直接套用塑料門窗和鋁合金門窗國標(biāo)圖集存在安全隱患

龔昌基

(福建省建筑設(shè)計研究院 福建福州 350001)

幕墻施工圖設(shè)計必須經(jīng)審查通過才可以用于施工，而門窗設(shè)計則沒有這個規(guī)定。許多設(shè)計單位也不重視門窗結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計和計算，似乎只要建筑專業(yè)選定門窗式樣、顏色，再提出一系列性能要求，就算完成設(shè)計了。甚至在編制通用圖集或標(biāo)準(zhǔn)圖集時，也很少組織結(jié)構(gòu)專業(yè)人員參與其中?，F(xiàn)行國標(biāo)圖集《未增塑聚氯乙烯(PVC-U)塑料門窗》(07J604)和《建筑節(jié)能門窗(一)》(06J607-1)也不例外。

其實，從所受風(fēng)荷載等外力作用、破壞所造成的后果、大部分構(gòu)件的受力機(jī)理來看，除了直接與墻體連接的門窗外邊框以外，門窗和幕墻并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。像現(xiàn)在這樣下去，可能存在安全隱患。

1 國標(biāo)圖集《未增塑聚氯乙烯(PVC－U)塑料門窗》(07J604)

先以現(xiàn)行國標(biāo)圖集《未增塑聚氯乙烯(PVC-U)塑料門窗》(07J604)(以下簡稱“圖集07J604”)為例，看看到底存在哪些問題:

1)圖集07J604雖然給出了每個門窗型號的抗風(fēng)壓等級，但其截面大樣中沒有注明型材的具體尺寸，也沒有注明其截面慣性矩和抗彎模量，這就是一個漏洞。

2)由于鋼材彈性模量(2.1×105MPa)是塑料彈性模量(1960MPa)的107倍，而且塑料型材與增強(qiáng)鋼芯之間必須留有裝配間隙，故塑材變形達(dá)到一定值后，鋼芯才受力，所以在受彎構(gòu)件中，塑材的承載力貢獻(xiàn)幾可不計，主要是靠鋼芯起作用。然而鋼芯受內(nèi)腔限制，其慣性矩，截面模量都很小;跨度較大者，一般都由最大撓度控制。

然而，圖集07J604中沒有規(guī)定鋼芯的具體尺寸，尤其是未規(guī)定其厚度(圖集P.58～P.63)，這就使得“抗風(fēng)壓性能”完全靠生產(chǎn)廠家自行掌握。換個廠家生產(chǎn)，若監(jiān)控不到位，則圖集S所謂“抗風(fēng)壓性能”便是一句空話。

3)圖集07J604第7頁稱:“中大”塑料門窗的抗風(fēng)壓性能均達(dá)8級(P3=4.5～5.0kPa)?！皩嵉隆彼芰祥T窗的抗風(fēng)壓性能達(dá)3～8級(P3=2.0～5.0kPa);

但第5頁表6.6-1、6.6-2中的“力學(xué)性能”又說:彎曲，“在300N力作用下，允許有不影響使用的殘余變形”;如所周知，所謂“殘余變形”本來是指外力撤去后，無法恢復(fù)原狀的殘留變形，0.3kN的力就允許有殘余變形，顯然與前述抗風(fēng)壓性能矛盾。

4)門窗的邊框型材靠固定片直接固定在周邊墻上，而固定片的間距一般小等于600mm，因此邊框的彎曲應(yīng)力、變形還都較小;但中立梃或橫梃跨度較大，往往起控制作用。

特別是組合窗的拼接型材，是主要受力桿件(圖集P.57)，按圖集07J604總說明第7.4條，“門窗固定用連接件尺寸應(yīng)不小于140×20×1.5mm(長×寬×厚)，焊接板尺寸應(yīng)不小于80×80×5mm(長×寬×厚)”，但拼接型材要求什么材質(zhì)?圖集未見交代。從第57頁注3“連接件需進(jìn)行防腐處理”看，應(yīng)該不是塑料或不銹鋼，究竟是什么材質(zhì)?無法猜測。

5)從組合窗立面圖(圖集P.32～P.38)看，拼接型材跨度可達(dá) 2.7m，受風(fēng)寬度為 1.8m，當(dāng)風(fēng)壓5.0kPa(8級)時，彎矩可達(dá)8.2kN·m，用140×20×1.5mm矩形管，則截面慣性矩J=930583mm4，抗彎模量W=13294mm3;于是，彎曲應(yīng)力 σ=M/W=8.2×106/13294=616.8MPa，撓度△ =5/384×9×27004/(930583×2.1×105)=31.9mm，△/L=31.9/2700=1/85＞1/300。無論是應(yīng)力或撓度，都已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通鋼材的限值。何況厚度1.5mm，作為主要受力部位，也違反了 JGJ102-2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》第6.2.1-2條或第6.3.1-2條(均為強(qiáng)制性條文)的規(guī)定。

6)圖集07J604第64～65頁，分別介紹“實德”和“中大”兩家的塑料門窗型材技術(shù)資料，其中“實德”門窗型材稱“采用合理的斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計，平開窗抗風(fēng)壓強(qiáng)度可以達(dá)到8級以上，普通推拉窗抗風(fēng)壓強(qiáng)度可達(dá)到3級以上，高強(qiáng)度推拉窗抗風(fēng)壓強(qiáng)度可達(dá)到6級以上”;“中大”型材則稱:“強(qiáng)度設(shè)計:通過計算設(shè)計的主型材增強(qiáng)型鋼內(nèi)腔，選用與內(nèi)腔形狀、尺寸相符的型鋼，可提高門窗的強(qiáng)度和剛性”。

這也間接證明，本圖集07J604未含“結(jié)構(gòu)設(shè)計”或“強(qiáng)度設(shè)計”，所謂抗風(fēng)壓性能有待兩參編廠家自行繼續(xù)完善。

2 國標(biāo)圖集《建筑節(jié)能門窗(一)》(06J607－1)

再看國標(biāo)圖集《建筑節(jié)能門窗(一)》(06J607-1)(以下簡稱“圖集06J607-1”)的鋁合金門窗部分，情況也是如此。

在圖集06J607-1中，涉及鋁合金門窗抗風(fēng)壓性能的內(nèi)容有:

1)表5.7，北京高層住宅要求，抗風(fēng)壓不應(yīng)低于5級。

2)表6.1，安全檢測壓力差，摘自 GB/T 7106-2002。

3)第9～12頁注3:“平開窗的開啟扇，其凈寬不宜大于600，凈高不宜大于1400;推拉窗的開啟扇，其凈寬不宜大于900，凈高不宜大于1500?！闭堊⒁?，這里只限制開啟扇的尺寸，而門窗總的寬高尺寸，按該頁注1，“由選用者自己注明”，亦即不限;至于固定扇的尺寸，也不受限制。

4)第13頁，鋁合金節(jié)能門窗性能表，分A型和B型，分別依據(jù)北京兩個廠家檢測資料編制;其中抗風(fēng)壓性能，A型均為“≥3.5kPa”，B型有的“≥3.5kPa”有的“≥4kPa”。

5)第18～21頁，門窗安裝節(jié)點(diǎn)圖，除注1稱“連接件尺寸≥140×20×1.5”外，沒有注明任何鋁合金型材的具體尺寸。

6)第24～36頁，A型門窗節(jié)點(diǎn)圖，未注明型材的具體尺寸。

7)第37～44頁，B型門窗節(jié)點(diǎn)圖，未注明型材的具體尺寸;個別型材標(biāo)注了編號，但在本圖集內(nèi)找不到具體尺寸。

8)第99頁，東亞隔熱鋁合金型材相關(guān)技術(shù)資料，在“4產(chǎn)品物理性能指標(biāo)”表中，雖標(biāo)明抗風(fēng)壓性能“大于3000Pa或滿足設(shè)計要求”，但沒有標(biāo)示截面尺寸、跨度及受風(fēng)寬度，甚至沒有說明鋁合金牌號及狀態(tài)。

大家都知道，門窗框材的截面形狀、大小、厚度、受風(fēng)面積和跨度，以及它的材質(zhì)，決定了該框材的抗風(fēng)壓性能;而一樘門窗所有框材及玻璃面板抗風(fēng)壓性能中的最小值，便是該樘門窗的抗風(fēng)壓能力。離開這些要素，所謂“抗風(fēng)壓性能”云云只能理解為某種承諾或廣告詞。所謂“抗風(fēng)壓性能”云云只能理解為某種承諾或廣告詞。

3 國標(biāo)圖集《鋁合金節(jié)能門窗》(03J603－2)

近年來節(jié)能門窗發(fā)展很快，在國標(biāo)圖集《鋁合金節(jié)能門窗》03J603-2中，便普遍使用了斷熱鋁合金型材。所謂斷熱鋁合金型材，就是把鋁合金型材截面分成兩個部分，中間用尼龍或其它塑膠材料連接，如(圖1)(摘自國標(biāo)圖集03J603-2第49頁)所示。

圖1 斷熱鋁合金型材

國標(biāo)圖集03J603-2雖然列出了每個這樣的復(fù)合材料截面的慣性矩、抗彎模量等幾何特征值，但其計算方法不得而知。按國標(biāo)圖集03J603-2，上圖截面的慣性矩 Ix=80.1833cm4，截面積 A=758.5 cm2，顯然是把截面看作一個整體計算的。如果該復(fù)合型材受彎后能符合平截面假定(即受彎前一個平截面上的各點(diǎn)，受彎后仍保持在同一個平面上)，則這樣計算是正確的;但塑膠的彈性模量只有鋁合金的1/35，上述復(fù)合型材受彎變形并不符合平截面假定，硬要按整體截面計算，誤差很大。

例如某矩形截面 b×h，其慣性矩 Ix=bh3/12;但若把這個截面分割為二，各自的h1=h/2，且兩者在彎曲變形時，其界面可以滑動，則其總慣性矩僅為兩個小截面的慣性矩之和，即 Ix1=2×b×(h/2)3/12=bh3/48，僅為原截面慣性矩的1/4。

可見差距之大。若把原截面高度分為h1=h/4和h2=3h/4，截面高度b不變，且界面可以滑動，則其總慣性矩為 (7/192)bh3，約為原截面慣性矩的1/2。

現(xiàn)在再計算上圖截面的慣性矩，為便于計算，將截面尺寸稍作一些簡化(如圖2)。

圖2 截面的慣性矩(未注明壁厚為1.8mm)

計算結(jié)果如下:

這也可以證實，國標(biāo)圖集03J603-2中，其慣性矩是把截面看作一個整體計算的，可達(dá)分截面計算總和的2.7倍，偏不安全。

當(dāng)然，用塑膠材料連接起來的上下兩個鋁合金型材截面，并非完全脫離，還可以傳遞一定的內(nèi)力，但塑膠的彈性模量及剪切模量都遠(yuǎn)小于鋁合金，視為整體截面計算肯定有誤差;是否可分別取兩者的彈性模量代入，用塊單元有限元法對這種復(fù)合材料截面的簡支梁進(jìn)行較詳細(xì)的分析，以便找出合理的計算方法?有待進(jìn)一步探討。

我們姑且相信這些廠家的廣告詞(承諾)都是能夠兌現(xiàn)的，但按照標(biāo)準(zhǔn)圖集制作的其他廠家呢?是否都具有足夠的設(shè)計實力和資質(zhì)?誰來保證產(chǎn)品的強(qiáng)度和剛度?

4 馀言

福建省標(biāo)準(zhǔn)圖集《硬聚氯乙烯(PVC-U)推拉塑鋼門窗》DBJT 13-59于2003年編制，其特點(diǎn)是:通過結(jié)構(gòu)計算，確定了每種規(guī)格的推拉塑鋼門窗在規(guī)范規(guī)定的材料應(yīng)力和構(gòu)件變形限度內(nèi)，所能承擔(dān)的風(fēng)壓值;同時給出了我省各市、縣不同建筑高度的房屋門窗，應(yīng)承擔(dān)的風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值。因此，按本圖集選用推拉門窗型號，立即可知是否滿足規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度和剛度要求。這是過去的鋁合金門窗圖集和現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集《未增塑聚氯乙烯(PVC-U)塑料門窗》(07J604)所沒有的。

不過，本圖集只限于推拉門窗，不含平開門窗。這是由于當(dāng)時缺乏平開門窗的五金件的力學(xué)性能資料所致。本擬先出推拉塑鋼門窗圖集，接著準(zhǔn)備收集資料，再出平開塑鋼門窗圖集，但時過境遷，機(jī)構(gòu)、人事變動，這項工作就擱置下來了。

鑒于國標(biāo)(07J604)沒有從結(jié)構(gòu)受力方面完善設(shè)計;而圖集(DBJT 13-59)又未含平開門窗，且11年來，許多標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范都已修訂，也有待補(bǔ)充完善。但無論如何，不宜簡單地予以“廢止”。

總之，圖集(07J604)、圖集(03J603-2)或圖集(06J607-1)沒有從結(jié)構(gòu)承載能力方面完善設(shè)計，而批準(zhǔn)發(fā)行后已廣泛套用，加以門窗設(shè)計沒有納入施工圖審查范圍，而生產(chǎn)廠家又良莠不齊，長此以往，難保不出事故，堪憂!建議由省有關(guān)部門組織力量補(bǔ)充完善該塑鋼門窗的標(biāo)準(zhǔn)圖集。