I) , 它与材料的弹性模量 (E) 共同决定着构件的挠度 (f) 。截面的抵抗矩 (Wj) , 当荷载条件一定时, 它决定构件应力的大小。当建筑外窗用料采用标准型材时, 其截面特性可在《材料手册》中查得。当建筑外窗用料采用非标准型材时, 其截面特性需要通过计算来确定, 简单矩形截面的惯性矩:I= (b·h3) /12;截面的抵抗矩:Wj=2×I/h。在受风压情况下, 外窗构件主要受弯曲力和剪切力。在安装五金件的地方还要受到集中应力, 但根据常规经验, 窗的受力变形, 主要是通过窗主要受力构件挠度变化情况, 是否在安全允许范围内来决定该窗是否为合格品。窗 (门) 面板为单层玻璃或夹层玻璃:挠度f≤±L/300;窗 (门) 面板为中空玻璃:挠度f≤±L/450;单扇固定窗:挠度f≤±L/150;单扇单锁点平开窗 (门) :挠度f≤10mm。 (L:受力杆件长度) 塑料外窗受力构件受荷载情况可近似简化为简支梁上承受矩形、梯形或三角形均布荷载, 受力情况见图2。

构件受梯形荷载时, fmax随K值大小而变化, K=0即为矩形荷载, K=0.5即为三角形荷载, 在K为其它值时, 取了偏保守的平均值fmax=QL3/64EI。由于塑料弹性模量大大低于衬钢, 不少人计算外窗受力构件挠度时只计算衬钢挠度, 而忽视了型材本身抗风压强度。型材弹性模量虽只有衬钢的1/100, 但型材壁厚, 截面积也大, 所以型材的惯性矩远远大于衬钢, 其实型材也担负了一定比例的风压, 当外窗受风压时, 由于型材与钢衬通过螺钉紧密连接在一起的, 产生相同的挠度, 现以均布载荷图为例计算外窗-受力构件型材与钢衬分别受力情况。设型材弹性模量E1、钢衬材弹性模量E2、截面惯性矩I1、I2。

由上面公式整理可得出Q1/ (E1I1) =Q2/E2I2= (Q-Q1) /E2I2设定值A=E2I2/ (E1I1) 则

计算与检测所得挠度实例分析, 以外框为1500×1500 (mm) 左右推拉窗为实例, 通过理论计算在各段风压的情况下, 受力构件产生的挠度与该窗经门窗检测站抗风压实测数据作比较, 二个窗扇靠中间的直档在受风压时产生相同的挠度, 把S1+S2作为任何一扇窗直档受风压面积是不恰当的 (图3) 。

型材弹性模量E1=2.6 4 k N/m m 2, 惯性矩I1=1 6.6 6 c m 4, 钢衬弹性模量E2=210kN/mm2, I2=1.42cm4根据前面 (5) 、 (6) 式算出Q1=0.13Q, Q2=0.87Q即将窗型窗扇中间受力构件直档型材受总风力13%, 加强钢衬受风力87%。该直档受梯形荷载, 挠度f=QL3/64EI式中Q (受力构件总荷载) =W·S (W-风压, S-面积) , 则前面 (5) 、 (6) 式:

当L (直档) =139cm, W=100Pa (0.1kN/cm2) 时S1=S2=4219cm2, f1= (0.13WS1L3) / (64E1I1) = (0.13×0.1×10-4×4219×1393) / (64×264×16.66) cm=0.052cm=0.52mm同理得出W=300Pa、500Pa、700Pa、900Pa时该窗型窗扇直档受力后挠度, 见表2。

从表2中可看出挠度理论计算值略小于检测站实测值, 约小15%, 应该说误差不大, 也符合实际状态, 因为制作关系, 钢衬实际短于型材窗构件长度, 误差即在此产生。

3 提高未增塑聚氯乙烯 (PVC-U) 塑料门窗抗风压性能的措施

未增塑聚氯乙烯 (PVC-U) 塑料门窗在高层建筑中使用, 主要考虑问题就是其抗风压性。必须由建筑设计人员确定出外窗所需经受的最大风压, 然后根据设计风压的要求, 主要受力构件挠度的计算, 再将建筑上设计的实际窗样经门窗检测机构作三性 (气密性、抗风压性、水密性) 测试, 将结论比较分析, 就能作出正确论断。对于高层建筑上使用未增塑聚氯乙烯 (PVC-U) 塑料门窗, 应遵循下列原则。

单位:千帕

(1) 窗面积不宜过大, 窗型宜选择内开, 内开下悬式和推拉。单樘面积在1.5m 2以下。因设计需要窗型实在较大, 可考虑用高强度金属拼管将窗洞分割。

(2) 组合窗主要受力构件不宜过长, 1.5m以下较妥当。

(3) 普通低层用未增塑聚氯乙烯 (PVC-U) 塑料门窗的PVC型材, 其型材壁厚一般在2.0 m m~2.5 m m之间, 而高层建筑用未增塑聚氯乙烯 (PVC-U) 塑料门窗的PVC型材壁厚一般在2.5mm~3.0mm之间, 这样可以很大程度地增加型材的截面积, 进而增加型材的焊接强度。在同样的外形尺寸下, 型材的惯性矩也会增加很多, 提高了型材的抗弯能力。

(4) 选择合理的型材内腔结构, 主要是在型材内筋分布合理的基础上, 尽可能增大增强型材腔室的尺寸, 而加大型材使用的增强型钢尺寸, 提高型材成窗后的强度, 使型材成窗后能承受更大的风压。

4 结语

通过对各型门窗在抗风压时的受力分析, 提出提高其抗风性能的措施, 加之对未增塑聚氯乙烯 (PVC-U) 塑料门窗在型材断面结构设计、型材配方设计、门窗的风格及选材设计、制作过程、安装过程等方面的进一步优化, 使塑料门窗在抗风压方面可以满足高层建筑的使用要求。

摘要：未增塑聚氯乙烯 (PVC-U) 塑料门窗以其节能、保温、隔音、稳定的化学性能已被大量应用于现代建筑中。但由于塑料弹性模量低, 相对于钢窗来说抗风压强度低一些, 致使部分人对于高层建筑中使用塑料门窗持怀疑态度。未增塑聚氯乙烯 (PVC-U) 塑料门窗抗风压问题是其能否应用在高层建筑中的关键问题, 本文通过未增塑聚氯乙烯 (PVC-U) 塑料门窗在受风压状态受力情况作一些理论上与实际上的探讨并提出提高其抗风压性能的措施。

关键词：未增塑聚氯乙烯 (PVC-U) 塑料门窗,抗风压性能