立柱與橫梁的連接設(shè)計(jì)

1、玻璃幕墻：立柱與橫梁的連接設(shè)計(jì)來(lái)源 網(wǎng)絡(luò) 發(fā)布于 2012/7/2 9:15:23 評(píng)論(0) 有2115人閱讀立柱與橫梁的連接設(shè)計(jì)是幕墻設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)。這是因?yàn)榈挚癸L(fēng)荷載要求的是個(gè)“牢”字，而吸收地震作用和溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力則要求個(gè)“活”字。設(shè)計(jì)時(shí)只有把這兩個(gè)看似矛盾要求統(tǒng)一起來(lái)，才有可能是好的結(jié)構(gòu)。而玻璃對(duì)橫梁又是偏心壓力，容易造成橫梁偏轉(zhuǎn)，這又是一個(gè)立柱與橫梁設(shè)計(jì)中很棘手的問(wèn)題。所以盡管立柱與橫梁的連接的方法種類繁多，但好的設(shè)計(jì)很少。比較典型的結(jié)構(gòu)有以下幾種：橫豎插接式、角碼脹浮式、角碼插接式、通槽螺栓式、雙向鎖緊式等。（1）.橫豎插接式橫豎插接式以某公司的

2、140系列幕墻為代表。這套140系列幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很合理，性能優(yōu)越，能夠獨(dú)步幕墻界十余年決不是偶然的。即便是一些知名大企業(yè)現(xiàn)有的構(gòu)件式幕墻結(jié)構(gòu)，也很少在理念上能夠超越他。橫豎插接，顧名思義，是將橫梁插入立柱的預(yù)留槽內(nèi)（如圖11中1所示），其特點(diǎn)和安裝方法如下：      橫梁所受的正負(fù)風(fēng)荷載均直接傳遞給了夾持橫梁的立柱，而橫梁角碼和與立柱連接的螺釘連接組合只承受玻璃板塊和橫梁的重力（如圖11中A-A和2所示）。對(duì)螺紋連接威脅最大的就是像風(fēng)荷載這樣一直存在、時(shí)時(shí)變化的交變荷載。在長(zhǎng)期的交變荷載作用下，如無(wú)防脫措施，螺紋連接早晚是要失效的。而這種立柱

3、夾持橫梁的結(jié)構(gòu)因螺紋連接不承受風(fēng)荷載，所以其安全性、可靠性和抵御風(fēng)荷載的能力非常好。      橫梁承受玻璃的偏心壓力后定會(huì)產(chǎn)生扭矩，為使橫梁能夠有效的抵抗該扭矩，不產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，必須注意以下兩個(gè)方面：一，橫梁與立柱的連接處有足夠的強(qiáng)度來(lái)對(duì)橫梁限位；二，橫梁本身有足夠的抗扭截面模量。這種立柱夾持橫梁的結(jié)構(gòu)，橫梁與立柱的接觸比較充分，立柱和橫梁的強(qiáng)度很好，在橫梁與立柱接觸的局部產(chǎn)生的變形微乎其微，橫梁角碼也不承擔(dān)扭矩，這樣可有效避免橫梁整體偏轉(zhuǎn)。而且其橫梁的閉腔結(jié)構(gòu)的抗扭截面模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開(kāi)腔橫梁，抵抗扭轉(zhuǎn)的能力也很好。  

4、0;   橫梁與立柱之間有較大的間隙，可以吸收溫差產(chǎn)生的熱脹冷縮。因橫梁與橫梁角碼之間的摩擦力很小，故其很難產(chǎn)生摩擦噪音。      橫梁浮擱在橫梁角碼上，在地震平面變形時(shí)可自由擺動(dòng)，吸收地震作用，如圖12所示。      140系列幕墻唯一的缺點(diǎn)，就是每平方米要多用一公斤左右的鋁料。在目前的市場(chǎng)環(huán)境看來(lái)，這可能也是致命的缺點(diǎn)。橫梁安裝時(shí)如圖13虛線所示，斜著把橫梁推到立柱間合適位置，轉(zhuǎn)成水平位置后，將其浮擱在橫梁角碼上。立柱和橫梁的間隙里放置海綿橡膠，在其上打密封膠對(duì)橫梁與

5、立柱進(jìn)行密封，并可限制橫梁，使其不左右竄動(dòng)。（2）.角碼脹浮式這種角碼脹浮式連接方法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，性能出色，造價(jià)也很有優(yōu)勢(shì)，非常值得推廣應(yīng)用，其主要特點(diǎn)如下：      在相同的用料情況下，橫梁和立柱的這種方盒式結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最好，慣性矩、抵抗矩和抗扭截面模量是所有橫梁和立柱結(jié)構(gòu)形式里最大的，橫梁本身抵御彎矩和扭矩的能力是非常出色的。      這種方盒結(jié)構(gòu)，橫梁通過(guò)角碼把力傳遞給了立柱，所以角碼本身的強(qiáng)度和與立柱連接強(qiáng)度，對(duì)幕墻的性能至關(guān)重要。角碼與立柱不宜用螺釘或穿堂螺栓來(lái)連接，應(yīng)該用沉頭自攻釘，

6、原因如下：      a 這種方盒式的立柱，如想安裝螺栓必須在立柱上鉆孔，用螺栓和螺母把橫梁角碼固定在立柱兩側(cè)。在安裝角碼過(guò)程中為了施加足夠的夾緊力，很容易將立柱校變形。如為了美觀，需要在立柱上開(kāi)大孔，穿入一個(gè)不銹鋼套管。這樣不僅增加了加工和材料成本，安裝時(shí)也很困難。而且因螺桿與穿孔之間是間隙配合，在抵抗風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩和自重產(chǎn)生的扭矩時(shí)，對(duì)角碼限不住位，橫梁易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。      b 強(qiáng)烈呼吁不要使用螺釘。螺釘安裝時(shí)先攻絲，再把釘擰進(jìn)去。實(shí)際上它是個(gè)間隙配合，容易進(jìn)入水分，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，影響

7、立柱上螺紋的強(qiáng)度。和螺栓一樣，它也存在螺釘和穿孔之間是間隙配合的問(wèn)題。      c 自攻釘是強(qiáng)行擰入的，在螺紋連接中它的配合最緊密。它的牙高和螺距均比普通螺釘要大。自攻釘在立柱上形成的螺紋是梯形，普通螺釘形成的是三角形的。這樣自攻釘在立柱上形成的螺紋比機(jī)制釘更粗大，受力更好（鋁的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼材，立柱上的螺紋是最薄弱的）。自攻釘應(yīng)用沉頭的，沉頭釘和沉孔的配合能夠有效的定位。這樣可以牢牢的鎖住角碼，讓它與立柱之間不產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)和滑移。如果用非沉頭類的自攻釘，也存在和螺栓、螺釘同樣的間隙配合問(wèn)題。立柱安裝自攻釘?shù)木植亢穸炔粦?yīng)小于4mm，角碼加工沉孔部

8、位的厚度78mm較為合適。自攻釘規(guī)格應(yīng)選擇ST4.8，數(shù)量4個(gè)，安裝時(shí)釘頭掛一點(diǎn)密封膠。      橫梁角碼與橫梁之間的前后總間隙（如圖14放大圖所示）應(yīng)不大于0.2mm。這樣橫梁兩端被整個(gè)橫梁角碼脹住（如圖14中2所示），限制了橫梁扭轉(zhuǎn)。橫梁則浮擱在橫梁角碼上（如圖14中A-A所示）可以自由伸縮，所以本結(jié)構(gòu)取名為角碼脹浮式。這種結(jié)構(gòu)各連接部位和橫梁本身都可以有效限制扭轉(zhuǎn)，所以它在這些幕墻結(jié)構(gòu)中抗扭能力最強(qiáng)。      它的防震、減噪和吸收熱應(yīng)力的原理和橫豎插接式是一樣的。橫梁與立柱之間的最小間

9、隙應(yīng)通過(guò)計(jì)算而定，但取2mm一般也就足夠了。間隙需打膠進(jìn)行密封，至于規(guī)范要求在立柱和橫梁角碼放置柔性墊片的辦法減噪，有些想當(dāng)然了。這種連接方法在加工和安裝時(shí)均有一些要求，對(duì)最后整個(gè)幕墻的質(zhì)量非常重要，具體如下：      角碼下料尺寸應(yīng)根據(jù)橫梁內(nèi)腔進(jìn)行配切后確定。      橫梁下部?jī)蓚?cè)需沖或銑一個(gè)比角碼厚度大1mm的豁口。      橫梁角碼與橫梁接觸的上部?jī)蓚€(gè)角部最好倒園，安裝橫梁方便。    

10、0; 鉆立柱上橫梁角碼連接孔時(shí)最好用鉆模定位（孔別鉆的比自攻釘直徑還大）。      安裝時(shí)先將角碼掛在橫梁兩側(cè)，然后將橫梁放入立柱之間。用自攻釘擰入立柱上預(yù)鉆好的孔，將角碼安裝到立柱上，最后將橫梁放下（如圖14中3所示）。（3）.角碼插接式角碼脹浮式如嚴(yán)格定義的話，也應(yīng)屬于角碼插接式。區(qū)別在于角碼脹浮式是整個(gè)角碼與橫梁內(nèi)腔配合，而角碼插接式是角碼的一邊插入橫梁內(nèi)的槽口，并與之配合。根據(jù)其插接的位置不同可分為橫向插接和豎向插接（如圖15所示）。不論橫向與豎向插接，橫梁均可以是半閉腔或開(kāi)腔結(jié)構(gòu)。    &#

11、160; 由于角碼插接式與橫梁也是浮動(dòng)連接，所以它的減噪和吸收熱應(yīng)力性能也同樣很好。      角碼脹浮式是整個(gè)角碼與整個(gè)橫梁內(nèi)腔配合，角碼插接式是角碼的一部分和橫梁的一部分配合，所以角碼插接式的角碼連接處強(qiáng)度不如角碼脹浮式。      半閉腔橫梁的抗扭截面模量一般只有角碼脹浮式的一半左右。而開(kāi)腔橫梁的抗扭截面模量則低得可憐，一般是角碼脹浮式的1/201/40，所以不宜把橫梁設(shè)計(jì)成開(kāi)腔結(jié)構(gòu)。尤其重要的一點(diǎn)是即便是開(kāi)腔橫梁加了扣板，它也只能按開(kāi)腔型材進(jìn)行計(jì)算，不能想當(dāng)然地認(rèn)為它是閉腔的。抗扭截面模

12、量的具體計(jì)算方法可以查閱有關(guān)材料力學(xué)書(shū)籍。      角碼橫向插接式角碼與橫梁配合間隙（如圖15放大圖）如按防扭設(shè)計(jì)，應(yīng)該取00.5mm為宜，如因型材誤差及防震設(shè)計(jì)的要求間隙不應(yīng)小于1mm，這個(gè)間隙的取值在此陷入兩難境地。角碼豎向插接式的防震間隙留在了下部，與防扭并不沖突。      半閉腔橫梁因安裝空間狹小，一般安裝兩個(gè)螺栓或兩個(gè)自攻釘，并且角碼較小，所以角碼與立柱的連接強(qiáng)度不好，容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。角碼插接式如采用半閉腔橫梁，且設(shè)計(jì)合理的情況下，是可以考慮使用的。（4）.通槽螺栓式通槽螺栓式的橫梁

13、上有通長(zhǎng)槽口可以讓螺栓帽在里面滑動(dòng)但不能轉(zhuǎn)動(dòng)。安裝角碼時(shí)。將其用螺母與預(yù)置在槽口內(nèi)的螺栓連接牢固（如圖16所示）。這個(gè)結(jié)構(gòu)的本意可能是通過(guò)橫梁與角碼之間可滑動(dòng)，來(lái)吸收溫差帶來(lái)的變形，應(yīng)該說(shuō)這樣處理，達(dá)到了這個(gè)目的。但是它解決了一個(gè)問(wèn)題的同時(shí)卻帶來(lái)了一些更大的問(wèn)題。      螺紋連接失效問(wèn)題這種結(jié)構(gòu)螺栓在熱應(yīng)力產(chǎn)生的蠕動(dòng)作用下，如無(wú)可靠的的防脫落措施情況下，很容易失效。前文提到過(guò)在風(fēng)荷載的作用下螺紋連接易失效的問(wèn)題，而熱應(yīng)力比風(fēng)荷載更難防范，并且它時(shí)時(shí)刻刻在起作用。      噪音擾人的問(wèn)題不要

14、以為橫梁與角碼之間可滑動(dòng)就可以不產(chǎn)生噪音，那是自己一相情愿的想法。產(chǎn)生噪音首先要有足夠大的動(dòng)能。橫梁和角碼之間因有壓力而存在靜摩擦力。溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力一開(kāi)始并不足以克服靜摩擦力，隨著溫差加大，這種力量越來(lái)越強(qiáng)。最后就會(huì)超過(guò)克服靜摩擦力的臨界值，突然產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，在有一定接觸面積和表面粗糙度的情況下，發(fā)出摩擦噪聲。 而噪聲的強(qiáng)度取決于以下幾個(gè)要素：壓力，剛性接觸面積，表面摩擦系數(shù)。相應(yīng)的，我們降低噪聲強(qiáng)度的辦法是：減少橫梁與角碼之間的壓力、剛性接觸面積和表面摩擦系數(shù)。首先，在玻璃分格劃分正常情況下采用浮動(dòng)式連接，不需額外支出成本，即可取得良好的降噪效果。其次，當(dāng)玻璃板塊超大超重的時(shí)候，可以根據(jù)幕

15、墻結(jié)構(gòu)的不同采用合適的方法，確保幕墻“不鬼叫”。在玻璃板塊重量的作用下，摩擦噪音很微弱，一般人耳很難聽(tīng)到。而螺栓的夾緊力是玻璃板塊重量的420倍，其作用下產(chǎn)生的摩擦噪音清晰可聞。所以采用螺栓或螺釘人為增加橫梁與橫梁角碼摩擦力的做法非常不可取。生活中我們對(duì)噪聲擾人都是很反感的，己所不欲，勿施于人，作為一個(gè)有職業(yè)道德的從業(yè)人員，應(yīng)慎重使用通槽螺栓式和雙向鎖死式結(jié)構(gòu)。在橫梁角碼和橫梁之間采用線接觸、放置摩擦系數(shù)很低的墊片（如尼龍）或是放置柔性墊片均是降低摩擦噪音的有效方法。      通槽螺栓式也存在和角碼插接式第、一樣的問(wèn)題  

16、    強(qiáng)烈地震時(shí)結(jié)構(gòu)易被破壞問(wèn)題在地震時(shí)，該結(jié)構(gòu)橫梁角碼與立柱和橫梁均連接牢固沒(méi)有變形余地，對(duì)立柱的變形起了阻礙作用。而當(dāng)?shù)卣饛?qiáng)度較大時(shí)，立柱隨主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的平面變形量也是很大的。當(dāng)推動(dòng)立柱變形的地震作用大于橫梁和角碼的阻礙作用時(shí)，會(huì)在橫梁與立柱較弱的連接部位發(fā)生破壞，如圖17，立柱與自攻釘處的鋁材會(huì)被拉豁。當(dāng)然地震的作用方式可以是橫波或縱波，橫梁與立柱各個(gè)連接部位的強(qiáng)度也是不一樣，破壞方式不一定非得是圖17所示意這樣的。但強(qiáng)烈地震時(shí)，這種雙向鎖緊的結(jié)構(gòu)的確容易出現(xiàn)被破壞問(wèn)題，這也是不爭(zhēng)的事實(shí)。當(dāng)幕墻結(jié)構(gòu)的安全性面臨威脅的時(shí)候，是不是應(yīng)該從自身設(shè)計(jì)上反省一下呢？

17、（5）.雙向鎖死式通槽螺栓式如嚴(yán)格定義的話，也應(yīng)屬于雙向鎖死式。區(qū)別在于通槽螺栓式比雙向鎖死式要強(qiáng)那么一點(diǎn)點(diǎn)：在克服重重阻力后，通槽螺栓式的橫梁與橫梁角碼之間還是可以伸縮的，而雙向鎖死式在連接被破壞之前，連機(jī)會(huì)都沒(méi)有。雙向鎖死式將橫梁與橫梁角碼，橫梁角碼與立柱兩處用螺栓、螺釘、自攻釘?shù)嚷菁y連接或抽釘全部鎖死，其典型節(jié)點(diǎn)如圖18。雙向鎖死式除了擁有通槽螺栓式全部的缺點(diǎn)外，因其將橫梁與橫梁角碼完全鎖死，完全限制了橫梁的熱脹冷縮，帶來(lái)了極大的弊病。在橫梁與角碼的連接被破壞前，限制膨脹產(chǎn)生的撓度變形是很大的，以1400mm的橫梁伸長(zhǎng)2mm計(jì)算，其撓度值高達(dá)37，而橫梁的允許變形只有7.8mm，可見(jiàn)不考

18、慮熱脹冷縮的因素危害有多大。實(shí)際上，產(chǎn)生這么大的撓度是根本不可能的，因?yàn)槿绱舜蟮臒釕?yīng)力早就把橫梁與角碼連接處的薄弱部位給破壞了，常見(jiàn)的是將橫梁拉成長(zhǎng)孔。如使用螺栓連接可能還好一點(diǎn)，用了其他幾種連接，在熱應(yīng)力的反復(fù)作用下，其連接是很容易要失效的。某幕墻企業(yè)用類似的結(jié)構(gòu)做的幕墻，曾發(fā)生過(guò)橫梁和玻璃板塊掉落的事故。引發(fā)事故的原因可能是多方面的，但安全性要求是100，哪怕99.99的安全性都可能意味著有財(cái)產(chǎn)和生命面臨威脅。不可否認(rèn)的是這種設(shè)計(jì)思想和方法，存在先天性的不足，給安全帶來(lái)極大的隱患。經(jīng)過(guò)對(duì)這些常見(jiàn)的幕墻與橫梁的連接結(jié)構(gòu)的分析，總結(jié)出以下的方法和原則：（1）.橫梁應(yīng)采用盡量采用閉腔式結(jié)構(gòu)。閉腔式結(jié)構(gòu)不容易失穩(wěn)，其壁厚一般較開(kāi)腔式薄，不管從性能上還是經(jīng)濟(jì)性上都有優(yōu)勢(shì)。（2）.橫梁與橫梁角碼的連接必須是浮動(dòng)連接，并有平面變形空間，用以防震、減噪和吸收熱應(yīng)力。（3）.必須保證橫梁角碼與立柱的連接強(qiáng)度，讓它們之間不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。（4）.安裝和加工必須方便，質(zhì)量容易保證，并使橫梁與立柱的連接結(jié)構(gòu)可以被維修