劉輝璋，王保強，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，被廣泛應(yīng)用于建筑外墻。為墻板安裝方便，室內(nèi)視覺觀感良好，無檁體系墻面構(gòu)造做法應(yīng)運而生。本文從理論計算、承載力試驗以及工程實踐3個方面闡述結(jié)構(gòu)巖棉金屬面夾芯板在無檁體系墻面中應(yīng)用的可行性。

2 理論計算

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 夾芯板試驗平臺

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)計應(yīng)以整個圍護(hù)系統(tǒng)作為研究對象，其承載力取決于板材自身強度、板材之間連接強度及板材與支撐結(jié)構(gòu)之間的連接強度，并取三者中的最小值。抗風(fēng)設(shè)計應(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)范的計算假定，即夾芯板沿寬度方向始終與支座接觸，或通過抗風(fēng)揭試驗驗證夾芯板系統(tǒng)在負(fù)風(fēng)壓下的承載力。

2.2 理論計算

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)壓力工況計算按《金屬面絕熱夾芯板技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行。均布荷載對夾芯板變形起控制作用。具體計算如下。

2.2.1 抗風(fēng)吸連接計算

1）彩鋼夾芯板在自攻螺栓連接處拉脫承載力驗算：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)計值為：

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

2.2.2 抗風(fēng)吸撓度計算

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

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，當(dāng)巖棉芯材的剪切模量Gc為6.39MPa（廠家提供）時，由上式計算出風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值為1.92kN/m2。綜合以上計算結(jié)果，當(dāng)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值≤1.45kN/m2時，跨度6 000mm、厚度120mm的巖棉夾芯板滿足計算要求。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，其設(shè)計承載能力由變形控制。

3 承載力試驗

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)計人員在金屬圍護(hù)系統(tǒng)試驗平臺上進(jìn)行多組測試，如圖3所示。最終，板材在跨中皺屈破壞，試驗結(jié)束。

圖3 試驗平臺

本試驗采用荷載逐級增加的方式進(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，試驗結(jié)束。取墻板破壞的上一級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，本試驗在夾芯板寬度方向均勻固定5顆自攻螺栓。試驗結(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，在應(yīng)力遠(yuǎn)低于面層材料屈服強度時，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，受壓面層在較低荷載作用下出現(xiàn)短波長皺紋時，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，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措施，且使夾芯板端部始終與檁條接觸時，夾芯板由于芯材強度低，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，鋼板中的應(yīng)力很小，基本處于彈性狀態(tài)，而此時夾芯板斷裂，達(dá)到極限狀態(tài)。此時，夾芯板的承載能力由撓度變形控制。

4 工程實踐

浙江省嘉興市某食品加工廠項目金屬面板采用無檁體系，200mm厚的巖棉夾芯板外墻跨度7.5m，通過長時間使用，外觀平整（見圖4），說明無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

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度，受壓面層的皺屈、屈曲強度或芯材的剪切強度等。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度及加強板的厚度和材質(zhì)。當(dāng)夾芯板端部始終與檁條接觸時，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檁體系墻面中的應(yīng)用提供理論支撐和技術(shù)支持。