幕墻開啟扇鎖點安全的理論分析與實現(xiàn)

黃慶祥，劉艷，黃健鋒，楊友富，康子新

（中建深圳裝飾有限公司，廣東 深圳 518000）

1 引言

開啟扇脫落造成的安全事故近年來屢見不鮮， 通過分析導致各類玻璃幕墻開啟扇事故的原因[1]可以發(fā)現(xiàn)，幕墻開啟扇的破壞多發(fā)生在風荷載較大的沿海城市，其中，以高層或超高層建筑居多。 針對此類問題，2016 年，中國建筑裝飾協(xié)會幕墻工程委員會制定了《關于淘汰建筑幕墻落后產品和技術的指導意見》， 在其中限制了開啟扇面積：“開啟扇尺寸不宜超過1.5 m2，嚴禁超過2.0 m2”；JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》 也限制了開啟要求：“開啟扇的開啟角度不宜大于30°，開啟距離不宜大于300 mm”； 還對幕墻開啟扇的使用有明確規(guī)定：“幕墻工程竣工驗收時，承包商應向業(yè)主提供《幕墻使用維護說明書》。 雨天或4 級以上風力的天氣情況下不宜使用開啟部位，6 級以上風力時，應全部關閉開啟部位”。

2 項目試驗結果分析

某項目窗扇基本情況為開啟扇尺寸為1.5 m （寬）×1.3 m（高），風荷載設計值為6.0 kPa，根據分析計算，該窗扇布置鎖點為12 點，合頁為3 個，按每個鎖點不超過1 200 N 控制，窗扇大樣圖如圖1 所示。

依據廠家提供的檢測報告選擇鎖點型號， 并進行安裝及四性試驗測試。 試驗過程中，開啟扇前期氣密及水密均順利通過，但是在抗風壓檢測時卻出現(xiàn)鎖點斷裂情況。

通過試驗數(shù)據可知，產品1 的理論破壞值（550 N）遠小于廠家提供的最大破壞值（2 139 N）；產品2 的理論破壞值（972 N）也遠小于廠家提供的最大破壞值（2 992 N）。對此結果，有兩大疑問：（1）理論計算得出的鎖點荷載是否與實際鎖點受力情況一致；（2）廠家產品實際承載力與所提供的檢測報告數(shù)值是否一致。

3 開啟扇鎖點荷載的理論分析

若計算出鎖點荷載，首先要選擇一個合理的計算模型。 從結構力學模型的角度來說， 開啟扇鎖點相當于以扇框為桿件的計算模型的支座。 開啟扇鎖點作為開啟扇安全的重要設計環(huán)節(jié)，其重要性不言而喻，因此，不少規(guī)范對開啟扇鎖點的設置有明確的規(guī)定，例如，DG/TJ 08-56—2019《上海市建筑幕墻工程技術標準》中建議，“開啟扇面積大于1.0 m2時，應采用多點鎖。 鎖點應根據計算確定，且鎖點間距不宜大于600 mm，邊距不應大于300 mm”。 規(guī)范明確指出，鎖點應根據計算確定，計算假定和模型的選擇將直接影響計算結果。 目前，常見的計算假定和模型有以下3 類。

1）假定每個鎖點所受荷載相同。 此計算方法來源為DGTJ 08-2242—2017《上海民用建筑外窗應用技術規(guī)程》附錄A。

根據規(guī)范中的公式可看出， 假定每個鎖點受到的荷載相同時，由于這種假定過于理想化，根據此種假定計算出來的鎖點荷載來選擇適用的鎖點產品，可能會存在較大的安全隱患。根據此種假定，單個鎖點荷載為6 kPa×1.3 m×1.5 m/（12+3）=0.78 kN。

2）根據鎖點受荷面積計算各鎖點荷載。 荷載按45°導荷載到桿件， 每個鎖點承擔的荷載為分配的受荷面積乘以風荷載設計值，得出各點計算結果。

根據計算看出，各鎖點荷載分布非常不均勻，最大值與最小值甚至相差數(shù)倍。 這種算法在一定程度上考慮了鎖點荷載分布不均勻的影響，但是沒有全面考慮多點鎖（3 點及以上）窗扇作為超靜定桿件的受力特性的影響， 故此種計算方法也與桿件實際受力特性有一定差異。 根據此種假定，單個鎖點最大荷載為1 083.3 N。

3）通過有限元模擬分析計算各鎖點荷載。 開啟扇框通過組角碼連接，各桿件節(jié)點間鉸接連接。 窗扇桿件實際受力模型為帶懸臂的超靜定梁[2]，桿件變形對支座力的分配有一定的影響，所以，根據桿件實際截面參數(shù)輸入并進行分析得出各鎖點荷載計算結果。 為對比超靜定梁桿件變形對支座荷載的影響，取消中間的合頁。 根據結果對比可知，桿件變形對支座力有很大的影響，這種影響是前兩種計算方案沒有考慮的。 此種計算模型充分考慮了鎖點分布、桿件受力特性等因素的影響，較為真實地模擬了窗扇鎖點理論的受力情況， 對實際工程鎖點的布置和選擇都具有一定的指導意義。 根據此種假定，單個鎖點最大荷載為1 097.7 N。

通過對比計算得出以下結論： 第一種計算假定偏不安全的， 第三種計算方法更接近實際情況。 從有限元分析結果可知，鎖點荷載對桿件變形非常敏感。 根據對多個工程的總結，發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律，比如，盡量減小上橫框的尺寸，減小上橫框兩端的懸挑距離，如窗扇橫框較寬時，應考慮增加合頁數(shù)量；鎖點布置可以通過試算確定，避免出現(xiàn)支座力反向的情況，出現(xiàn)此種情況應考慮調整合頁的布置。

4 開啟扇鎖點承載力分析

對于廠家產品實際承載力與所提供的檢測報告數(shù)值是否一致，可以根據節(jié)點構造對鎖點進行受力分析。 （1）鎖點與鎖座在關閉狀態(tài)下要保證有效接觸及有效搭接量， 鎖點才能發(fā)揮作用，否則鎖點無效。 （2）力的作用點位于鎖座鎖點搭接部分的中間位置，鎖點的不利截面位于鎖頭懸臂根部及卡槽處，受剪力、偏心彎矩等荷載作用，可能發(fā)生的破壞形式為鎖點剪斷或者拉彎，具體的破壞形態(tài)也與鎖點的組成部分息息相關。

由于鎖點本身是組合而成， 受力分析應綜合考慮各個不利截面計算， 選取各不利截面承載力最小值作為產品的最大破壞值。 本文取其中一個不利截面進行分析，具體產品的承載力應綜合分析或試驗給定。

通過對比分析發(fā)現(xiàn)：

1）理論分析與廠家試驗檢測報告在一定程度上是相符的，但是產品應對使用條件有明確指導要求；

2）鎖點鎖座的搭接量影響鎖點的承載力，理論分析的最大值與最小值相差1.5 倍以上， 對安全系數(shù)的影響非常大，加工安裝中應嚴格控制；

3）廠家檢測報告的值是在特定條件（指定搭接量）下的破壞值，在實際工程應用中應考慮足夠的安全系數(shù)；

4）在產品選擇上，尤其是鎖點較多的開啟扇，選擇沖壓成型或者鑄造一體的鎖點更有優(yōu)勢。

5 開啟扇鎖點實際荷載分析

本文通過有限元模擬分析部分鎖點失效后的受力情況。將12 個鎖點逆時針編號， 依次考慮1 個鎖點、2 個鎖點、3 個鎖點失效的情況。

若鎖點鎖座搭接量僅2 mm，風壓值到4 910 Pa 時，鎖點即會破壞；風壓值到3 325 Pa 時，鎖點即有可能破壞。 若鎖點鎖座搭接量達到正常搭接量4 mm， 風壓值到3 900 Pa 時，鎖點也有可能破壞。 甚至在對鎖點受力最有利的全搭接情況下，鎖點也可能會破壞。 當有3 個鎖點同時失效時，開啟扇鎖點已經不具備設計要求的功能了。

通過分析發(fā)現(xiàn)，當開啟扇中可能存在失效鎖點時，鎖點的實際荷載就像開盲盒一樣， 不知道哪個點會超出設計允許的范圍，從一個點開始破壞，導致所有點破壞，最后整個開啟扇出現(xiàn)安全問題。 隨著鎖點失效導致的剩余鎖點荷載變大，不僅對鎖點本身強度要求提高，對與之配合受力的鎖座、鎖座連接螺釘、窗框窗扇型材局部壁厚也有了更高的要求。 因此，除了理論分析各鎖點的受力情況， 弄清楚鎖點產品本身的實際承載力之外，如何保證鎖點的有效性，也是急需解決、不容忽視的關鍵環(huán)節(jié)。

6 開啟扇鎖點有效性的實現(xiàn)

經過理論分析及試驗情況可知， 開啟扇鎖點鎖座實際配合的緊密程度直接影響開啟扇鎖點實際受力與理論模型受力貼合程度。 為此，針對在施工中如何采用簡便的方式來檢測鎖點配合的有效性，方法和建議如下。

1）鎖點與鎖座的搭接尺寸。 市面上大部分廠家的鎖點與鎖座搭接的尺寸為5 mm 左右， 使用中控制在2~7 mm 為宜?？梢酝ㄟ^窗框窗扇的相對偏差尺寸檢測鎖點鎖座的配合尺寸，相對偏差在3 mm 內，鎖點鎖座配合尺寸是有效的，如果超過3 mm，則需重新考慮在加工組裝環(huán)節(jié)對桿件尺寸、外輪廓進行控制，以保證鎖點鎖座的搭接。

2）鎖點與鎖座安裝及檢測。 （1）沿傳動桿方向配合的檢測及調整：鎖點鎖座在安裝做過程中，會出現(xiàn)沒有咬合或者咬合不緊情況，可通過使用橡皮泥來檢測，即在鎖座上抹適量橡皮泥，關閉、開啟后根據橡皮泥變形的形態(tài)來檢測鎖點鎖座是否對齊，如若沒有配合上，則調整鎖座沿傳動桿方向位置。 該方案適合在試驗或者樣板確定五金定位位置時應用， 大批量生產時應提前根據樣板確定安裝尺寸， 過程中抽檢亦可采用該方法檢驗。 （2）咬合緊密程度的檢測及調整：在多點鎖開啟扇中，有的鎖點咬合非常緊密，有的鎖點沒有咬合上。 可以通過橡皮泥來判別，根據鎖座上被刮橡皮泥剩余的厚度來判定。 余留厚度較大的部位，需通過鎖座長圓孔來調整，鎖座的長圓孔可提供3~4 mm 前后調節(jié)量。 調整時，中間定位釘先不打，待調整好確定鎖點鎖座能夠配合緊密后，再鉆定位釘[3]。 如果通過調整鎖座仍不滿足，則再調整鎖點的偏心軸，鎖點偏心軸有1 mm 的調整空間， 鎖座鎖點共提供了4 mm 左右的調整空間，足夠滿足調整鎖座鎖點配合緊密。

鎖點鎖座調整到位后，再用1 張紙來檢測窗的鎖緊情況，即將1 張紙放置于窗框窗扇膠條處（靠近鎖點鎖座位置），閉合開啟扇，拉拔紙張，若無法將紙輕易拉出，則表明開啟扇閉合緊密，反之則需重新調整鎖點鎖座。 在靠近每個鎖點鎖座位置都檢測一下，均較難拉出，則窗框窗扇配合較為緊密。

7 結語

本文指出，開啟扇設計應從減小尺寸、減小荷載，即從根本上降低危險性；鎖點的布置并非越多越好，對鎖點的承載力及安全系數(shù)的取值， 廠家及行業(yè)應制定相關的檢測標準和行業(yè)標準來指導施工實踐； 鎖點分析只是開啟扇安全問題中的一部分，在建筑幕墻設計的過程中，由于開啟扇脫鉤、轉動、掉落、組角碼損壞、五金件脫落等情況，也都是開啟扇安全應該關注的重點。 開啟扇只是幕墻工程中極小的一部分，但是事關安全，值得業(yè)內設計施工人員的高度重視。