立柱與橫梁的連接設計_第1頁
立柱與橫梁的連接設計_第2頁
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文檔簡介

2.立柱與橫梁的連接設計立柱與橫梁的連接設計是幕墻設計中的一個難點。這是因為抵抗風荷載要求的是個“牢”字,而吸收地震作用和溫差產(chǎn)生的熱應力則要求個“活”字。設計時只有把這兩個看似矛盾要求統(tǒng)一起來,才有可能是好的結構。而玻璃對橫梁又是偏心壓力,容易造成橫梁偏轉,這又是一個立柱與橫梁設計中很棘手的問題。所以盡管立柱與橫梁的連接的方法種類繁多,但好的設計很少。比較典型的結構有以下幾種: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140系列幕墻為代表。這套140系列幕墻結構設計很合理,性能優(yōu)越,能夠獨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)有的構件式幕墻結構,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留槽內(nèi)(如圖11中1所示),其特點和安裝方法如下:圖11①橫梁所受的正負風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)。對螺紋連接威脅最大的就是像風荷載這樣一直存在、時時變化的交變荷載。在長期的交變荷載作用下,如無防脫措施,螺紋連接早晚是要失效的。而這種立柱夾持橫梁的結構因螺紋連接不承受風荷載,所以其安全性、可靠性和抵御風荷載的能力非常好。②橫梁承受玻璃的偏心壓力后定會產(chǎn)生扭矩,為使橫梁能夠有效的抵抗該扭矩,不產(chǎn)生偏轉,必須注意以下兩個方面:一,橫梁與立柱的連接處有足夠的強度來對橫梁限位;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構,橫梁與立柱的接觸比較充分,立柱和橫梁的強度很好,在橫梁與立柱接觸的局部產(chǎn)生的變形微乎其微,橫梁角碼也不承擔扭矩,這樣可有效避免橫梁整體偏轉。而且其橫梁的閉腔結構的抗扭截面模量遠遠大于開腔橫梁,抵抗扭轉的能力也很好。③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。④橫梁浮擱在橫梁角碼上,在地震平面變形時可自由擺動,吸收地震作用,如圖12所示。⑤黎明的140系列幕墻唯一的缺點,就是每平方米要多用一公斤左右的鋁料。在目前的市場環(huán)境看來,這可能也是致命的缺點。圖12圖13橫梁安裝時如圖13虛線所示,斜著把橫梁推到立柱間合適位置,轉成水平位置后,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,在其上打密封膠對橫梁與立柱進行密封,并可限制橫梁,使其不左右竄動。(2).角碼脹浮式這種角碼脹浮式連接方法結構設計合理,性能出色,造價也很有優(yōu)勢,非常值得推廣應用,其主要特點如下:圖14①在相同的用料情況下,橫梁和立柱的這種方盒式結構強度最好,慣性矩、抵抗矩和抗扭截面模量是所有橫梁和立柱結構形式里最大的,橫梁本身抵御彎矩和扭矩的能力是非常出色的。②這種方盒結構,橫梁通過角碼把力傳遞給了立柱,所以角碼本身的強度和與立柱連接強度,對幕墻的性能至關重要。角碼與立柱不宜用螺釘或穿堂螺栓來連接,應該用沉頭自攻釘,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。在安裝角碼過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,需要在立柱上開大孔,穿入一個不銹鋼套管。這樣不僅增加了加工和材料成本,安裝時也很困難。而且因螺桿與穿孔之間是間隙配合,在抵抗風荷載產(chǎn)生的彎矩和自重產(chǎn)生的扭矩時,對角碼限不住位,橫梁易產(chǎn)生扭轉。b強烈呼吁不要使用螺釘。螺釘安裝時先攻絲,再把釘擰進去。實際上它是個間隙配合,容易進入水分,產(chǎn)生電化學腐蝕,影響立柱上螺紋的強度。和螺栓一樣,它也存在螺釘和穿孔之間是間隙配合的問題。c自攻釘是強行擰入的,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制釘更粗大,受力更好(鋁的強度遠遠低于鋼材,立柱上的螺紋是最薄弱的)。自攻釘應用沉頭的,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題。立柱安裝自攻釘?shù)木植亢穸炔粦∮?mm,角碼加工沉孔部位的厚度7~8mm較為合適。自攻釘規(guī)格應選擇ST4.8,數(shù)量4個,安裝時釘頭掛一點密封膠。③橫梁角碼與橫梁之間的前后總間隙(如圖14放大圖所示)應不大于0.2mm。這樣橫梁兩端被整個橫梁角碼脹住(如圖14中2所示),限制了橫梁扭轉。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,所以本結構取名為角碼脹浮式。這種結構各連接部位和橫梁本身都可以有效限制扭轉,所以它在這些幕墻結構中抗扭能力最強。④它的防震、減噪和吸收熱應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隙應通過計算而定,但取2mm一般也就足夠了。間隙需打膠進行密封,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,有些想當然了。這種連接方法在加工和安裝時均有一些要求,對最后整個幕墻的質(zhì)量非常重要,具體如下:①角碼下料尺寸應根據(jù)橫梁內(nèi)腔進行配切后確定。②橫梁下部兩側需沖或銑一個比角碼厚度大1mm的豁口。③橫梁角碼與橫梁接觸的上部兩個角部最好倒園,安裝橫梁方便。④鉆立柱上橫梁角碼連接孔時最好用鉆模定位(孔別鉆的比自攻釘直徑還大)。⑤安裝時先將角碼掛在橫梁兩側,然后將橫梁放入立柱之間。用自攻釘擰入立柱上預鉆好的孔,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格定義的話,也應屬于角碼插接式。區(qū)別在于角碼脹浮式是整個角碼與橫梁內(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腔結構。圖15①由于角碼插接式與橫梁也是浮動連接,所以它的減噪和吸收熱應力性能也同樣很好。②角碼脹浮式是整個角碼與整個橫梁內(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度不如角碼脹浮式。③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1/20~1/40,所以不宜把橫梁設計成開腔結構。尤其重要的一點是即便是開腔橫梁加了扣板,它也只能按開腔型材進行計算,不能想當然地認為它是閉腔的。抗扭截面模量的具體計算方法可以查閱有關材料力學書籍。④角碼橫向插接式角碼與橫梁配合間隙(如圖15放大圖)如按防扭設計,應該取0~0.5mm為宜,如因型材誤差及防震設計的要求間隙不應小于1mm,這個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。⑤半閉腔橫梁因安裝空間狹小,一般安裝兩個螺栓或兩個自攻釘,并且角碼較小,所以角碼與立柱的連接強度不好,容易產(chǎn)生扭轉。角碼插接式如采用半閉腔橫梁,且設計合理的情況下,是可以考慮使用的。(4).通槽螺栓式通槽螺栓式的橫梁上有通長槽口可以讓螺栓帽在里面滑動但不能轉動。安裝角碼時。將其用螺母與預置在槽口內(nèi)的螺栓連接牢固(如圖16所示)。這個結構的本意可能是通過橫梁與角碼之間可滑動,來吸收溫差帶來的變形,應該說這樣處理,達到了這個目的。但是它解決了一個問題的同時卻帶來了一些更大的問題。圖16①螺紋連接失效問題這種結構螺栓在熱應力產(chǎn)生的蠕動作用下,如無可靠的的防脫落措施情況下,很容易失效。前文提到過在風荷載的作用下螺紋連接易失效的問題,而熱應力比風荷載更難防范,并且它時時刻刻在起作用。②噪音擾人的問題不要以為橫梁與角碼之間可滑動就可以不產(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)生的熱應力一開始并不足以克服靜摩擦力,隨著溫差加大,這種力量越來越強。最后就會超過克服靜摩擦力的臨界值,突然產(chǎn)生相對滑動,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。而噪聲的強度取決于以下幾個要素:壓力,剛性接觸面積,表面摩擦系數(shù)。相應的,我們降低噪聲強度的辦法是: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,當玻璃板塊超大超重的時候,可以根據(jù)幕墻結構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,一般人耳很難聽到。而螺栓的夾緊力是玻璃板塊重量的4~20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。生活中我們對噪聲擾人都是很反感的,己所不欲,勿施于人,作為一個有職業(yè)道德的從業(yè)人員,應慎重使用通槽螺栓式和雙向鎖死式結構。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。③通槽螺栓式也存在和角碼插接式第②、③、⑤一樣的問題④強烈地震時結構易被破壞問題在地震時,該結構橫梁角碼與立柱和橫梁均連接牢固沒有變形余地,對立柱的變形起了阻礙作用。而當?shù)卣饛姸容^大時,立柱隨主體結構產(chǎn)生的平面變形量也是很大的。當推動立柱變形的地震作用大于橫梁和角碼的阻礙作用時,會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被拉豁。當然地震的作用方式可以是橫波或縱波,橫梁與立柱各個連接部位的強度也是不一樣,破壞方式不一定非得是圖17所示意這樣的。但強烈地震時,這種雙向鎖緊的結構的確容易出現(xiàn)被破壞問題,這也是不爭的事實。當幕墻結構的安全性面臨威脅的時候,是不是應該從自身設計上反省一下呢?圖17地震中橫梁和立柱連接破壞示意(5).雙向鎖死式通槽螺栓式如嚴格定義的話,也應屬于雙向鎖死式。區(qū)別在于通槽螺栓式比雙向鎖死式要強那么一點點: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,連機會都沒有。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)點如圖18。圖18雙向鎖死式除了擁有通槽螺栓式全部的缺點外,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2mm計算,其撓度值高達37,而橫梁的允許變形只有7.8mm,可見不考慮熱脹冷縮的因素危害有多大。實際上,產(chǎn)生這么大的撓度是根本不可能的,因為如此大的熱應力早就把橫梁與角碼連接處的薄弱部位給破壞了,常見的是將橫梁拉成長孔。如使用螺栓連接可能還好一點,用了其他幾種連接,在熱應力的反復作用下,其連接是很容易要失效的。某幕墻企業(yè)用類似的結構做的幕墻,曾發(fā)生過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產(chǎn)和生命面臨威脅。不可否認的是這種設計思想和方法,存在先天性的不足,給安全帶來極大的隱患。經(jīng)過對這些常見的幕墻與橫梁的連接結構的分析,總結出以下的方法和原則:(1).橫梁應采用盡量采用閉腔式結構。閉腔式結構不容易失穩(wěn),其壁厚一般較開腔式薄,不管從性能上還是經(jīng)濟性上都有優(yōu)勢。(2).橫梁與橫梁角碼的連接必須是浮動連接,并有平面變形空間,用以防震、減噪和吸收熱應力。(3).必須保證橫梁角碼與立柱的連接強度,讓它們之間不產(chǎn)生相對滑動和轉動。(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構可以被維修。綜上所述,角碼脹浮式因其各種性能均很出色(連接強度、抗扭、抗風壓、防震、減噪、吸收

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