挤压6063铝方管(温室推拉门组合式门边柱设计方法)

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挤压6063铝方管(温室推拉门组合式门边柱设计方法)

承建温室工程的过程中经常会遇到要求加大推拉门尺寸的情况，以方便一些大型车辆的出入，而且要求用铝合金推拉门。例如有温室案例要求推拉门尺寸为宽× 高=4 m×3.2 m，每扇门如图1。为保证推拉门能够承受10 级风（W0=0.40 kPa），首先需要考虑是否有专用门边柱铝型材。在未找到合适专用门边柱铝型材的情况下，不得不采用普通铝合金矩形管来代替。青岛蓝天温室有限公司选择尺寸为120 mm×60 mm×1.2 mm 的6063-T5 铝合金型材， 然后在铝管内插入镀锌板折成的槽钢（图2），用一种组合结构的门边柱来解决此问题，其横截面如图3。


图1 推拉门/mm


图2 冷弯槽


图3 门边柱截面/mm


该组合结构门边柱需通过计算来明确镀锌板槽钢的截面尺寸。冷弯槽钢用镀锌板（Q235）制作，其屈服点σs=215 MPa。设风荷载垂直作用在每扇门上，最终由各门扇的两个边柱承载。每扇门在上下导轨间靠滑轮左右移动， 每个门边柱受力情况视为一简支梁（图4），受力弯矩见图5。


图 4 门边柱受力图 /mm


图 5 门边柱受力弯矩图 /mm


假设风荷载垂直作用在门上，且风荷载为均布荷载，按照GB/T51183-2016《农业温室结构荷载规范》基本风压W0=0.40 kN/㎡，则有：


Wk=W0×μs×μz×βgz

式中：Wk—风荷载标准值，kN/㎡；

W0—基本风压，kN/㎡，W0=0.40 kN/㎡；

μs—局部风压体型系数，μs=1.2。

μz—风压高度变化系数，μz=1

βgz—阵风系数，βgz=1.7

代入得：

Wk=0.40×1.2×1×1.7=0.816 kN/㎡

每扇门受风荷载：

Q=Wk×A

式中：A—单扇门面积，㎡，A=3.2×2=6.4 ㎡。

代入得：

Q=0.816×6.4=5.22 kN

单个门边柱受的均布荷载：

q=Q/2L

式中：L—门边柱上下支点间距离，m，L=3.2 m。

代入得：

q=5.22/（2×3.2）=0.816 kN/m


所有符合此数值地区均可使用此设计，假设组合式门边柱在风荷载作用下，其铝合金矩形管与镀锌板槽钢是同时起作用的，即它们所产生的挠度是相等的：


f1=f2


式中：f1—铝合金矩形管在风荷载下的最大挠度，mm；f2— 镀锌板槽钢在风荷载下的最大挠度，mm。


铝合金门边柱在风荷载作用下最大挠度规定为≤ 20 mm。


用简支梁在均布荷载下求挠度的公式可求出每个门边柱的最大挠度：

fmax=5qL4 /384EI（1）


式中：fmax—门边柱在风荷载下的最大挠度，cm，fmax=2 cm。

得：

fmax1=5q1L4/384E1I1=2 cm （2）

fmax2=5q2L4/384E2I2=2 cm （3）


式中：q1、q2—分别为铝合金矩形管与镀锌板槽钢所受到的风荷载之均布荷载，kN/m；


E1、E2— 分别为铝合金矩形管与镀锌板槽钢的材料弹性模量，MPa，E1=0.7×105 MPa、E2=2×105 MPa；


I1、I2—分别为铝合金矩形管与镀锌板槽钢的截面轴惯性矩，cm4，I1=28.72 cm4；


代入（2）得：


q1=0.294 kN/m


因为q1+q2=q


得出q2=q-q1


q2=0.816-0.294=0.522 kN/m


将q2 值代入（3）得：


I2=17.8 cm4


由于镀锌板槽钢截面的外形尺寸受铝合金矩形管内腔尺寸所限，所以仅需决定其壁厚即可。通过试算，当壁厚为2.5 mm 时，其截面轴惯性矩I2=18.6 cm4，大于初设计算值17.8 cm4，这样，组合式截面二种材料承担的均布荷载就会发生变化，而必须进行修正。


通过式（2）与（3），可得：5q1L4/384E1I1=5q2L4/384E2I2

简化得：q1/E1I1=q2/E2I2


因此得出 q1=q2E1I1/E2I2=（q-q1）E1I1/E2I2


此处的I2 为实际应用镀锌板槽钢的截面轴惯性矩。


代入各值得：

q1=0.286 kN/m

q2=0.53 kN/m


由于实际应用槽钢的截面轴惯性矩增大，因此在额定风荷载下其最大挠度会发生减小。


将选用镀锌板槽钢的截面轴惯性矩和重新分配的均布荷载值代入式（1）得：

fmax1=fmax2=19.4 mm ≤ 20 mm，符合规定。


对于所选铝合金矩形管及镀锌板槽钢，虽然满足挠度要求，但还应进行机械强度方面的验证。对于均布荷载下的简支梁，最大弯矩发生在梁之中部，如图5 所示。根据其最大弯矩的计算公式：Mmax=qL2/8


式中：Mmax—边柱组件在风荷载下的最大弯矩，kN·m。


代入各已知数值，得：

Mmax1=0.366 kN·m

Mmax2=0.678 kN·m


依据公式：

σmax=Mmax/Wx

式中：Wx— 边柱组件的截面系数，cm3，Wx1=9.57 cm3、Wx2=4.4 cm3；σmax—组合式门边柱型材最大弯矩处的截面应力，N/m㎡。


代入即得组合门边柱型材最大弯矩处的截面应力：

σmax1=38.3 N/m㎡

σmax2=154.2 N/m㎡


门边柱计算应力应符合下式要求：σmax ≤ [σs]


式中：[σs]—材料强度标准值，N/m㎡；

其中：

6063-T5：

[σs]=130 N/m㎡


Q235：

[σs]=215 N/m㎡

σmax1=38.3 N/m㎡ ＜ [σs]=130 N/m㎡

σmax2=154.2 N/m㎡ ＜ [σs]=215 N/m㎡


经过计算，各数据均满足强度要求。

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