構(gòu)件式玻璃幕墻橫梁扭轉(zhuǎn)原因分析與預(yù)防
構(gòu)件式玻璃幕墻由于施工方便、造價(jià)相對(duì)較低，在工程中得到廣泛應(yīng)用，但不少構(gòu)件式玻璃幕墻的橫梁在板塊自重作用下由于多種原因產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)。橫梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)后，由于修復(fù)及加固難度相當(dāng)大，直接影響到結(jié)構(gòu)安全與觀感質(zhì)量。由于幕墻的抗震設(shè)計(jì)與非抗震設(shè)計(jì)對(duì)連接節(jié)點(diǎn)的要求不同，現(xiàn)僅對(duì)非抗震設(shè)計(jì)的幕墻橫梁扭轉(zhuǎn)原因進(jìn)行分析，并提出若干預(yù)防措施。
第一、橫梁扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象及危害
橫梁是幕墻工程中的主要承重構(gòu)件之一。在正常情況下，橫梁在豎直平面內(nèi)僅受到玻璃板塊及自身重力作用。施工完成后的橫梁上表面應(yīng)保持水平，但不少幕墻尤其是板塊面積較大的明框幕墻，橫梁上表面向外傾斜，亦即橫梁產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)。當(dāng)橫梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)后，直接影響到觀感。并且，大部分幕墻的橫梁與角碼是通過自攻釘進(jìn)行連接，在正常情況下，自攻釘僅受到剪力作用;而當(dāng)橫梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)后，室內(nèi)側(cè)的自攻釘不僅承受剪力，還要承受部分拉力，這對(duì)結(jié)構(gòu)長遠(yuǎn)的安全性而言是極為不利的。
第二、橫梁扭轉(zhuǎn)的原因分析
(1)角碼與立柱固定不牢，角碼相對(duì)于立柱產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，是橫梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的重要原因。可以說絕大多數(shù)橫梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的幕墻，其角碼相對(duì)于立柱均產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)，具體原因如下:
①角碼成孔時(shí)，孔徑過大，與螺栓或螺釘不配套，導(dǎo)致施工完成后，由于螺栓與角碼孔壁存在過大的空隙，在板塊自重作用下，角碼孔壁與螺栓螺桿之間尚有較大的位移空間。而這種位移將導(dǎo)致角碼相對(duì)于立柱產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)，通常用自攻釘固定在角碼上的橫梁也隨著轉(zhuǎn)動(dòng)。
②角碼成孔時(shí)，工人未熟練掌握施工工藝，導(dǎo)致孔壁不直甚至明顯傾斜，更重要的是在角碼后背孔側(cè)產(chǎn)生了毛刺。在安裝角碼前如未對(duì)這種毛刺進(jìn)行清理就進(jìn)行安裝，則根本無法保證將角碼與立柱緊密連接。最終必然會(huì)導(dǎo)致角碼扭轉(zhuǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致橫梁扭轉(zhuǎn)。同時(shí)，當(dāng)孔壁不順直時(shí)，螺栓栓桿與角碼孔壁接觸不完全甚至其接觸是線接觸而非面接觸。在正常情況下即為面接觸時(shí)，螺栓栓桿承受角碼傳遞過來的是均布荷載;當(dāng)孔壁不直即兩者為線接觸時(shí)，接觸面積極小且承受的是集中荷載，會(huì)在角碼孔壁產(chǎn)生局部過大的集中應(yīng)力，應(yīng)力集中處的孔壁易被破壞，孔徑也相對(duì)擴(kuò)大。而過大的孔徑不利角碼的 固定。
③角碼與立柱通常是采用螺栓或螺釘進(jìn)行連接，當(dāng)連接緊密時(shí)，盡管在兩者接觸面間加設(shè)了墊片，但角碼與立柱在螺栓的軸向力作用下仍會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦力。而這種摩擦力對(duì)角碼的抗扭轉(zhuǎn)是有好處的。而部分施工人員在角碼安裝固定時(shí)未將螺栓或螺釘擰緊到位，角碼后背與立柱之間連接不緊密，兩者接觸面之間無法產(chǎn)生這種有利的摩擦作用，同時(shí)未擰緊螺栓也會(huì)造成角碼的晃動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)。另外值得注意的是，當(dāng)用螺栓進(jìn)行角碼與立柱的連接固定時(shí)，如果擰得過緊，易造成立柱的腹板產(chǎn)生局部變形，與角碼的背部也是無法緊密接觸，反而不利角碼的固定。
(2) 板塊安裝方法。對(duì)橫梁而言，最好是直接將力傳遞至立柱而不經(jīng)過橫梁。但不少工人在安裝時(shí)，先將板塊直接擱在橫梁上，調(diào)好位置后先固定好上下橫梁處的壓塊，再固定左右立柱處的壓塊。這種安裝方法導(dǎo)致板塊重量全部由橫梁承擔(dān)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以考慮。
(3)抗扭承載力復(fù)核。部分設(shè)計(jì)人員未按規(guī)范要求對(duì)橫梁的抗扭能力進(jìn)行計(jì)算復(fù)核。尤其是當(dāng)幕墻施工完畢后，橫梁產(chǎn)生了微小的扭轉(zhuǎn)(在理論上是完全可能的)，當(dāng)板塊承受到風(fēng)荷載后，橫梁在豎直平面內(nèi)的受力不僅包括板塊與橫梁本身自重，還將承受部分風(fēng)荷載。如圖1所示，當(dāng)橫梁扭轉(zhuǎn)a 角度后，在豎直平面內(nèi)受風(fēng)荷載在垂直于橫梁方向的分力為F.sina(F為板塊受到的風(fēng)荷載傳到橫梁的水平力)，這也會(huì)加劇橫梁的扭轉(zhuǎn)。
第三、預(yù)防措施
(1)設(shè)計(jì)方面
①選取合適的型材。合適的型材可以從根本上保證將橫梁牢固地安裝在角碼上，即使玻璃板塊自重較大橫梁也不會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。據(jù)筆者所知，原沈陽黎明的140系列型材的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是相當(dāng)合理的，其型材的部分截面如圖2所示。該系列型材的橫梁直接被夾持在立柱內(nèi)，只要橫梁本身的剛度足夠，就可以保證橫梁在荷載作用下不會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。但現(xiàn)在應(yīng)用較多的是一種掛鉤式的型材，其截面如圖3所示。該系列型材要求板塊用掛鉤與橫梁相連接。對(duì)該系列型材，筆者認(rèn)為除非施工時(shí)能絕對(duì)保證構(gòu)件的尺寸偏差，否則容易造成上一板塊由于施工誤差，板塊上部的掛鉤未全部掛在上根橫梁上，而下一板塊全掛在同一根橫梁上，結(jié)果造成了一根橫梁要承受2個(gè)板塊的自重，從而導(dǎo)致因?yàn)闄M梁本身抗扭能力不足而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，或角碼與立柱之間的抗扭能力不足而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。這種扭轉(zhuǎn)一旦產(chǎn)生，將會(huì)給結(jié)構(gòu)帶來極大的安全隱患，而且處理難度也相當(dāng)大。
②考慮適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行橫梁設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到即使是最合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也會(huì)由于各種因素的影響，使橫梁要產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。而一旦產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)后，橫梁所受到平面內(nèi)的作用力不僅包括板塊與橫梁本身的自重，還要承擔(dān)部分風(fēng)荷載的作用，再加上現(xiàn)在絕大部分的橫梁與角碼均是通過自攻釘進(jìn)行連接，自攻釘將受長期的拉力作用，這對(duì)自攻釘?shù)陌踩允菢O不利的。故建議設(shè)計(jì)單位在考慮橫梁與角碼的連接時(shí)，要考慮足夠的承載力。同時(shí)，在角碼與立柱的連接建議當(dāng)條件允許時(shí)盡可能采用3顆螺栓或螺釘，且平面布置應(yīng)合理，力求平面內(nèi)最大的抗扭抵抗矩。
③合理劃分板塊尺寸。玻璃自重是使橫梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的根本原因，玻璃板塊越大則自重越大，對(duì)橫梁產(chǎn)生的偏心力也越大，對(duì)橫梁的抗扭越不利。因?yàn)槟粔ν诟邔咏ㄖ袘?yīng)用得較為普遍，為保證建筑的立面效果，建筑越高，往往要求玻璃板塊越大，而板塊過大，對(duì)幕墻的設(shè)計(jì)與施工均帶來一定的難度。因此作為幕墻的設(shè)計(jì)人員，有必要與建筑的設(shè)計(jì)人員取得溝通，力求在矛盾的兩者之間取得平衡。
(2)施工方面
①嚴(yán)格控制角碼成孔質(zhì)量。角碼的成孔質(zhì)量對(duì)整個(gè)橫梁的安裝質(zhì)量起到很大的作用，而此工序又極易被忽視。通常角碼的孔徑應(yīng)比螺栓直徑大，但不要超過0.5mm。若孔徑過小或等于螺桿直徑則無法擰緊，過大則角碼易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。同時(shí)在成孔時(shí)，對(duì)鉆頭的質(zhì)量有一定的要求，即刃口的質(zhì)量必須要好，鉆頭的截面偏差要符合要求;成孔時(shí)要注意控制鉆進(jìn)度，速度過快易產(chǎn)生毛刺，速度過慢易造成擴(kuò)孔或孔壁不直。同時(shí)，成孔后必須對(duì)角碼的后背進(jìn)行逐個(gè)檢查，有毛刺的必須進(jìn)行及時(shí)清理。
②保證適當(dāng)?shù)臄Q緊力。對(duì)大部分的幕墻而言，角碼與立柱之間有部分力是通過接觸面的摩擦力傳遞的。故在施工時(shí)，必須保證螺栓或自攻釘適當(dāng)?shù)臄Q緊度。如果擰得不夠緊，肯定無法滿足要求，但絕不可擰得過緊。因?yàn)槿绻菟ㄟ^擰會(huì)給螺栓帶來隱性傷害，而這種傷害是致命的;同時(shí)擰得過緊易造成立柱的腹板產(chǎn)生變形。而這種螺栓過擰現(xiàn)象在施工現(xiàn)場極其}普遍且易被忽視。
③保證合理的施工順序。在安裝板塊時(shí)，建議板塊準(zhǔn)確定位后，先安裝板塊與立柱相鄰處的壓塊，待左右兩側(cè)的壓塊完全固定后再進(jìn)行板塊上部壓塊的固定，最后進(jìn)行板塊底部的壓塊固定。此種安裝方法可以有效降低板塊傳遞至橫梁上的重力。值得注意的是，壓塊的數(shù)量宜適當(dāng)加密，規(guī)格宜適 當(dāng)加大，尤其是經(jīng)常受臺(tái)風(fēng)襲擊的幕墻。
構(gòu)件式玻璃幕墻由于施工方便、造價(jià)相對(duì)較低，在工程中得到廣泛應(yīng)用，但不少構(gòu)件式玻璃幕墻的橫梁在板塊自重作用下由于多種原因產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)。橫梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)后，由于修復(fù)及加固難度相當(dāng)大，直接影響到結(jié)構(gòu)安全與觀感質(zhì)量。由于幕墻的抗震設(shè)計(jì)與非抗震設(shè)計(jì)對(duì)連接節(jié)點(diǎn)的要求不同，現(xiàn)僅對(duì)非抗震設(shè)計(jì)的幕墻橫梁扭轉(zhuǎn)原因進(jìn)行分析，并提出若干預(yù)防措施。
第一、橫梁扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象及危害
橫梁是幕墻工程中的主要承重構(gòu)件之一。在正常情況下，橫梁在豎直平面內(nèi)僅受到玻璃板塊及自身重力作用。施工完成后的橫梁上表面應(yīng)保持水平，但不少幕墻尤其是板塊面積較大的明框幕墻，橫梁上表面向外傾斜，亦即橫梁產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)。當(dāng)橫梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)后，直接影響到觀感。并且，大部分幕墻的橫梁與角碼是通過自攻釘進(jìn)行連接，在正常情況下，自攻釘僅受到剪力作用;而當(dāng)橫梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)后，室內(nèi)側(cè)的自攻釘不僅承受剪力，還要承受部分拉力，這對(duì)結(jié)構(gòu)長遠(yuǎn)的安全性而言是極為不利的。
第二、橫梁扭轉(zhuǎn)的原因分析
(1)角碼與立柱固定不牢，角碼相對(duì)于立柱產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，是橫梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的重要原因。可以說絕大多數(shù)橫梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的幕墻，其角碼相對(duì)于立柱均產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)，具體原因如下:
①角碼成孔時(shí)，孔徑過大，與螺栓或螺釘不配套，導(dǎo)致施工完成后，由于螺栓與角碼孔壁存在過大的空隙，在板塊自重作用下，角碼孔壁與螺栓螺桿之間尚有較大的位移空間。而這種位移將導(dǎo)致角碼相對(duì)于立柱產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)，通常用自攻釘固定在角碼上的橫梁也隨著轉(zhuǎn)動(dòng)。
②角碼成孔時(shí)，工人未熟練掌握施工工藝，導(dǎo)致孔壁不直甚至明顯傾斜，更重要的是在角碼后背孔側(cè)產(chǎn)生了毛刺。在安裝角碼前如未對(duì)這種毛刺進(jìn)行清理就進(jìn)行安裝，則根本無法保證將角碼與立柱緊密連接。最終必然會(huì)導(dǎo)致角碼扭轉(zhuǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致橫梁扭轉(zhuǎn)。同時(shí)，當(dāng)孔壁不順直時(shí)，螺栓栓桿與角碼孔壁接觸不完全甚至其接觸是線接觸而非面接觸。在正常情況下即為面接觸時(shí)，螺栓栓桿承受角碼傳遞過來的是均布荷載;當(dāng)孔壁不直即兩者為線接觸時(shí)，接觸面積極小且承受的是集中荷載，會(huì)在角碼孔壁產(chǎn)生局部過大的集中應(yīng)力，應(yīng)力集中處的孔壁易被破壞，孔徑也相對(duì)擴(kuò)大。而過大的孔徑不利角碼的 固定。
③角碼與立柱通常是采用螺栓或螺釘進(jìn)行連接，當(dāng)連接緊密時(shí)，盡管在兩者接觸面間加設(shè)了墊片，但角碼與立柱在螺栓的軸向力作用下仍會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦力。而這種摩擦力對(duì)角碼的抗扭轉(zhuǎn)是有好處的。而部分施工人員在角碼安裝固定時(shí)未將螺栓或螺釘擰緊到位，角碼后背與立柱之間連接不緊密，兩者接觸面之間無法產(chǎn)生這種有利的摩擦作用，同時(shí)未擰緊螺栓也會(huì)造成角碼的晃動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)。另外值得注意的是，當(dāng)用螺栓進(jìn)行角碼與立柱的連接固定時(shí)，如果擰得過緊，易造成立柱的腹板產(chǎn)生局部變形，與角碼的背部也是無法緊密接觸，反而不利角碼的固定。
(2) 板塊安裝方法。對(duì)橫梁而言，最好是直接將力傳遞至立柱而不經(jīng)過橫梁。但不少工人在安裝時(shí)，先將板塊直接擱在橫梁上，調(diào)好位置后先固定好上下橫梁處的壓塊，再固定左右立柱處的壓塊。這種安裝方法導(dǎo)致板塊重量全部由橫梁承擔(dān)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以考慮。
(3)抗扭承載力復(fù)核。部分設(shè)計(jì)人員未按規(guī)范要求對(duì)橫梁的抗扭能力進(jìn)行計(jì)算復(fù)核。尤其是當(dāng)幕墻施工完畢后，橫梁產(chǎn)生了微小的扭轉(zhuǎn)(在理論上是完全可能的)，當(dāng)板塊承受到風(fēng)荷載后，橫梁在豎直平面內(nèi)的受力不僅包括板塊與橫梁本身自重，還將承受部分風(fēng)荷載。如圖1所示，當(dāng)橫梁扭轉(zhuǎn)a 角度后，在豎直平面內(nèi)受風(fēng)荷載在垂直于橫梁方向的分力為F.sina(F為板塊受到的風(fēng)荷載傳到橫梁的水平力)，這也會(huì)加劇橫梁的扭轉(zhuǎn)。
第三、預(yù)防措施
(1)設(shè)計(jì)方面
①選取合適的型材。合適的型材可以從根本上保證將橫梁牢固地安裝在角碼上，即使玻璃板塊自重較大橫梁也不會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。據(jù)筆者所知，原沈陽黎明的140系列型材的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是相當(dāng)合理的，其型材的部分截面如圖2所示。該系列型材的橫梁直接被夾持在立柱內(nèi)，只要橫梁本身的剛度足夠，就可以保證橫梁在荷載作用下不會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。但現(xiàn)在應(yīng)用較多的是一種掛鉤式的型材，其截面如圖3所示。該系列型材要求板塊用掛鉤與橫梁相連接。對(duì)該系列型材，筆者認(rèn)為除非施工時(shí)能絕對(duì)保證構(gòu)件的尺寸偏差，否則容易造成上一板塊由于施工誤差，板塊上部的掛鉤未全部掛在上根橫梁上，而下一板塊全掛在同一根橫梁上，結(jié)果造成了一根橫梁要承受2個(gè)板塊的自重，從而導(dǎo)致因?yàn)闄M梁本身抗扭能力不足而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，或角碼與立柱之間的抗扭能力不足而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。這種扭轉(zhuǎn)一旦產(chǎn)生，將會(huì)給結(jié)構(gòu)帶來極大的安全隱患，而且處理難度也相當(dāng)大。
②考慮適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行橫梁設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到即使是最合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也會(huì)由于各種因素的影響，使橫梁要產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。而一旦產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)后，橫梁所受到平面內(nèi)的作用力不僅包括板塊與橫梁本身的自重，還要承擔(dān)部分風(fēng)荷載的作用，再加上現(xiàn)在絕大部分的橫梁與角碼均是通過自攻釘進(jìn)行連接，自攻釘將受長期的拉力作用，這對(duì)自攻釘?shù)陌踩允菢O不利的。故建議設(shè)計(jì)單位在考慮橫梁與角碼的連接時(shí)，要考慮足夠的承載力。同時(shí)，在角碼與立柱的連接建議當(dāng)條件允許時(shí)盡可能采用3顆螺栓或螺釘，且平面布置應(yīng)合理，力求平面內(nèi)最大的抗扭抵抗矩。
③合理劃分板塊尺寸。玻璃自重是使橫梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的根本原因，玻璃板塊越大則自重越大，對(duì)橫梁產(chǎn)生的偏心力也越大，對(duì)橫梁的抗扭越不利。因?yàn)槟粔ν诟邔咏ㄖ袘?yīng)用得較為普遍，為保證建筑的立面效果，建筑越高，往往要求玻璃板塊越大，而板塊過大，對(duì)幕墻的設(shè)計(jì)與施工均帶來一定的難度。因此作為幕墻的設(shè)計(jì)人員，有必要與建筑的設(shè)計(jì)人員取得溝通，力求在矛盾的兩者之間取得平衡。
(2)施工方面
①嚴(yán)格控制角碼成孔質(zhì)量。角碼的成孔質(zhì)量對(duì)整個(gè)橫梁的安裝質(zhì)量起到很大的作用，而此工序又極易被忽視。通常角碼的孔徑應(yīng)比螺栓直徑大，但不要超過0.5mm。若孔徑過小或等于螺桿直徑則無法擰緊，過大則角碼易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。同時(shí)在成孔時(shí)，對(duì)鉆頭的質(zhì)量有一定的要求，即刃口的質(zhì)量必須要好，鉆頭的截面偏差要符合要求;成孔時(shí)要注意控制鉆進(jìn)度，速度過快易產(chǎn)生毛刺，速度過慢易造成擴(kuò)孔或孔壁不直。同時(shí)，成孔后必須對(duì)角碼的后背進(jìn)行逐個(gè)檢查，有毛刺的必須進(jìn)行及時(shí)清理。
②保證適當(dāng)?shù)臄Q緊力。對(duì)大部分的幕墻而言，角碼與立柱之間有部分力是通過接觸面的摩擦力傳遞的。故在施工時(shí)，必須保證螺栓或自攻釘適當(dāng)?shù)臄Q緊度。如果擰得不夠緊，肯定無法滿足要求，但絕不可擰得過緊。因?yàn)槿绻菟ㄟ^擰會(huì)給螺栓帶來隱性傷害，而這種傷害是致命的;同時(shí)擰得過緊易造成立柱的腹板產(chǎn)生變形。而這種螺栓過擰現(xiàn)象在施工現(xiàn)場極其}普遍且易被忽視。
③保證合理的施工順序。在安裝板塊時(shí)，建議板塊準(zhǔn)確定位后，先安裝板塊與立柱相鄰處的壓塊，待左右兩側(cè)的壓塊完全固定后再進(jìn)行板塊上部壓塊的固定，最后進(jìn)行板塊底部的壓塊固定。此種安裝方法可以有效降低板塊傳遞至橫梁上的重力。值得注意的是，壓塊的數(shù)量宜適當(dāng)加密，規(guī)格宜適 當(dāng)加大，尤其是經(jīng)常受臺(tái)風(fēng)襲擊的幕墻。
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