鋁合金建筑型材作為建筑工程的一種重要原材料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)體系中起著基礎(chǔ)性的作用，近年來(lái)在房地產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的拉動(dòng)下，中國(guó)鋁合金建筑型材產(chǎn)量持續(xù)走高，而鋁合金建筑型材壁厚作為影響建筑工程質(zhì)量的重要質(zhì)量指標(biāo)，同時(shí)又是關(guān)系建筑工程造價(jià)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在通過(guò)計(jì)算確保工程質(zhì)量的前提下合理控制鋁型材壁厚，對(duì)于降低鋁資源消耗和建筑工程成本，提高鋁型材的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力有著重要意義。

為規(guī)范市場(chǎng)秩序，防止某些廠家生產(chǎn)不符合質(zhì)量要求的薄壁型材，杜絕建筑工程中的質(zhì)量和安全隱患，鋁合金建筑型材的標(biāo)準(zhǔn)及鋁合金門窗及幕墻的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范無(wú)一例外的把鋁合金型材壁厚作為保證鋁合金門窗和幕墻質(zhì)量及確保建筑工程質(zhì)量和安全的重要指標(biāo)，而對(duì)鋁合金型材壁厚作了硬性規(guī)定，如GB5237.1-2008《鋁合金建筑型材 第1部分：基材》強(qiáng)制性條款4.4.1.1.2規(guī)定：除壓條、壓蓋、扣板等需要彈性裝配的型材之外,型材最小公稱壁厚應(yīng)不小于1.2mm；GB/T8478-2008《鋁合金門窗》第5.1.2.1.1條規(guī)定：外門窗框扇拼樘框等主要受力桿件所用主型材壁厚應(yīng)經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算或試驗(yàn)確定。主型材截面主要受力部位基材最小實(shí)測(cè)壁厚，外門不應(yīng)低于2.0mm；外窗不應(yīng)低于1.4mm等，但標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)其所規(guī)定的最小壁厚提供科學(xué)依據(jù)或做出合理的解釋。因此在工程設(shè)計(jì)單位根據(jù)具體的工程和實(shí)際使用條件進(jìn)行壁厚的計(jì)算和設(shè)計(jì)時(shí)，出現(xiàn)了部分計(jì)算壁厚與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有出入的情況，而鋁型材生產(chǎn)企業(yè)夾在兩者之間，就該嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求還是根據(jù)設(shè)計(jì)單位經(jīng)過(guò)計(jì)算校核之后的壁厚生產(chǎn)的問(wèn)題，陷入了困惑和兩難之中，如何充分理解國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地方性法律法規(guī)中關(guān)于鋁合金型材壁厚規(guī)定，而又協(xié)調(diào)工程設(shè)計(jì)單位的計(jì)算結(jié)果，生產(chǎn)中合理控制鋁合金建筑型材壁厚，在一定程度上節(jié)約鋁資源，是鋁合金建筑型材生產(chǎn)企業(yè)必須面對(duì)的重要課題。

要使構(gòu)件安全地工作，即要有足夠的承載荷載的能力，如果構(gòu)件設(shè)計(jì)得薄弱，或選用的材料不恰當(dāng)，不能安全地工作，則會(huì)影響到整體的安全工作，甚至造成嚴(yán)重事故；另一方面如果構(gòu)件設(shè)計(jì)得過(guò)于保守，或選用的材料太好，雖然構(gòu)件整體都能安全工作，但構(gòu)件的承載能力不能充分發(fā)揮，既浪費(fèi)材料、又增加重量和成本，也是不可取的。顯然，構(gòu)件的設(shè)計(jì)是否合理有著相互矛盾的兩個(gè)方面，即安全性和經(jīng)濟(jì)性，既要有足夠的承載能力，又要經(jīng)濟(jì)、適用。在材料力學(xué)中，衡量構(gòu)件的承載能力，主要有三方面的內(nèi)容：強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性。而桿件的變形的基本形式主要有以下四種：軸向拉伸或壓縮；剪切；扭轉(zhuǎn)；彎曲。因鋁合金門窗自重較輕，其在豎框桿件中產(chǎn)生的軸力較小，故軸向拉伸或壓縮也較小，可忽略不計(jì)，下面從鋁合金門窗型材桿件最常見(jiàn)的彎曲和剪切變形的強(qiáng)度和剛度校核來(lái)闡明壁厚與材料變形的關(guān)系，對(duì)于鋁合金門窗桿件這類細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，受荷后起控制作用的往往是桿件的撓度（即桿件的剛度），剛度就是變形不能超過(guò)某一允許值,否則就會(huì)影響桿件正常的工作，因此進(jìn)行門窗工程計(jì)算，可先按門窗桿件撓度的計(jì)算選取合適的桿件，然后進(jìn)行桿件強(qiáng)度的校核。

撓度(剛度)校驗(yàn)依據(jù)：

根據(jù)鋁合金門窗GBT8478-2008

1)單層玻璃，夾層玻璃：fmax<=L/100

2)雙層玻璃，中空玻璃：fmax<=L/150

其中：fmax:為受力桿件最大變形量(mm)

L:為受力桿件長(zhǎng)度(mm)

因建筑外窗在風(fēng)荷載作用下，承受的是與外窗垂直的橫向水平力，外窗各框料間構(gòu)成的受荷單元，可視為四邊鉸接的簡(jiǎn)支板。在每個(gè)受荷單元的四角各作45度斜線，使其與平行于長(zhǎng)邊的中線相交。這些線把受荷單元分成4塊，每塊面積所承受的風(fēng)荷載傳遞給其相鄰的構(gòu)件，每個(gè)構(gòu)件可近似地簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁上呈矩形、梯形或三角形的均布荷載。這樣的近似簡(jiǎn)化與精確解相比有足夠的準(zhǔn)確度，結(jié)果偏于安全，可以滿足工程設(shè)計(jì)計(jì)算和使用的需要。

材料的撓度主要和材料的彎曲剛度EI值有關(guān)，E是材料的彈性模量，對(duì)同一材料來(lái)說(shuō)是一個(gè)常數(shù)，對(duì)于鋁合金材料而言為70000MPa，I是材料的有效慣性矩，雖然與型材壁厚有一定關(guān)系，但主要與截面形狀有關(guān)，即增加壁厚不是提高截面有效慣性矩I的最佳途徑，因此型材壁厚不是桿件剛度條件的決定因素。

強(qiáng)度校核依據(jù)：彎曲正應(yīng)力對(duì)桿件強(qiáng)度起主導(dǎo)作用，是控制因素。提高桿件的強(qiáng)度，主要依據(jù)彎曲正應(yīng)力強(qiáng)度條件：

彎曲應(yīng)力校驗(yàn)依據(jù)：σmax=M/W<=[σ]

[σ]:材料的抗彎曲允許應(yīng)力(N/mm?)

σmax:計(jì)算截面上的最大彎曲應(yīng)力(N/mm?)

M:受力桿件承受的最大彎矩(N.mm)

W:凈截面抵抗矩(mm?)

由此可見(jiàn)，提高桿件強(qiáng)度的主要措施就從降低最大彎矩M，增大截面抵抗矩W值及充分利用材料性能[σ]，其中最大彎矩M的變化主要與載荷作用的位置、方式及支座的位置分布有關(guān)，其取決于門窗立面的設(shè)計(jì)，與型材截面及材料無(wú)關(guān)，在此不作討論。對(duì)型材而言，可通過(guò)選擇合理截面，以增大截面抵抗矩W值，桿件的合理截面是指桿件在滿足強(qiáng)度條件的前提下，用較少的材料獲得最大的W值，對(duì)于面積A相等而形狀不同的截面，可以用比值W/A作為衡量截面經(jīng)濟(jì)合理的批標(biāo)，W/A越大,截面就越經(jīng)濟(jì)合理，由于一般截面中，W與其高度的平方成正比，所以，應(yīng)盡可能地使橫截面面積分布在距中性軸較遠(yuǎn)的地方，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通過(guò)使用加強(qiáng)中梃提高截面的有效慣性矩I和截面抵抗矩W比單純通過(guò)中梃增加壁厚經(jīng)濟(jì)合理，從上面的公式還可看出，強(qiáng)度校核中彎曲應(yīng)力還與材料的性能特性有關(guān)，在最大彎矩M和截面抵抗矩W已確定時(shí)，可以采用不同的材料或狀態(tài)以提高材料的抗彎曲許用應(yīng)力[σ]，對(duì)于鋁合金來(lái)說(shuō)，可通過(guò)選擇不同的合金牌號(hào)，如6063、6063A、6005、6061等，或不同的熱處理狀態(tài)，如T5、T6等來(lái)提高材料的抗彎曲許用應(yīng)力[σ]。因此和桿件剛度校核一樣，型材壁厚可通過(guò)其變化導(dǎo)致截面抵抗矩W值的變化，從而影響桿件彎曲應(yīng)力校核的強(qiáng)度條件，增加壁厚不是提高截面抵抗矩W值的最佳途徑，因此型材壁厚不是桿件彎曲應(yīng)力校核強(qiáng)度條件的決定因素。

剪切應(yīng)力校驗(yàn)依據(jù)：τmax=(Q*S)/(I*δ)<=[τ]

[τ]:材料的抗剪允許應(yīng)力(N/mm?)

τmax:計(jì)算截面上的最大剪切應(yīng)力(N/mm?)

Q:受力桿件計(jì)算截面上所承受的最大剪切力(N)

S:材料面積矩(mm?)

I:材料慣性矩(mm^4)

δ:腹板的厚度(mm)

從上式可見(jiàn)，剪切應(yīng)力除和型材截面參數(shù)，如慣性矩I、面積矩S及材料特性[τ]有關(guān)外，還和型材腹板的壁厚δ成反比，也就是說(shuō)增加型材腹板壁厚δ可以減小計(jì)算截面上的最大剪切應(yīng)力τmax，因此型材壁厚不是桿件剪切應(yīng)力校核強(qiáng)度條件的決定因素之一，但一般材料的抗剪允許應(yīng)力[τ]遠(yuǎn)小于抗彎曲允許應(yīng)力[σ]，如鋁合金材質(zhì)6063-T5的[σ]=85.5MPa，[τ]=49.6MPa，[τ]=0.58[σ]，所以一般彎曲應(yīng)力校驗(yàn)?zāi)芡ㄟ^(guò)的，剪切應(yīng)力也能通過(guò)，故可省略。

故對(duì)于型材桿件的剛度和強(qiáng)度校核而言，其主要與型材的截面參數(shù)如慣性矩I、抵抗矩W等有關(guān)，其由截面形狀決定，增加型材壁厚是提高截面參數(shù)的一種方法，但不是最佳方法，最好的途徑是應(yīng)盡可能地使橫截面面積分布在距中性軸較遠(yuǎn)的地方，即在保證剛度和強(qiáng)度的前提下，盡可能減小I/A或W/A，這樣型材截面在承載能力和剛度和強(qiáng)度上能保證合理性和經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到最大的性價(jià)比；另外強(qiáng)度校核還右充分利用材料的性能特性，在型材截面確定的前提下，通過(guò)選擇不同的合金牌號(hào)或熱處理狀態(tài)，提高材料的抗彎曲允許應(yīng)力[σ]，從而滿足桿件的強(qiáng)度條件。故只有在型材的截面和合金狀態(tài)確定后，壁厚的增減才是關(guān)鍵因素，從而影響桿件的強(qiáng)度和剛度。

以下為使用ansys有限元仿真模擬對(duì)型材剛度及強(qiáng)度的計(jì)算：

桿件計(jì)算長(zhǎng)度：2000mm

型材一：

變形最大fmax =4.856mm

彎曲應(yīng)力最大σmax =73.15Mpa

型材二：

變形最大：fmax =3.698mm

彎曲應(yīng)力最大：σmax =54.79Mpa

型材三：

變形最大：fmax =2.745mm

彎曲應(yīng)力最大：σmax =52.66MPa

分析以上計(jì)算結(jié)果，增大型材壁厚可以增加型材截面參數(shù)I和W，從而提高桿件的剛度和強(qiáng)度，從而提高型材的抗變形能力（如型材二），但在不改變型材一壁厚的前提下，改變截面且把截面積盡可能加在遠(yuǎn)離中性軸的地方（型材三），型材三的截面積與型材二基本一致，但其慣性矩I和 截面抵抗矩W遠(yuǎn)大于型材二，而計(jì)算結(jié)果顯示，型材三抗變形能力遠(yuǎn)高于型材二，故在型材截面積相同即重量線密度相同的情況下，型材三截面更為科學(xué)，也說(shuō)明增加型材壁厚不是提高桿件剛度和強(qiáng)度的最有效手段。

但構(gòu)件承載能力的三個(gè)內(nèi)容中，還有一個(gè)穩(wěn)定性的問(wèn)題，對(duì)于橫向受力桿件，受彎薄壁梁的截面存在局部失穩(wěn)的問(wèn)題，為防止產(chǎn)生壓應(yīng)力區(qū)的局部屈曲，需采取一些方法加以控制，彈性薄板在均勻受壓下的穩(wěn)定臨界應(yīng)力可由下式計(jì)算：

式中：Ｅ—— 彈性模量；

t —— 截面厚度

ｖ—— 泊松比

—— 截面寬度

—— 彈性屈曲系數(shù)，自由挑出部位（邊界條件視為三邊簡(jiǎn)支、一邊自由）取0.425，雙側(cè)加勁部位（邊界條件視為四邊簡(jiǎn)支）取4.0。

由上式可得到型材截面的寬厚比要求，即：

，式中： ｆ—— 型材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，對(duì)于6063-T5鋁合金材質(zhì)：

對(duì)于6063-T6鋁合金材質(zhì)：

按逢5四舍五入得到：6063-T5時(shí)： b/t≤50、6063-T6時(shí)： b/t≤40

當(dāng)壁厚t=1.2mm：6063-T5時(shí)： b≤60、6063-T6時(shí)： b≤48

當(dāng)壁厚t=1.4mm：6063-T5時(shí)： b≤70、6063-T6時(shí)： b≤56

當(dāng)壁厚t=2.0mm：6063-T5時(shí)： b≤100、6063-T6時(shí)： b≤80

從按GB 5237.1-2008及GB/T 8478-2008規(guī)定的型材最小壁厚計(jì)算，滿足桿件局部穩(wěn)定的型材寬度，壁厚1.2mm及1.4mm時(shí)較接近平時(shí)窗型材的寬度尺寸，而壁厚2.0mm時(shí)的型材最大寬度也接近門型材的最大寬度，從上式也可看出寬厚比也和材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值即材料特性有關(guān)，可以通過(guò)選用不同的材料改變型材的寬厚比要求。綜上所述標(biāo)準(zhǔn)中最小壁厚的規(guī)定，在理論上是符合常用門窗型材滿足局部穩(wěn)定性的寬厚比要求的，由于門窗型材使用的地區(qū)，高度，門窗立面不同，其所受的荷載也不相同，應(yīng)以計(jì)算或試驗(yàn)確定其壁厚，即計(jì)算或試驗(yàn)要求的型材壁厚大于標(biāo)準(zhǔn)的最小壁厚要求，應(yīng)以計(jì)算和試驗(yàn)值為準(zhǔn)，如計(jì)算或試驗(yàn)要求的型材壁厚小于標(biāo)準(zhǔn)的最小壁厚要求，則應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的型材最小壁厚值。故在目前市場(chǎng)還不是很規(guī)范，監(jiān)控手段還不是很完善的情況下，規(guī)定型材最小壁厚對(duì)于提高型材抗變形能力，特別是抗局部失穩(wěn)能力，保證門窗安全，規(guī)范市場(chǎng)有較大的作用和重要的意義；但影響材料變形的因素較多，這種一刀切地規(guī)定，也可能會(huì)造成材料的浪費(fèi)，成本的上升，建議今后在標(biāo)準(zhǔn)的修訂中，深入研究，逐步完善，形成綜合考慮各種影響因素的規(guī)范性條款和圖表。

GB 5237-2008《鋁合金建筑型材》、GB/T 8478-2008《鋁合金門窗》、JGJ 102-2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》均對(duì)相關(guān)鋁合金建筑型材的最小壁厚進(jìn)行了規(guī)定，但對(duì)如何得到最小壁厚未提供合理的解釋，針對(duì)上述問(wèn)題，本文通過(guò)理論計(jì)算，并利用有限元仿真軟件ANSYS對(duì)鋁合金型材壁厚與材料各種典型變形性能的關(guān)系進(jìn)行了計(jì)算分析，并通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的討論分析，得出鋁合金型材壁厚與材料變形間相互關(guān)系的一些結(jié)論，并應(yīng)用這些結(jié)論對(duì)上述標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)規(guī)定的科學(xué)性進(jìn)行了討論。