维普资讯 http://www.cqvip.com 科 王家春技 术Ｉ广 场 塑料门窗惯性矩与其截面几何形状 冯伟刚 （哈尔滨塑料十厂，黑龙江哈尔滨１５００７６） 摘要：随着城市建设中高层建筑的不断增多、国家节能政策的推广和人们对塑料门窗性能认识的提高，过去低劣的塑料门窗正在被高档节能 塑料门窗所取代，塑料门窗健康发展的大好时机正在到来。作为高层节能塑料门窗在充分考虑节能的同时，必须充分考虑门窗的抗风压性能，而影 响门窗抗风压性能因素除了材料的弹性模量外，主要与材料的惯性矩有关。 关键词：塑料门窗；惯性矩；截面；几何形状 （由２６ｒａｍ增加２ｍｍ），惯性矩增加１８％；当宽度增 对于型材惯性矩影响不大，但为型钢宽度增加而 力Ⅱ３Ｏ％（增力Ⅱ８ｍｍ），惯 ｆ 矩增力Ⅱ８５％。 提商陨性矩提供了空间，可使门窗整体提高了惯 １ ●』 从表２看出，当增强型钢的壁厚增加２５％ 性矩。型材厚度变化的影响，序号１与３比较：型材 ａｍ增加２ｍｍ），型材惯性矩 （由０．８ｍｍ增加０．２ｍｍ），惯性矩增加２２．８％；当壁 厚度增加３粥６（由５８ｒ厚增力Ⅱ１００％（增力ⅡＯ，８ｍｍ），惯 眶Ｉ±曾力Ⅱ８５％。 增加１ １％，提高型材厚度能够显著型材 眭矩。型 Ａ ０ ４ ８ 从表３看出，当增强型钢的高度增加１３％ 材厚度与型钢腔变化的影响，序号２与３，４、５比 ‰， （由１５ｒａｍ增加２ｍｍ），惯性矩增加１１％；增加５３％ 较：型材厚度增加３粥６，同时型钢腔增加１３．（增加８ｍｍ），惯ｌ生矩增加４２％。 型材 增加１２％；型材厚度增加１２％，同时型 还有，在不改变Ｕ增强型钢的宽度、壁厚条 钢腔尺寸增加３１％，型材惯性矩增加３７％；型材厚 般㈣ 件下，变化型钢断面形状也可以提高惯性矩，见图 度增加２０％，同时型钢腔尺寸增加４８％，型材惯性 ２、表４。 矩增加６６％。型材支壁厚度变化的影响，序号１与 懑 表４钢衬断面形状变化与惯性矩 ６比较：型材支壁厚度增加１７％，惯性矩降低 塑料门窗用型材主要涉及塑料型材和增强 型钢，这些材料的截面均是复杂截面，可以看作由 １．６％；而非风压方向的瞬『生矩增加了０．８％。说明通 过增加支臂厚度可以增加型材非风压方向的惯性 若干个简单几何形状截面的组合，材料对通过其 量量 矩。型材支臂深度变化的影响，序号１与１０比较： 形心的中性轴的惯性矩等于各个简单几何形状截 Ｔ－－１．２ｍｍ，Ｂ＝１９ｍｍ，Ｈ＝３Ｏｍｍ，Ｃ＝ＩＯ ｍｍ 面对该轴的瞬ｌ生矩之和。 增加１３％，惯眭矩增加 ，增加幅度较少。型材断 ｍ 面腔体数量的影响，序号１与９比较：在型材断面 Ａｏｔｏ ＣＡＤ应用软件为我们提供了便利的条 从表４看出，由于改变了型钢断面形状，随 形心也发生变化，相当于增加了型 结构中增加—个８．３ｍｍ腔体、型材中型钢腔尺寸 件，使我们很方便地计算出塑料型材与增强型钢 着Ａ值的变化，的惯性矩。本文就是利用Ａｏｔｏ ＣＡＤ应用软件计 钢的高度。 减少了１０ｒａｍ，＇惯性矩只增加０５９％。腔体数量增 算塑料型材、增强型钢的不同几何形状截面对于 由此看出，影响ｕ型钢惯性矩因素的先后排 加不能提高型材惯眭矩。型材可视面变化的影响， 序是宽度Ｈ、壁厚Ｔ、高度Ｂ、形状变化。型钢的宽 序号１与７、８比较：型材大面增加８．６％、小面增加 垂直于风压方向的轴的陨性矩（Ｉ ），讨论几何形状 度、壁厚变化是影响其瞬眭矩的主要因素，形状变 １３％，惯眭矩增加７５％。型材大面增加１７．２％、小面 变化如阿影响材料的瞎！性矩。 １惯眭矩与增强型钢几何形状 化在不改变型钢高度可以满足提高型钢高度要求。 增加２６％，惯性矩增加１５％。所以，在其他条件不 变睛况下，提高型材厚度、可视面宽度能够显著型 以Ｕ型钢为例，惯眭矩与材料几何形状变化 ２惯眭矩与塑料型材几何形状 以塑料框型材为例，塑料型材的惯性矩与材 材的惯眭矩，提高型材的增强型钢腔尺寸可以显 的关系见图１、表１、表２、表３。其中Ｈ为增强型钢 的宽度，Ｔ为增强型钢的壁厚，Ｂ为增强型钢的高 料几何形状变化的关系见图３、表５、表６，其中ａ 著提高整体塑料门窗材料的 眭矩。 为型材大面宽，ｂ为型材厚度，ｃ为型材小面宽，ｄ 由表６分析如下：壁厚从２．２ｒａｍ变化到 度，ｘ 、Ｙ 为材料的形心，Ｉ 、Ｉ 为截面对迎风轴和 垂直于风压轴的愤性矩。 增强型钢腔厚度，ｅ为型材支臂厚度，Ｋ１、Ｋ２为保 ３．２ｒａｍ，型材形心变化不大，而陨性矩有了变化。壁 ’什 ——．４ ．— 温腔厚度，Ｋ３为支臂高度。 厚增加０．２ｒａｍ（增加９％），型材惯性矩就增加 ４． ； 加１０ｒａｍ，型材惯 抛增加２２．６％。说 明壁厚增加可以提高型材的贤眭矩。 Ｉ Ｊ＿＿』 综合以上分析知道，影响型材惯性矩因素的 ｆＩ 先后排序为：型材厚度、型钢腔尺寸、可视面宽度、 ｌ—－．．．．．．．．．． ．．．． 型材壁厚。 图１ 图２ ３材料刚度与窗的抗风匮ｌ生能 惯性矩与弹性模量之积称为材料的刚度，在 表１宽度（Ｈ）变化与惯｝生矩 图３ 其他条件一定值时，材料的刚度大小与塑料门窗 表５型材断面结构变化与惯性矩 抗风压成正比，与门窗挠度成反比。 Ｙｃ Ｉｘ ＆ ｂ ０ ｄ ｅ ｂ Ｋ ｘ 在刚度计算过程中，我认为，从经济安全性 ５８ ５８ ３８ ３３ １ ２ ０ ２３ ２５ ２５ ９ ５８ ５８ ３８ ２９ １ ２ ０ ２３ ２５ ２６ ０６ ５８ ６０ ３８ ３３ １ ２ ０ ２３ ２５ ２７ ２５ ＊Ｔ－－１．２ｍｍ，Ｂ＝１９ｍｍ 能考虑，计算刚度方法选Ｅ型材 Ｉ ＋Ｅ增强 Ｉ ５８ ６５船３８ １２ Ｏ ２３ ２５ ２９ ６３ ５８ ７０ ３８ ４３ １２ Ｏ ２３ ２５ ３１ ９７ 强型 较合理，接近实际睛况。由于塑料门窗中塑料 表２壁厚（Ｔ）变化与惯｝生矩 ５８ ５８ ＂１４ ０ ２３ ２５ ２５ ９９ ６３ ５８ ４３ ３３ １２ ０ ２３ ２５ ２６１ ６８ ５８ ４８ ３３ １ ２ ０ ２３ ２５ ２６ ２７ 型材和增强型钢由螺钉固定在一起，所以，材料的 ５８ ５８ ３８ ３３ １ ２ ８ ３ ２３ ２５ ２６ ６９ ５８ ５８ ３８ ３３ １２ ０ ２６ ３ ２５ ５ 刚度由塑料型材刚度和增强型钢刚度的共同作 用，其中塑料型材刚度占有材料刚度一定的比例。 表６塑料型材壁厚与惯｝生矩的关系 形心 惯性矩嘣・ ＊Ｂ＝１９ｍｍ，Ｈ＝３Ｏｍｍ 总之，利用Ａｏｔｏ ＣＡＤ应用软件对塑料型材 与型钢八侗 状变化对贤陛矩影响的分析得知，如 表３度（Ｂ）变化与惯性矩 果要提高塑料门窗｝贾眭矩，应该从产品设计之初开 始充分考虑门窗型材厚度、型钢腔尺寸、可视面宽 壁厚；考虑型钢宽度、壁厚、高度、形状变化，从 将表４中的数据分析如下：型钢腔尺寸变化 度、＊Ｔ＝１．２ｍｍ，Ｈ＝３Ｏｍｍ 的影响，序号１与２比较：型材中型钢腔尺寸增加 而满足高层建筑风压的要求。 生矩增加Ｑ８％，虽然增大型钢腔尺寸 责任编辑：孙东梅 从表１看出，当增强型钢的宽度增加７－７％ １４％，型材惯ｌＬｌ１ｌ 目前，随着城市建设中高层建筑的不断增多、 国家节能政策的推广和人们对塑料门窗ｌ生能认识 的提高，过去低劣的塑料门窗正在被高档节能塑料 门窗所取代，塑料门窗健康发展的大好时机正在到 来。作为高层节能塑料门窗在充分考虑节能的同 时，必须充分考虑门窗的抗风压性能，而影响门窗 抗风压性能因素除了材料的弹性 ，主要与材 料的瞬眭矩有关。—般我们把一定ｎ侗ｌ形状截面对 通过其形心中性轴白勺．漩性矩称为该几何形状截面 的培ｉ性矩，它只与横截面的几何形状及尺寸有关， 常用对横截面积的积分形式ｆ ｙｄＡ表示。 １』Ｉ 【 ］ 工。 ｝一２一