目前很多的門窗、幕墻公司在計算隔熱鋁合金門窗抗風壓性能方面，缺少理論計算方法的支持，因此，顯得辦法不多，很是無奈；于是“旁引”了一些不科學的計算公式進行計算，結果有兩種可能：一種是質量不合格，因此而造成了工程質量的隱患；另一種是設計的安全系數過大造成不必要的浪費。
很多的業內朋友說：隔熱鋁合金門窗的抗風壓性能強于塑鋼門窗，在美國的眾多摩天大樓成功應用了30年以上，市場占有率高于80%。那些國外的門窗設計師是如何進行抗風壓強度計算的呢？隨著隔熱鋁合金門窗的大量應用，設計師們必須用他們所熟悉的計算方法和公式來合理設計，才能保證設計方案既安全、又經濟。
本文將在下面進行淺析，有不正確的地方望朋友們指正！同時也希望對讀過本文的各位專家在您的工作上有所幫助。
本文的問題是：隔熱型材寬度為60毫米，豎中梃距兩側邊框的距離均分，尺寸為1500×1500的固定窗（中空玻璃），在正風壓為2500牛/平方米的情況下，其中梃的撓度是多少？當風壓消失后，窗的中梃桿件是否為彈性變形？只有中梃桿件是彈性變形，才能保證門窗的水密性、氣密性和保溫性能。
此時的中梃受到兩個相同的梯形載荷作用，中梃的撓度應為兩個梯形載荷作用下的撓度迭加。在實際工程計算中，均布載荷計算出來的結果較梯形載荷的安全系數稍大，且計算簡便，故更多的使用均布載荷進行計算，其線載荷用W0表示（牛頓/毫米）。
1．隔熱鋁合金型材撓度和等效慣性矩的計算方法
1.1 計算原理
本文是對于一個具有非均一截面的簡支梁在均布載荷作用下，預算其等效慣性矩的方法。這個模型是由相對硬面（如鋁合金）與較軟的核心材料（隔熱聚氨酯膠）持續聯結在一起的“復合”梁。表面除了軸向強度之外還有具有抗彎曲的強度。在這里，假定隔熱材料僅抵抗剪切力。
需要說明的是：鋁合金型材的楊氏模量比隔熱膠的大很多，在考慮彎曲型變的計算時只選用了鋁合金的，而省略了隔熱膠的。例如，隔熱膠的楊氏模量為1650MPa，僅為鋁合金型材（楊氏模量為70000MPa）的3%。12毫米寬的聚氨酯隔熱膠僅相當于0.39毫米寬的鋁合金。
計算隔熱鋁合金型材的關鍵問題是隔熱材料的剪切形變。在計算純鋁合金型材的簡支梁受到均布載荷時，其公式為：伯努利－歐拉方程（EIy"=M) ，而將其剪切變形量忽略不計。然而，當型材軸向上的立筋存在相對較軟的隔熱材料時，會導致“復合”梁的行為復雜化。受到載荷時，“復合”梁的橫截面尺寸會因隔熱材料的剪切形變而產生變化。隔熱材料的剪切形變使得其形狀由矩型變成平行四邊型。
由于隔熱材料位于兩塊鋁合金型材之間，當其作為簡支梁承受力的作用時，整個復合型材的變形量以及鋁合金型材所受到的應力較純鋁合金型材都有所增加；相反在長度方向上所傳遞的剪切流（隔熱膠的剪切應力乘以隔熱膠的寬度b’）卻減弱了很多。
隔熱鋁型材斷面抗風壓的計算標記圖
在公式和圖示中我們將用到以下參數：
A= tw (h-g) —鋁合金材料的剪切面積 (平方毫米)
AC — 彈性體的總截面積 (平方毫米)
a1,a2 —鋁型材表面1和2的面積 (平方毫米)
b=AC/DC —彈性體的平均寬度 (mm)
b’—兩個凸點間的凈寬度 (mm)
c11,c22,D —分別是形心軸線到兩個鋁合金型材外表面的距離，以及兩形心軸線間的距離。(mm)
DC —斷熱槽的最大深度 (mm)
E=70000N/平方毫米 —鋁型材的楊氏模量
EC—彈性體的楊氏模量 (1650 N/平方毫米)
g —隔熱槽兩個凸點的隔熱距離 (mm)
GC= EC/[2(1+v)] —彈性體的剪切模量 （N/平方毫米） ；v是彈性體的泊松比（Poisson’s ratio）
h—鋁型材截面的總寬度 （mm）
h1,h2—鋁型材的重心到兩個外表面的距離 (mm)
I01，I02—鋁型材1和2的慣性矩 (mm4)
L—跨度，兩個支點間的距離 (mm)
W0—均布載荷（N/mm）
tw —鋁型材軸向立筋的厚度，或厚度的總和。tw = Aw /（h-g）, Aw 是兩塊型材各個立筋乘以其相應高度之和。
參數、綜合恒量和基本公式
該值僅適用于復合型材的兩段均為同一材料的情況下 (mm4)
••••（1）
I0=I01+I02是等效慣性矩的較低值。（鋁型材內表面和膠接觸的表面上，有相對滑動的情況） (mm4)
•••••••••••••••• （2）
I=IC+I0 是等效慣性矩的較高值。該值僅在鋁型材內表面和斷熱膠接觸的表面沒有任何剪切變形時 (mm4)
•••••••••••••••••••••••••••••（3）
IC/I •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••（4）
(N) ••••••••••••••••••••••••（5）
僅對于兩面的材質具有相同的E值 (1/mm2) ••••••••••（6）
因為隔熱鋁合金型材桿件的理論慣性矩Ie 是L（跨矩）、GC（隔熱膠的剪切模量）和載荷形式（如：集中載荷或均布載荷）的函數，它不同于普通鋁合金型材的慣性矩（是與截面有關的常數）。所以，首先要計算出在集中載荷或均布載荷作用下的復合桿件形變，再計算其相應的理論慣性矩Ie。的值。
對于“復合”梁的彎曲力矩（M）和剪切力（V），相關于發生彎曲形變（y），其相關的微分公式為：
(1/mm3) ••••••••••••••••••••••••••(7)
公式中的（´）表示對x的微分。
當集中載荷時，其彎矩方程為：
•••••••••••••••••(8)
將公式（8）代入公式（7），整理后得(隔熱鋁合金梁在集中載荷時的形變曲線方程)：
•••••••••••••(9)
公式中的 為自然對數的底。
當均布載荷時，其彎矩方程為：
•••••••••••••••(10)
將公式（10）代入公式（7），整理后得(隔熱鋁合金梁在均布置載荷時的形變曲線方程)：
以下為等效慣性矩的計算公式，該公式未考慮剪切變形的影響。
注意：y=最大彎曲形變
集中載荷： Ie = PL3 / 48Ey ••••••••••••••••••••••••••••••••••• (12)
均布載荷： Ie=wL4/ 76.8Ey = (wL)L3/ 76.8Ey ••••••••••••••••••(13)
注意：因為y是許多變量的函數。因此，慣性矩Ie也是。特別要指出的是，Ie 是L（跨矩），GC（彈性體的剪切模量）和載荷形式（如：集中載荷或均布載荷）的函數。
如果F（形狀因素）近似為1（對于“I”梁可以適用），則隔熱型材的等效慣性矩的計算公式如下：
•••••••••••••••••••(14)
均布載荷： 
•••••••••••••••••(15)
2隔熱梁的最大壓縮應力和拉伸應力計算：
在復合鋁合金型材任意截面內，上半部型材的平均壓縮力（F1）與截面內不同的壓縮力之和相等；F1的作用點為上半部型材的形心（在上半部型材的中心軸線上）。下半部型材的平均拉社伸力（F2）與截面內不同的拉伸力之和相等；F2的作用點為下半部型材的形心（在下半部型材的中心軸線上）。由于隔熱材料與鋁合金的彈性模量想差懸殊，故隔熱材料的壓縮、拉伸應力忽略不計。
由于隔熱膠的剪切形變，任意截面內（延著中心軸線）存在著一個平均壓縮力（F1）和一個平均拉伸力（F2）。因復合型材桿件的靜止，所以，兩力相等（F1=F2），方向相反。
任意截面內（延著中心軸線），上半部型材的中心軸線之上，壓縮應力增加；上半部型材的中心軸線之下，壓縮應力減少，應力間相互平衡。同樣的情況，下半部型材的中心軸線之上，拉伸應力減少；下半部型材的中心軸線之下，壓縮應力增加，應力間相互平衡。
M = Mc + Mo ••••••••••••（16）
M ：由于受到均布載荷，而在中梃桿件截面內產生的力矩。
Mc ：由于兩個大小相等、方向相反的平均力（F1、F2），而產生的力矩。
Mo ：由于兩塊鋁合金型材截面內應力分布的不同，而產生的力矩。
中梃的上面（室外側）型材質心受到的平均壓縮應力為： -（M-EI0y’’）/ a1D；••••••••••（17）
中梃的下面（室內側）型材質心受到的平均拉伸應力為： （M–EI0y’’）/ a2D；••••••••••（18）
中梃的上面（室外側）型材受到的最大壓縮應力存在于型材的最外側，故：
••••••••••••••••••(19)
中梃的下面（室內側）型材受到的最大拉伸應力存在于型材的最內側，故：
•••••••••••••••••••(20)
3隔熱梁的最大縱向剪切應力計算：
作用在中梃桿件任意截面上的剪切力V是由鋁合金型材和隔熱膠共同承擔的，此時鋁合金型材的受到的力矩為：Mal = EI0(dy2/dx2) ；
而鋁合金型材受到的剪切力V可表示為：Val = dMal /dx = EI0(dy3/dx3) ••••••••（21）
那末，隔熱膠受到的剪切力為：Vsc = V - EI0(dy3/dx3) •••••••••••••• (22)
隔熱膠受到的剪切應力為：Ssc = (V - EI0(dy3/dx3) )÷(bD) •••••••••••••(23)
在注膠隔熱鋁合金型材中任取一塊長度為dx的聚氨酯立方體,因其靜止,故：
1合外力等于零。上、下兩邊的剪切力大小相等，方向相反。同理，左右、前后兩邊的剪切力也大小相等，方向相反。
2相對于任意點的力矩等于零。可以得出：這六個力的大小相等；垂直于隔熱鋁合金型材杠件的任意面，其剪切應力與縱向剪切應力（N/mm2)相等。
那末，隔熱鋁合金型材的縱向剪切力為：T = Ssc×b’ ••••••••••••••••（24）
小結：
1在計算梁的撓度時，無論是普通（非隔熱）鋁合金梁，還是隔熱鋁合金梁，必須找出其形變曲線方程，即： ，它也是計算其它力學性能參數的基礎；產生最大撓度點的橫坐標 的導數 。
2在計算隔熱鋁合金梁的最大拉伸和最大壓縮應力時，首先要計算出梁的最大彎矩截面；這個截面存在著兩個相等的力F1（上半部型材形心處），以及F2（下半部型材形心處）。有了F1、 F2，即可計算出平均拉伸應力、壓縮應力，其力點作用于兩塊鋁合金型材的形心上；再根據普通（非隔熱）鋁合金梁相應的計算公式，推導出隔熱鋁合金梁兩個最外邊緣處的最大拉伸和最大壓縮應力，為選擇合適的鋁合金牌號（6061、6063）以及狀態（T5、T6）提供理論依據。
3在計算隔熱鋁合金梁縱向剪切強度時，首先要計算出最大剪力所在的截面。此截面在其設計壽命期間，如果復合部位的鋁合金型材與隔熱材料出現縱向滑動（剪切失效），將視其為兩根獨立的鋁合金梁計算；只有保證隔熱單元系統（鋁合金―復合部位―隔熱材料）的復合部位不產生縱向滑動，才能計算其隔熱材料的最大縱向剪切力。在荷載的作用下，隔熱型材的最大縱向剪切力應小于24N/mm。
二軟件的安裝：
1點擊文件包TIR-A8-04，出現TIR-A8-04 SOFTWARE（軟件）、TIR-A8-04 STANDARD（標準）、TIR-A8-04 UESRS GUIDE（用戶指南）。
2、點擊TIR-A8-04 SOFTWARE（軟件）；在新的界面中再點擊setup（安裝）。
3、出現TBSA Setup界面，點擊方塊內的OK鍵。
4、在出現界面的左側，點擊方塊鍵。
5、在新的界面中點擊Continue（繼續）鍵。
6、在新的界面中點擊Yes鍵，再點擊確定鍵。點擊關閉鍵。
三、軟件的使用調試：
根據全世界各個國家文化的不同，計量單位分為英制和公制。中國習慣使用公制單位，所以，首先要將軟件確認為公制。
1、點擊電腦屏幕的左下方的開始，再將點擊鼠標瞄準程序；在出現新的界面中瞄準TBAS，點擊AAMA TIR-A8_03。
2、在出現的界面中點擊確定鍵。
3、點擊界面中的Change Default unit鍵，將Lb/In轉換成N/mm（完成了制式轉換）。
4、點擊界面上方的Save edits（保存編輯）。
5、點擊界面右上方的Х（關閉鍵）。
6、點擊界面中的Yes（確定）鍵。
四、軟件的使用：
1、點擊電腦屏幕的左下方的開始，再將點擊鼠標瞄準程序；在出現新的界面中瞄準TBAS，點擊AAMA TIR-A8_03。
2、在彈出的界面中，點擊第二方塊Create New Product File（建立新的產品文檔）。
3、在彈出的界面中，選擇File Name（文檔名字）；例如：tj-55。點擊OK鍵。
4、在彈出的界面中，點擊工具欄中的第5個Profile，右邊會顯示隔熱型材的示例。
5、用AutoCAD軟件打開55毫米寬的隔熱鋁合金中梃圖紙，見圖（二）。
6、將上、下鋁合金型材的面積（mm2）分別填寫到A1、A2內(226.8、169.8)；將上、下鋁合金型材的慣性矩（mm4）分別填寫到I01、I02內(13019、13923)；將兩塊鋁合金型材質心到兩外輪廓的距離（mm）分別填寫到C11、C22內(7.16、12.37)；將兩塊鋁合金型材的質心距離（mm）填寫到D內(35.47)；將鋁型材軸向立筋的厚度總和（mm）填寫到tw內(2.8)。
7、將隔熱膠最寬、最窄尺寸（mm）填寫到b、b´內(7.80、5.03)；將隔熱膠最厚尺寸以及隔斷距離尺寸（mm）填寫到DC、g內(14.48、6.35)。見下圖
8、點擊工具欄中的第1個file（文件）鍵，點擊工具欄中的倒數第2個鍵Goto analysis window（轉換至技術分析）。選擇uniform（均布荷載），在Load(N/mm)中輸入1.35[1500Х1500窗在受到1800帕（N/mm2）風壓時，其中梃的線荷載為1.35(N/mm)，為了提高安全性，故將梯形荷載考慮為均布荷載]；在Span(mm) [梁的跨度]中輸入1500；在E(N/mm2) [鋁合金的彈性模量]中輸入70000；在Normal GC(N/mm2) [常溫剪切模量]中輸入552[亞松隔熱膠]。點擊Calculate（計算）鍵，結果見下圖：
撓度為：9.3毫米；
在桿件的中間，鋁合金型材外邊緣處受到的最大壓縮應力為57.6(N/mm2)；
在桿件的中間，鋁合金型材外邊緣處受到的最大拉伸應力為84.5(N/mm2)；
在桿件的兩端，隔熱型材受到的最大縱向剪切力為21.4(N/mm)；
隔熱型材的等效慣性矩為13.7(cm4)。
9如果隔熱鋁合金梁的中間處同時受到一個80牛頓的集中荷載。選擇Concentrated at Mid Span（對稱集中荷載）；在Load(N)中輸入80；在Span(mm) [梁的跨度]中輸入1500；在Normal GC(N/mm2) [常溫剪切模量]中輸入552[亞松隔熱膠]。點擊Calculate（計算）鍵，結果見下圖：
撓度為：0.6毫米；
在桿件的中間，鋁合金型材外邊緣處受到的最大壓縮應力為4.8(N/mm2)；
在桿件的中間，鋁合金型材外邊緣處受到的最大拉伸應力為7.2(N/mm2)；
在桿件的兩端，隔熱型材受到的最大縱向剪切力為0.9(N/mm)；
隔熱型材的等效慣性矩為13.5(cm4)。
此時隔熱鋁合金梁的受力狀況應為兩種（集中、均布）荷載作用之和，即：
撓度為：9.9毫米；
在桿件的中間，鋁合金型材外邊緣處受到的最大壓縮應力為62.4(N/mm2)；
在桿件的中間，鋁合金型材外邊緣處受到的最大拉伸應力為91.7(N/mm2)；
在桿件的兩端，隔熱型材受到的最大縱向剪切力為22.3(N/mm)；
綜上所述，根據國家標準GB/T 8478—2008中的撓度規定
如果隔熱鋁合金梁在（集中、均布）荷載作用下的縱向剪切力大于24(N/mm)，隔熱鋁合金型材可能發生縱向滑移，等效慣性矩會（由13.5 cm4衰減至2.7 cm4 ）衰減至20%，撓度會增加至500%（9.9毫米增加至49.5毫米）。因此，會導致隔熱鋁合金門窗的氣密性下降；水密性下降，門窗漏水；保溫性能下降。所以，隔熱鋁合金梁的強度計算是保證隔熱鋁合金門窗性能的關鍵，應當引起特別關注。
