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CECS445-2016 非金属面结构保温夹芯板设计规程

5.2非金属面结构保温夹芯板应力计算

非金属面结构保温夹芯板应力计

5.2.1设计中应该考虑非金属面结构保温夹芯板与其他的结构 形式不同的特点，其中最重要的就是在分析应力和变形时考虑到 芯材的弹性性能，必须注意到剪切变形的影响。比较计算组合截 面时的经典抗弯理论JJG（水利）002-2009 浮子式水位计检定规程，对板截面的伯努利假设仅适用于个体单元 截面的计算，并不适用于整体截面。其中变模量是夹芯板在室 内常温下的平均值，是一个常数，用于应力计算与挠度计算。剪变 模量应通过特定的夹芯板产品试验测得（附录A中详细介绍了相 关试验方法）。

对于非金属薄表面结构保温夹芯板，忽略面板的弯曲刚度。 对于非金属厚表面结构保温夹芯板，自身弯矩MF1、MF2引起 的应力NF1、NF2线性分布于面板的厚度上，剪力V。造成剪切应力 。，均匀分布于芯材的厚度内，剪力VF1、VF2在上、下面板引起剪应 力Te1、F2假定为常数。 假定在挠度控制的设计范围内，芯材和面板的材料保持线弹 性，同时也可假设芯材的拉伸刚度相对于面板很小，为此忽略水平 方向上的芯材的法向应力。

5.2.3分布系数k考虑了面层刚度对芯材压应力的影响

支座处压应力的计算模型中，假设支撑板为刚性，支座压力对 称分布于支座线。对于柔性支撑结构，例如，开口冷弯截面，假设 支座压力在一个较小区域上分布；端支座为kL十ke/2，中间支座 为 k:L,+ke,其中 k<1。

5.3非金属面结构保温夹芯板承载力计算

5.3.1非金属面保温板夹芯板在轴心受压作用下，会发生以下的 几种破坏形式： （1）面板的屈服或断裂破坏（图10）。 非金属面保温板夹芯板在轴向荷载作用下面板中产生压应力 导致面板屈服或者断裂破坏性

图10面板的屈服或断裂

（2）非金属面结构保温夹芯板整体屈曲。 非金属面结构保温夹芯板由于弯曲或轴向荷载作用产生压应 力导致非金属面结构保温夹芯板整体屈曲破坏，通常发生在面板

应力低于材料比例极限的情况下发生。尽管屈曲本身并不一定会 构成破坏，但它能导致严重的破坏。随着屈曲导致夹芯板的形状 和方向发生变化，内力和应力也在变化。最终，这种变形将导致面 板的压缩破坏、芯材的剪切破坏或者面板的皱曲。 对于非金属面结构保温夹芯板受轴压的情况具体推导分析， 应考虑面板绕其自身的抗弯刚度，当然面板受拉后受压的情况下 也会产生变形。当夹芯板整体受力时，面板既有弯曲变形文有剪 切变形。此外，面板绕自身的抗弯刚度对于核心的剪切变形也会 有影响。因此，面板因产生局部的弯曲使之产生相对滑移，整个结 构构件形成一种由弯曲变形与剪切变形结合的曲线变形状态。为 了研究讨论非金属面结构保温夹芯板面板弯曲刚度以及核心材料 剪切刚度之间的联系。开始可以假设核心剪切刚度为无穷大的 （G=8）且单位长度均布荷载为g，挠度1是由一般弯曲理论产 生的，即弯矩M1以及剪力Q1，剪力Q1由下式得出：

E为面板的弹性模量，I是抗弯刚度总和（绕夹芯板中和轴以 及绕面板其自身中轴），I是上下面板绕其自身的抗弯刚度，忽略 芯材对抗弯刚度的贡献。即：

bt bte ,Ir = bt 2 6

在公式（45）中E（I一I）%"表示的是由整个夹芯板承担荷载 所产生的剪力，假设面板均布拉伸或收缩而没有局部皱曲。在此 种状态下剪应力t沿核心材料厚度方向相等，面板上的剪应力是 沿最外沿线性增长，因此E（I一I)w"可以用一bet代替，e为两面 板中线间的距离，t是芯材中的剪应力，因此：

由于核心剪应力的存在，芯材会产生一个剪应变t/Gc，由此

产生一个横向变形2，而面板也必须承担这个额外的变形，因此 由此而产生一个分布荷载92，以及建立Q2，弯矩M2：

q= q+q2,Q=Q+Q,M=M+M2,w= W+2

q，Q，M，W分别为表示总荷载、总剪力、总弯矩、总变形。 因此，在荷载q作用下夹芯结构产生两种位移1、W2。代 表了弯曲变形以及一个由面板和芯材共同承担的剪力Q1，2代 表由于剪力而产生的核心剪切变形。面板通过其绕自身的抗弯刚 度而参与W2的变形，以及产生弯矩值M2，并附带产生一个剪力 Q2。Q1与Q2的和是作用于构件上的总剪力。核心剪应变与变 形W之间的关系可以得出为：

整理等式，并将（44）代入得到：

D Q1 W2 lf AcGce 1 w AcGce 1

将（53）代入上式得到：

AcGce 令α?= 得到：

对于非金属夹芯梁所讨论的这些理论对于非金属面结构保温 夹芯板受轴压荷载情况是适用的。为了得出受均布轴向荷载作用 的两端铰接非金属夹芯支撑的临界荷载，做以下讨论。在两端轴 向推力N作用下，任意截面产生N(w,十）的总剪力，将剪力Q 代入到（56）中得到：

N a"N w EI: W, 10 EI

两端接，则边界条件为=三0，当二o及r二L时。 这四个边界条件的位移可以由正弦函数i=aisin（元r/L)将此正 弦位移代入（58），并通过消去一（元/L）cos（元/L），最终可以得到：

L 元 N 元 a"N + (a2 EIf EI 0 L4 L?

对于此种表达式，要么α1夹芯支撑保持未受力直线状态，或 者α1前的系数为0,因此到临界应力：

Ns表示夹芯支撑在忽略芯材抗弯刚度时的欧拉荷载，NE表 示夹芯支撑两面板作为独立构件失稳时的欧拉荷载的和。Nc可 以认为是剪切失稳荷载，在数值上等于剪切刚度AcGce。 5.3.2非金属面结构保温夹芯板在偏心荷载作用下，如同轴心受 玉作用类似，会发生整体屈曲、面板强度破坏。一般而言，夹芯板 发生整体屈曲破坏时，面板应力处于弹性范围内。 偏心荷载系数应考虑一个不小于夹芯板整体厚度的1/6的最 小偏心率（d>h/6）。

Ns表示夹芯支撑在忽略芯材抗弯刚度时的欧拉荷载，NF表 示夹芯支撑两面板作为独立构件失稳时的欧拉荷载的和。Nc可 以认为是剪切失稳荷载,在数值上等于剪切刚度AcGce。

5.3.2非金属面结构保温夹芯板在偏心荷载作用下，如同轴心

5.3.3非金属面保温板夹芯板在横向均布荷载作用下应验算面

芯材剪切破坏的极限状态可采用最大剪力截面的平均计算剪 应力确定方程。采用粘结剂的非金属面结构保温夹芯板，应确保 粘结剂不会在芯材本身破坏前失效。 非金属面结构保温夹芯板中采用带横向接缝的离散芯材材料 时，通过试验对最不利接缝位置的完整夹芯板评估其剪切强度 当只芯层有部分与面板粘结时，比如，只和翼缘而不是整个异型面 板粘结，应对完整板试验来评估其剪切强度，并考虑到夹芯板的长 期性能和强度。不推荐使用这种部分粘结方式，因为会在粘结中 出现剪应力集中，并存在剪切破坏的危险。 长期荷载作用下，芯材的剪切强度降低。如果设计一块非金 属面结构保温夹芯板长期承受永久荷载，则应考虑其剪切强度的 折减。本规程附录A第A.2.4条给出了一个确定长期剪切强度 的试验方法

5.3.4面板的向内或向外皱曲都会导致整个非金属面结构保温

非金属面保温板夹芯板由于轴向荷载或弯曲作用在面板中产 生轴向压应力导致面板的局部皱曲（图11）。如果粘结剂和芯材 的压缩强度较低，则皱曲向内发生。如果粘结剂和芯材的拉伸强 度较高，则皱曲向外发生。向内和向外的皱曲也可能同时发生。

图11面板的局部皱曲

针对于皱曲强度，面板的屈服强度对其影响很小，而芯材的强 度与模量对其影响较大。因为面板、芯材及粘结的初始缺陷对非 金属面板的抗压强度影响很大，因此，推荐根据全尺寸试验来确定 他们的皱曲应力Sw。系数k是常数，其值取决手面板、芯材和粘 结的缺陷和质量一般通过试验确定。对于连续胶合的质量较好的 聚氨酯夹芯板，k=0.65是比较合适的。k=0.5～0.65可能对于 其他芯材和制造方法是比较合适的。 而对于非金属面结构保温夹芯板面板在反平面核心材料（如 蜂窝材料）上发生皱曲破坏的皱曲应力公式近似如下

E.t 0er = k2Er Erc

k2为取决于材料泊松比的数值常数，建议取值为0.82，但考 虑到这种情况下的不规律性，具体取值应由试验决定。

6.1.1紧固构件分为结构紧固件和非结构紧固件，可以采用下列 几种形式： 1连接木结构的紧固件（图12）：

图13连接混凝土结构的紧固件连接件 3螺钉头下有螺纹的特殊紧固件（图14）：

图12连接木结构的紧固件

紧固构件除了固定板、承担荷载，紧固件也起到外观的作用： 因此其尺寸与位置也应满足美观要求。 隐蔽式紧固件应确保金属面板内表面不发生分层，要加强金 属面板内表面要在支撑区域的强度，或在其外表面用特殊的方法 夹紧固定。 当紧固构件仅用于板缝处，要注意温度变化产生的板宽方向 变形足够小。

6.2.1所有支座处的支撑宽度一般不小于40mm，且沿着板端方 向。 6.2.2连续连接件的主要拉力通常是由风吸力或面板间温差引 起的，而次要拉力可能是由上升荷载或下降荷载的撬力作用引起 的。 连接的拉伸的破坏模式需要考虑图15所示的八种破坏模式

图15连接的拉伸破坏模式

连接的拉伸破坏应注意以下儿个方面： （1）当板相对于连接件强度较高时，或采用不合适的连接件 时，可能会发生图15（a）所示的破坏模式。 （2）当支撑构件较薄，或连接件锚固不够时，可能会发生图15 （b）所示的破坏模式。 （3）对于图15（c）所示的破坏模式在夹芯板中，"拨出"破坏模 式是受芯材刚度影响的，如图中所示，从夹芯板外板面拔出，会降 低其抵抗天气的性能。 （4）当衬垫的拉伸强度高于芯材区域的拉伸强度时，就可能发 生图15（d）所示模式内面板的剥离。 （5）应注意图15（f）和图15（g）中的连接系统，它们特征强度 很低。在一些国家，是不推荐采用的。 （6）对于图15（h）的破坏模式：①当只固定内板面，且没有局 部加强时，则可能会发生内板面剥离或拨出破坏。②当只在侧边 固定内板面，且没有局部加强时，则可能发生内板面剥皮。除了特 殊情况，不推荐采用易剥离或脱皮的连接件

6.2.3假设剪力只在非金属面结构保温夹芯板的内板面出现。

引起主要剪力的原因有：

（1）恒载（如，外立面等）： （2）面板材料的温度变化。 引起次要剪力的原因有： （1）偏心固定的板端部绕其中性轴的转动： (2）膜作用。 非金属面结构保温夹芯板中如果将受力面层设计成承受平面 内剪力来代替防风拉条，不在此规程内。 由面板温度变化引起的连接剪力的计算中可考连接的滑 移、面板应变、支撑框架的变形等。当有足够的变形承载力时，则 可忽略这些剪力。 连接的剪切的破坏模式需要考虑图16所示的五种破坏模式

（e）面板产生变形引起的连接件弯曲

图16连接的剪切破坏模式

连接的剪切破坏模式应注意下列几个方面： （1）图16（c）所示的破坏模式可能会在板厚相对连接件直径 较大时发生，或采用不合适的连接件时。 （2）图16（d)所示的破坏模式可能是莲接件相对较柔时，会发 生伴有夹芯板内板弯折或撕裂的接破坏模式。内板面承担天部 分剪切荷载，因此，在设计中可认为承担全部剪切荷载。 （3）图16（e）所示的破坏模式可能是由于面板间温差引起的

相对位移认，会引起外层面板的屈服或弯折，从而引起连接件的弯 曲。在薄支撑中（如冷弯薄壁构件），可能会引起支座的变形。当 认值足够大时，会引起连接件破坏。

A.1.1除非另有说明，无论加载设备还是测量设备，要保证至少 1%的精确度，且所有的变形不低于0.1mm的精确度。 A.1.2表A.1.2中分位系数依据的是国际标准《建筑材料和部 件质量控制的统计方法》ISO12491一1997。 A.1.4对基准老化循环C1，在循环的第一个单元中，应将试样 保存在密闭盒子中水面上方的网格中。应控制盒子中空气的温 度，而不是水的温度。 对C2试验，在此循环中，将试样保存在密闭盒子中水面上方 的网格中。应控制盒子中空气的温度，而不是水的温度，

样，并且不能在粘结层发生破坏。 通常，较大尺寸的试件结果较好。如果可能的话，试件宽度应 至少大于100mm，也可采用直径大于或等于50mm的圆柱试样。 对岩棉芯材试样，一般需要更大的标本，即100mm

A.2.3芯材压缩试验，通常，较大尺寸的试件结果较好。如果

A.2.4本条对芯材剪切试验做出了规定

1短期加载： （1）如果没有发生剪切破坏，可每次使板跨减小100mm，直到 发生剪切破坏。典型的剪切破坏如(图17)所示。

生剪切破坏而不是皱曲破坏的条件

图17剪切破坏示意图

L< 3ti0w fcv

式中：t一 夹芯板上面板厚度（mm），不包含表面覆盖层； fc一芯材的剪切强度（MPa）； ow上面板的皱曲应力（MPa）。 （2）为了避免支座处芯材的压缩变形相对试件变形过大，试件

板跨不应太小。对于硬质塑料泡沫，板跨应符合限制：

108Gcdc 4L+1) Ec dc

图18确定长期剪切强度 注：t为试件的剪切应力，fc为短期的剪切强度

A.2.5进行墙体试件抗压荷载试验时，每个试验至少有3个样 本。试样应能代表墙壁、地板，或屋顶组件的部分。能代表材料和 制作工艺水平，并应具有最大的实际尺寸来预测装配的结构性能 属性。 非对称组件应在每个轴上进行测试，因为各轴所得结果可能 不同。 每个试样的长度或高度，应选择符合该构件在实际结构使用 中的长度或高度，同时尽可能保证试样在荷载作用下的行为能模 拟构件的实际使用条件。 除了用于货架载荷试验的试样，墙体试样的公称宽度为1.2m。 对试样的实际宽度应为一个整数乘以主承载构件的间距，除 厂预制板，对于其实际宽度应为所用面板的宽度。如果一个特定 的构造的结构特性是与另一种结构相比较，不应该有与试样的实 际宽度存在很大的差别。 养护时间，对于如混凝土和砌体（砖、结构粘土砖、混凝土砌

块）的结构性质取决于试样的养护时间，应不少于25d也不超过 31d制作后测试。

A.2.6整板剪切强度的试验应注意下面儿个方法

（1）如果为平表面或浅压型非金属面结构保温夹芯板，本试验 方法可作为A.2.4条的补充方法； (2)如果对小跨度板进行了本规程第A.2.7条的试验，则没 有必要再做本试验； （3）板跨应足够小以确保试件发生剪切破坏； （4）控制加载速率，使得试件在试验开始后5min～10min发 生破坏； （5）采用真空加载时，荷载大小应通过工具测量，而不是空气 压力。 A.2.7本条对非金属面结构保温夹芯板抗弯强度与刚度试验做

（乙）如案对小跨度板进行了本规程第A.2.7茶的试验，则没 有必要再做本试验； （3）板跨应足够小以确保试件发生剪切破坏； （4）控制加载速率，使得试件在试验开始后5min～10min发 生破坏； （5）采用真空加载时，荷载大小应通过工具测量，而不是空气 压力。 A.2.7本条对非金属面结构保温夹芯板抗弯强度与刚度试验做 出了规定。 支座试验前应进行预压。试验中充分考虑以下因素来确定其 皱曲应力： （1）芯材的非匀质性和各向异性； （2）材料的非线性性能； （3）面板不够平整； （4）受压面板材料的真实屈曲及屈曲后性能。

A.2.7本条对非金属面结构保温夹芯板抗弯强度与刚度

支座试验前应进行预压。试验中充分考虑以下因素来确定其 皱曲应力： （1）芯材的非匀质性和各向异性； （2）材料的非线性性能； （3）面板不够平整： （4）受压面板材料的真实屈曲及屈曲后性能

A.2.8确定徐变系数的试验应注意

（1）可对完整板施加均布荷载进行徐变试验。 （(2）将试验试件延长到2000h，可获得更精确有利的徐变系 数。 （3）新形成的芯材可能更易于增加徐变，因此需要更长的试验 时间。 （4）徐变试验所需要的荷载不是非常关键，在破坏荷载的范围 内，将会得到相近的结果。

A.2.9中间支座处的皱曲应力模拟了双跨梁的跨中支网

如试验采用的试样较短，芯材压碎可能是主要的破坏方式，这 样将会得到一个保守的皱曲应力值

A.2.10两跨连续板的试验应注意区别中间支座处由面板屈曲、

端部及中间支座处的连接有一定的柔韧度，尤其是承受由风 吸力和面板温差引起的上拉荷载时。这样，基于不可移动支座的 计算将会过高估计由温差引起的应力。 接体系的柔韧度，及其对弯矩分布、剪力分布、变形的影响： 应通过试验确定。在此类试验中，可采用前面的力学加载方式。 板应有连接支撑来承担荷载，这样，连接将受到拉力作用。通过对 如图19所示的上、下面板温差（T1>T2）的加载布置试验可获得 连接件柔韧度。根据测得的支座反力，跨中、支座变形的结果可估 算莲接系统的柔韧性，及其对板体系应力及变形的影响。可采用 一个弹簧系数来反映连接体系承受负支座反力的柔韧度（图19）。

图19对两跨夹芯板进行温度加载来测试连接系统 柔韧度对板应力分布和反力的影响

A.2.11支座承载力确定试验应选择L1、L2、L3的尺寸，以便使 试样在支座处发生受压破环。 A.2.12大多数种类的非金属面结构保温夹芯板在无保护形式 下不适合作为重复步行荷载的走道或工作平台。 第1款适用于偶尔情况，第2款适用于规律性行走但不经常 的情况。

A.2.11支座承载力确定试验应选择L1、L2、L3的尺寸，以便使 试样在支座处发生受压破环

A.2.11支座承载力确定试验应选择L1、L2、L3的尺寸，

A.211支座承载刀确定试验人

A.2.13鼓泡和芯材与钢板粘结不良、空隙、制造缺陷有关。

对温度的其他板有影响。 一旦鼓泡时，对泡沫制造及生产方法有争议，应进行试验。 批量生产的非金属面结构保温夹芯板往往比连续生产线制造 的板更容易起泡。 在连续生产后的几个月，可以通过控制拉伸粘结试验来减少 鼓泡试验频率。

A.2.14因为是自由发泡，得到的结果与芯材的特征没有直接关

GB／T 17159-2009 大地测量术语.pdf1.2.14因为是 得到的结果与芯材的特征没有直接关

A.2.17在进行连接试验时，当实际情况同试验布置不同时，为

保证试验装置代表真实情况，应特别注意下列内容： （1）加载类型； （2）支撑件厚度； （3）连接件头部和垫圈； (4）芯材特性； （5）面板特性； （6）末端与边缘距离。

对于具有良好气密性面板和边缘构造的聚氨酯夹芯板，老化 系数可取10%。气密性较差的板，老化系数可取10%～50%，取 决于细部构造，

A.2.19试验结果记录的信息包括

（1）生产日期和时间； （2）生产方法和板制造过程中的定向（例如，哪面板位于最上 会，哪些是连续发泡中的边缘等）； （3）试验日期和时间； （4）试验条件（温度和湿度）； （5）加载方法和仪表装置细节； （6）边界条件（板的个数及长度GB/T 41883-2022 粉末床熔融增材制造钽及钽合金，支座宽度及细部构造，与支撑

结构相连的连接件个数和细部构造； （7）试验中板的定向； （8）面板性能（厚度、屈服应力、几何尺寸等）； （9）芯材性能（密度、强度、模量等）： （10）试验测量值（荷载、变形、温度等）。