结构岩棉金属面夹芯板在无檩体系墙面中的应用

刘辉璋，王保强，刘逸寒

（多维联合集团有限公司，北京 100070）

1 研究背景

建筑用墙面夹芯板的内外面板通常为平板或浅压型金属板，芯材为在垂直于面板方向有足够刚度且较厚的轻质材料，如玻璃丝棉、普通岩棉和结构岩棉等。金属面夹芯板因具有质量轻、刚度大、隔热和隔声性能好及绿色环保等优点，被广泛应用于建筑外墙。为墙板安装方便，室内视觉观感良好，无檩体系墙面构造做法应运而生。本文从理论计算、承载力试验以及工程实践3个方面阐述结构岩棉金属面夹芯板在无檩体系墙面中应用的可行性。

2 理论计算

2.1 围护系统方案

方案采用的外墙板为厚120mm岩棉夹芯板，芯材容重120kg/m3，外板厚0.7mm，内板厚 0.6mm，屈服强度300MPa；檩条支撑为矩形管（尺寸200mm×100mm×4mm），材质Q235B，间距6m，垂直于墙板长度方向，如图1所示；夹芯板与檩条之间采用M6.3mm×150mm自攻螺栓固定，间距200mm，如图2所示。

图1 夹芯板试验平台

图2 自攻螺栓布置方式

夹芯板围护系统抗风承载力设计应以整个围护系统作为研究对象，其承载力取决于板材自身强度、板材之间连接强度及板材与支撑结构之间的连接强度，并取三者中的最小值。抗风设计应考虑风压力和风吸力2种工况，风压力工况下其承载力可按照CECS 411：2015《金属面绝热夹芯板技术规程》第5.2.5条执行；风吸力工况下，需采取构造措施满足规范的计算假定，即夹芯板沿宽度方向始终与支座接触，或通过抗风揭试验验证夹芯板系统在负风压下的承载力。

2.2 理论计算

根据初步确定的围护系统方案进行夹芯板的外层彩涂板在自攻螺栓连接处的抗风吸计算，可按《冷弯型钢钢结构技术规范》（送审稿）执行；风压力工况计算按《金属面绝热夹芯板技术规程》执行。均布荷载对夹芯板变形起控制作用。具体计算如下。

2.2.1 抗风吸连接计算

1）彩钢夹芯板在自攻螺栓连接处拉脱承载力验算：钉帽直径最大值为14mm，故夹芯板钉头连接处压型钢板抗拉脱承载力设计值为：

根据上述计算可知，当风荷载设计值达到2.18kN/m2，对应的荷载标准值为1.45kN/m2时，自攻螺栓的承载力达到限值，同时彩钢板拉脱承载力达到限值。

2.2.2 抗风吸挠度计算

《金属面绝热夹芯板技术规程》第5.2.1条对夹芯板挠度w计算公式如下：

式中，k为剪切刚度影响系数；Bs为板抗弯刚度（N·mm2）；Gc为芯材的剪切模量（MPa）；EF1和EF2分别为上下面板弹性模量（MPa）；AF1和 AF2分别为上下面板面积（mm2）；As为单位宽度芯材面积（mm2）。

墙面夹芯板挠度按L/150=40mm控制时，当岩棉芯材的剪切模量Gc为6.39MPa（厂家提供）时，由上式计算出风荷载的标准值为1.92kN/m2。综合以上计算结果，当风荷载标准值≤1.45kN/m2时，跨度6 000mm、厚度120mm的岩棉夹芯板满足计算要求。当夹芯板两端由自攻螺栓固定，且保证夹芯板端部始终与檩条接触时，其设计承载能力由变形控制。

3 承载力试验

为研究金属面夹芯板围护系统在负风压下的抗风性能，设计人员在金属围护系统试验平台上进行多组测试，如图3所示。最终，板材在跨中皱屈破坏，试验结束。

图3 试验平台

本试验采用荷载逐级增加的方式进行，当荷载加至1.8kN/m2，板挠度为38.14mm；当荷载加至1.9kN/m2，板挠度为40.42mm；当荷载加至2.1kN/m2，持续2min后板跨中向上皱屈断裂，试验结束。取墙板破坏的上一级荷载作为其极限承载力，数值为1.9kN/m2。此数值与抗风挠度限值L/150反算的1.92kN/m2较吻合。

为防止夹芯板沿板端宽度方向破坏，本试验在夹芯板宽度方向均匀固定5颗自攻螺栓。试验结果如下：由轻质芯层支撑的平表面或浅压型金属面层受压时，在应力远低于面层材料屈服强度时，面层在应力较大的薄弱处突然出现弯折皱屈破坏。原因是平表面夹芯板面层完全依靠芯层的支撑作用，其在承受弯曲荷载作用时，受压面层在较低荷载作用下出现短波长皱纹时，随着荷载增加而变大。由于芯层的支撑而使这些皱纹保持稳定状态，一般情况下，当弯矩最大截面处皱纹向内皱折失稳而形成褶皱时，将导致板件发生皱屈破坏。

当金属面夹芯板沿宽度方向和插接口连接处有一定加强措施，且使夹芯板端部始终与檩条接触时，夹芯板由于芯材强度低，构件抗弯承载力一般由变形控制，当跨中挠度达到L/150时，钢板中的应力很小，基本处于弹性状态，而此时夹芯板断裂，达到极限状态。此时，夹芯板的承载能力由挠度变形控制。

4 工程实践

浙江省嘉兴市某食品加工厂项目金属面板采用无檩体系，200mm厚的岩棉夹芯板外墙跨度7.5m，通过长时间使用，外观平整（见图4），说明无檩体系金属外墙板可满足使用要求。

图4 夹芯板跨度7.5m使用正常

5 结语

在金属面夹芯板外墙中，夹芯板的承载力通常取决于金属面层的屈服强度，受压面层的皱屈、屈曲强度或芯材的剪切强度等。在表面为平板或浅压型钢板夹芯板中，钢板的屈曲应力主要取决于材料的弹性性能，而抗风连接处的承载力主要取决于钢板的屈服强度及加强板的厚度和材质。当夹芯板端部始终与檩条接触时，夹芯板的承载能力通常由变形控制，从而为结构岩棉金属面夹芯板在无檩体系墙面中的应用提供理论支撑和技术支持。