一种基于蜂窝复合板材的结构计算方法与流程

1.本发明涉及幕墙建筑技术领域，尤其涉及一种基于蜂窝复合板材的结构计算方法。


背景技术：

2.复合板材在幕墙行业中的应用越来越广泛，例如蜂窝石材复合板、蜂窝复合铝板、蜂窝钛金板等。相对传统的板材来说，这些新型板材的计算比较复杂。基于现行规范，对这些特殊的板材目前还无法进行精确的力学分析，原因如下：
3.1、对于蜂窝复合铝板，现行国家规范jgj 133-2001《金属与石材幕墙工程技术规范》给出了材料在不同厚度下的弹性模量和泊松比，但是抗拉强度只提供了20mm厚的数据，其他厚度的强度无从得知，便需要厂家配合做检测报告，但是报告里面也不一定能找到计算需要的强度，即使有往往也与理论上偏差非常大，不同厂家之间提供的结果也是有差异的。导致计算结果不太可信，一定程度上会存在安全隐患或影响经济效益。
4.2、对于蜂窝石材复合板，现行国家规范jgj336-2016《人造板材幕墙工程技术规范》提供了相应的计算方法，但是存在局限性，例如，规范中只给了4点支撑蜂窝石材的解析算法，而实际项目中存在6点甚至8点支撑的情况，因此需要在原计算基础上进行拓展。该规范附录a中对蜂窝石材复合板的等效弯曲刚度计算描述了2种情况，却仅提供了1个通用计算公式，但这2种情况并不能通用。规范定义的2种计算顺序分别为“面板+面板+蜂窝芯+面板”、“面板+蜂窝芯+面板+面板”，是根据石材面板受正、负风来决定的。但是由于蜂窝芯所处的位置不同，会导致第2层面板中心到计算原点的距离不一样，所以按同一个公式计算会有1种结果是错误的。
5.因此，当前亟待出现一种基于蜂窝复合板材的结构通用计算方法。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术中相关产品的不足，本发明提出一种基于蜂窝复合板材的结构计算方法。
7.本发明提供了一种基于蜂窝复合板材的结构计算方法，包括：如下步骤：
8.分别确认当前的板材各层的材质，设其从上至下各层的板厚t依次为t1、t2、t3……
tn，弹性模量e依次分别为e1、e2、e3……en
，以最下侧板外缘为计算坐标原点，各层的板材形心到原点的距离r依次分别为r1、r2、r3……rn
；
9.计算所述蜂窝复合板材的中性轴y0，所述y0为中性轴距最下侧板外缘的距离；
10.根据所述中性轴y0计算板材对应的等效弯曲刚度de；
11.等效截面模量为ωe，分别计算最上侧板的等效截面模量、最下侧板的等效截面模量以及中间第i层板对应的等效截面模量；
12.确认当前n层复合的蜂窝板材是否为四点支撑的蜂窝复合板材；
13.若当前为四点支撑的蜂窝复合板材，则根据对应获取的等效弯曲刚度de和等效截
面模量ωe，计算板材的挠度以及对应层板材的强度；若当前为非四点支撑的蜂窝复合板材，则计算获取最上侧板和最下侧板的的等效厚度以及中间第i层板的等效厚度，采用有限元建模的方法计算板材的挠度和各层板材的强度。
14.在本发明的某些实施方式中，所述中性轴y0的计算公式为
15.在本发明的某些实施方式中，所述等效弯曲刚度de的计算公式为
16.在本发明的某些实施方式中，所述等效截面模量ωe的计算公式分别为：
17.最上侧板的等效截面模量为
18.最下侧板的等效截面模量为
19.第i层板的等效截面模量，板材在中性轴上侧的为板材在中性轴下侧的为
20.在本发明的某些实施方式中，四点支撑板材的挠度df的计算公式为其中，μ为挠度系数，η为折减系数，b为板材长边长度，w为荷载标准值。
21.在本发明的某些实施方式中，四点支撑板材的强度σ的计算公式为其中，m为弯矩系数，b为板材长边长度，w为荷载设计值。
22.在本发明的某些实施方式中，所述等效厚度te的计算公式为即ie为取1mm微段的惯性矩。
23.与现有技术相比，本发明有以下优点：
24.本发明实施例所述基于蜂窝复合板材的结构计算方法解决了蜂窝铝板、石材蜂窝板等多层蜂窝复合板结构分析计算受现有规范制约，缺乏计算依据的问题，使用此方法可以精确的对任意多层蜂窝复合板进行力学分析，不受板材材质、形状及边界约束的限制，而且分析出来的强度是单一材质面板的，能够直接根据其抗拉强度判断是否可以满足受力要求，可免去找不到复合板综合力学参数的麻烦，具有快速便捷的优点，且该计算方法经过软件的比较验算，证实其计算结果准确可靠，为多层蜂窝复合板的结构设计找到了一种全新
的、通用的方法，具有较好的推广前景。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明所述基于蜂窝复合板材的结构计算方法一个实施例的结构示意图；
27.图2为本发明所述基于蜂窝复合板材的结构计算方法一个实施例带中性轴的结构示意图；
28.图3为利用第一层板等效厚度采用sap2000分析计算的强度示意图；
29.图4为利用第二层板等效厚度采用sap2000分析计算的强度示意图；
30.图5为利用第四层板等效厚度采用sap2000分析计算的强度示意图；
31.图6为利用第一层板等效厚度采用sap2000分析计算的挠度示意图。
具体实施方式
32.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本发明的较佳实施例。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
33.本发明实施例所述基于蜂窝复合板材的结构计算方法包括如下步骤：
34.步骤1：分别确认当前的板材各层的材质，设其从上至下各层的板厚t依次为t1、t2、t3……
tn，弹性模量e依次分别为e1、e2、e3……en
，以最下侧板外缘为计算坐标原点，各层的板材形心到原点的距离r依次分别为r1、r2、r3……rn
；
35.步骤2：计算所述蜂窝复合板材的中性轴y0，所述y0为中性轴距最下侧板外缘的距离；
36.步骤3：根据所述中性轴y0计算板材对应的等效弯曲刚度de；
37.步骤4：等效截面模量为ωe，分别计算最上侧板的等效截面模量、最下侧板的等效截面模量以及中间第i层板对应的等效截面模量；
38.步骤5：确认当前n层复合的蜂窝板材是否为四点支撑的蜂窝复合板材；
39.步骤6：若当前为四点支撑的蜂窝复合板材，则根据对应获取的等效弯曲刚度de和等效截面模量ωe，计算板材的挠度以及对应层板材的强度；若当前为非四点支撑的蜂窝复合板材，则计算获取最上侧板和最下侧板的的等效厚度以及中间第i层板的等效厚度，采用有限元建模的方法计算板材的挠度和各层板材的强度。
40.其中，在本发明实施例中，所述中性轴y0的计算公式为
41.所述等效弯曲刚度de的计算公式为
42.所述等效截面模量ωe的计算公式分别为：
43.最上侧板的等效截面模量为
44.最下侧板的等效截面模量为
45.第i层板的等效截面模量，板材在中性轴上侧的为板材在中性轴下侧的为
46.四点支撑板材的挠度df的计算公式为其中，μ为挠度系数，η为折减系数，b为板材长边长度，w为荷载标准值。
47.四点支撑板材的应力强度σ的计算公式为其中，m为弯矩系数，b为板材长边长度，w为荷载设计值。
48.所述等效厚度te的计算公式为即ie为取1mm微段的惯性矩。
49.上述步骤6中，本发明实施例的结构参数的计算验证可以利用任意有限元分析软件计算，例如sap2000等相同功能的软件。
50.以下结合实施例进行具体说明，结合图1-2所示：
51.采用四点支撑，从上往下包括6层，依次分别为石材面板、与石材粘接的背板、铝蜂窝芯板、中间层铝板、铝蜂窝芯板以及背板外面板；
52.则以最下侧板(背板外面板)外缘为计算坐标原点，各层板材对应的相关参数依次为：
53.第一层，e1＝80000mpa....t1＝5mm....r1＝35.5mm；
54.第二层，e2＝70000mpa....t2＝1mm....r2＝32.5mm；
55.第三层，e3＝0mpa....t3＝18mm....r3＝23mm；
56.第四层，e4＝70000mpa....t4＝2mm....r4＝13mm；
57.第五层，e5＝0mpa....t5＝10mm....r5＝7mm；
58.第六层，e6＝70000mpa....t6＝2mm....r6＝1mm；
59.需要说明的是，在铝蜂窝芯弹性模型较小时，e可取0。
60.根据前述参数，计算中性轴距最下侧板外缘的距离为
61.第一层位于中性轴上侧，则第一层的等效截面模量为
62.第二层位于中性轴上侧，则第二层的等效截面模量为
63.第四层位于中性轴下侧，则第四层的等效截面模量为
64.若面板的尺寸为1000mm
×
500mm，荷载为2kpa；挠度系数μ＝0.01417，弯矩系数m＝0.13，折减系数η＝0.9464，长边长度b＝1000mm；
65.第一层板的应力为：
66.第二层板的应力为：
67.第四层板的应力为：
68.计算得到面板挠度：
69.采用sap2000对等效厚度的计算进行验证：
70.计算第一层板时等效厚度为：e1＝80000mpa，如图3所示，第一层板sap2000应力结果：1.869mpa。
71.计算第二层板时等效厚度为：e2＝70000mpa，如图4所示，第二层板sap2000应力结果：1.023mpa。
72.计算第四层板时等效厚度为：e4＝70000mpa，如图5所示，第四层板sap2000应力结果：1.529mpa。
73.利用第一层板的等效厚度t
e1
＝28.918mm和e1＝80000mpa计算挠度，如图6所示，板的挠度结果：0.172mm。
74.需要特别说明，只能取多层复合板的最上侧或最下侧板的等效厚度建模计算挠度，因为只有最外侧板的等效厚度是根据多层复合板的整体中性轴等效而来。
75.对比可以确认通过本发明实施例的算法获取的数据与取等效厚度的软件分析结果一致(细微差别是因为本发明实施例的算法忽略了材料的泊松比)。
76.本发明实施例所述基于蜂窝复合板材的结构计算方法解决了蜂窝铝板、石材蜂窝板等多层蜂窝复合板结构分析计算受现有规范制约，缺乏计算依据的问题，使用此方法可以精确的对任意多层蜂窝复合板进行力学分析，不受板材材质、形状及边界约束的限制，而且分析出来的强度是单一材质面板的，能够直接根据其抗拉强度判断是否可以满足受力要求，可免去找不到复合板综合力学参数的麻烦，具有快速便捷的优点，且该计算方法经过软件的比较验算，证实其计算结果准确可靠，为多层蜂窝复合板的结构设计找到了一种全新的、通用的方法，具有较好的推广前景。
77.本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。以上仅为本发明的实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。