【BCW】原创丨玻璃幕墙横梁与立柱的连接方式

建筑幕墙2019-05-12 20:28:41

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 引言

玻璃幕墙包括幕墙构造设计和连接设计,构造设计遵循雨幕原理和等压腔原理,以保证幕墙的气密性能和水密性能,而幕墙的抗风压性能、平面内变形能力则由连接设计来保证。换言之,连接设计是幕墙结构安全的关键。幕墙的连接设计包括立柱与主体结构的连接和横梁与立柱的连接,本文仅讨论横梁与立柱的连接。

随着建筑幕墙技术的发展,幕墙横梁与立柱的连接有多种形式,而且还在不断涌现新的连接方式,在工程设计中常见的有角码插槽式连接、通长槽式连接、插销式连接、涨浮式连接、横梁插入式、角码与立柱的连接六种。


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角码插槽式连接

角码插槽式连接是指在横梁腔内的前后壁设计一对槽口,连接角码插入槽口内,横梁在角码上可以自由滑动,角码的另外一个面用螺钉固定在立柱上。因为横梁多采用半开腔式,可以保证具有一定的强度和抵抗矩(图1)。

由于角码与横梁是槽口配合,不需要用螺钉固定,所以横梁是浮动连接的,可以很好地吸收因温差引起的热胀冷缩。横梁两端各留2mm的间隙,打上密封胶填充缝隙起到定位作用,防止横梁窜动。考虑到抗震的要求,横梁槽口与角码之间要设计预留0.2~0.5mm的间隙,然而为了避免横梁在玻璃板块重力作用下偏转,槽口与角码之间又不应留有间隙。为了解决这一矛盾,需要设计合理的槽口高度,在满足平面内变形的同时最大限度地减小横梁的偏转。在微小的平面内变形情况下,变形可以由配合间隙吸收(图2),而大震下的平面内变形只有依靠铝合金角码的弹性变形来吸收(图3)。



图1 角码插槽式连接



图2 插槽式连接节点A



图3 插槽式连接节点B


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通长槽式连接

通槽式连接是横梁上设计通长槽口,六角螺栓的头部穿进槽口内,并可在槽口内滑动,但不能转动,再通过螺母把横梁固定在角码上(图4,5)。横梁利用通长槽可以吸收因温差产生的热胀冷缩。 

在风荷载的作用下,连接螺栓有松动的可能。为了避免螺栓连接松动,就必须把螺母拧紧,使连接牢固,也因此暴露出该形式的缺点:

(1)限制了平面内的变形能力。在地震作用下,幕墙会产生平面内变形。对于高层和超高层建筑,平面内变形随时都存在。由于横梁和角码处于紧密连接状态,不可能分离,变形只能借由铝合金角码的弹性变形来吸收。

(2)产生噪声。由于横梁与角码接触面较大,同时螺栓连接产生的压力大,摩擦力也大,在温度作用下横梁可能会产生一个急剧的窜动,因此会产生噪声。

为解决横梁的伸缩问题,同时又不会使横梁松动,可以采用双螺母的形式。当横梁放置在角码上,依次装上垫圈、弹簧垫圈、紧固螺母,当紧固螺母拧到位,固定住横梁之后(此时的螺母不需要拧得很紧),再把锁紧螺母装上,顶住第一个紧固螺母。这种做法的原理是两个螺母彼此压紧消除了螺纹间隙,从而起到止动作用。这种螺栓组对角码和横梁的压力不是很大,在温度作用下,横梁在角码上可以适度地伸缩滑动,不至于产生噪声。



图4 通槽式连接节点



图5 通槽式连接展示图


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插销式连接

常见的插销式连接有两种方式:弹簧销和固定销。


3.1
弹簧插销式连接

弹簧插销式连接是利用不锈钢销、弹簧、铝合金插芯组合成一个横梁连接件。最初的弹簧销连接件是双孔形式(图6)。

铝合金插芯长度为50mm,不锈钢销和弹簧装进铝合金插芯的圆孔内,使用专用冲头冲压铝合金插芯指定位置,将弹簧和不锈钢销卡住。推压不锈钢销压缩弹簧,钢销在圆孔内只有伸缩且不能脱出圆孔,则连接件组合成功。安装横梁时,用螺钉将插芯固定在横梁内壁上,压缩弹簧销,沿着立柱壁推送横梁,直到销钉进入立柱上预制的圆孔内。在弹簧的推动下,不锈钢销钉就会进入圆孔内完成横梁的安装。当因温差作用产生热胀冷缩时,横梁会通过压缩或拉伸弹簧来吸收变形(图7)。

这种连接件的缺点:铝合金插芯是依靠旋紧螺钉顶住横梁内壁,依靠摩擦力来固定插芯的(图8,9)。在风荷载的长期作用下,锁紧螺钉会松动,有致使连接失效的隐患。为了增加插芯的强度和安全性,在后来的工程中把双孔改作三孔(图10),插芯设计成矩形管状。铝合金芯管长度为30~40mm,其圆孔一端用螺钉封堵,把芯管装入横梁腔内,在横梁前端面用螺钉固定,依次把弹簧和不锈钢销(图11)装入芯管的圆孔内,反复推压不锈钢销,确定无卡死现象。将横梁贴近立柱内侧与立柱上预制的孔对齐,按压不锈钢销,同时推进横梁,直到不锈钢销弹入圆孔内使横梁就位,即完成横梁安装。

弹簧销式连接的优点:横梁设计为闭口型材,其强度和抗扭能力都比开口型材好。而三孔插芯的优点是采用螺钉把插芯和横梁固定,整体更加稳定,安全性更高。因为立柱的宽度通常为60mm以上,在加工立柱上的圆孔时,要注意保证立柱两边孔的同轴度,可以制作专业钻具来加工圆孔,以确保立柱两边横梁高度的准确。图12是钢龙骨幕墙的弹簧销连接,对于钢结构幕墙的横竖框连接非常方便。

虽然弹簧插销式连接安装比较方便,但是不锈钢销需要经过定制加工,矩形插芯的用材也要比铝合金角码多,制作成本相对较高。



图6 弹簧销连接件



图7 弹簧销组件



图8 弹簧销连接实例



图9 弹簧销-招行卡中心节点



图10 弹簧销-三孔



图11 不锈钢弹簧销



图12 钢结构幕墙弹簧连接


3.2
 固定销连接

固定销连接是把不锈钢销通过螺栓固定在铝合金插芯上,用螺母固定住,与横梁组合后安装(图13)。安装时,需要先把钢销插入立柱的预留孔内,然后再用螺钉把横梁和插芯组件固定在一起,其安装比弹簧销略麻烦。

插销式连接是通过不锈钢销插在铝合金立柱上预制的孔内实现连接的。横梁因温度作用引起热胀冷缩时,弹簧销可以由弹簧的伸缩来吸收,而固定销就只能由钢销和孔壁的相对活塞运动来吸收。由于风荷载无时不在,横梁所承受的力由连接件传递给立柱,因此连接件的钢销与立柱孔壁始终处于“活塞”微运动之中,铝合金立柱的孔就一直处在被不锈钢销“啃咬”的状态下。在长期蠕动啃咬的作用下,立柱上的圆孔就会变形成为椭圆孔,横梁连接的精度和牢固度就会降低。在转角连接位置,横梁通常都是与立柱呈45°角连接(仅就直角连接而言),那么就需要在立柱上钻斜孔,斜孔加工必须要用专用钻具来保证加工质量,这样势必就要增加制作加工的成本。斜孔边沿呈锐利的尖角,抵抗挤压的能力更弱,日久天长,在不锈钢销的挤压下必然变形,连接的牢固度必然降低。因此采用插销式连接就要注意:幕墙的分格不宜太大;立面造型复杂、平面转折较多的幕墙不适宜采用;不要在高层尤其是超高层幕墙上采用;不要在大悬挑、仅单侧有横梁连接的幕墙位置采用;需要制作专用钻具加工立柱连接孔,以保证孔的位置精度。



图13 固定销


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涨浮式连接

顾名思义,涨浮式就是利用连接件在横梁腔体内依靠紧配合来固定横梁的方式(图14)。

这种方式的连接件是利用挤压铝合金型材,把型材切割成与横梁腔体相匹配的长度,用螺钉或螺栓预先固定在立柱上,然后再把横梁安装在连接件上。连接件上下端面的凹槽内嵌入橡胶条,利用胶条的弹性挤压住横梁内壁来固定横梁。横梁两端与立柱之间留有1~2mm的间隙,可以吸收横梁伸缩变形;凸台1.5mm的高度间隙可以吸收地震作用引起的平面内变形(图15)。由于连接件和横梁内腔是紧密配合,因而横梁的抗扭能力较强。

图16所示是涨浮式连接的一种改进形式。用螺栓把不锈钢套管紧固在立柱上,在角码上铣一个槽,横梁与角码组合固定,利用滑槽推送横梁直到槽口卡在套管上,安装即告完成。这种方式制作稍复杂,但是安装、拆卸比较方便。



图14 涨浮式连接



图15 涨浮式连接平面内变位示意



图16 涨浮式连接的滑槽安装形式


横梁插入式

这种连接方式以沈阳黎明铝窗公司开发的150系列幕墙为代表(图17)。

横梁插入式,即将玻璃幕墙横梁的两端插入到立柱的前端槽口内(图18)。相对于目前常见的连接方式,这套系统结构设计非常合理,性能优越,有其独有的特点: 

(1)抗风荷载能力强。由于横梁是插入到立柱的槽口内,其前后壁与立柱接触面大,横梁所承受的水平风荷载可以直接传递给立柱,连接横梁和立柱的角码仅承担玻璃板块和横梁自身的重力荷载(图19)。在玻璃幕墙所承受的荷载中,风荷载远大于重力荷载,而重力是静荷载,风荷载是时时变化的交变荷载(动荷载)。在动荷载的长期作用下,连接角码的螺钉会逐渐松动,有连接失效的隐患。这种横梁插入立柱的连接方式避免了螺钉承受风荷载,因此其连接的可靠性、安全性更好,抵抗风荷载的能力更强。

(2)抗扭能力强。由于玻璃板块放置在横梁的前端,致使横梁承受偏心压力而产生扭矩。在这种情况下,除了横梁自身需要有足够的抗扭抵抗矩外,目前的连接方式都是由角码来抵抗横梁的偏转,这也就给固定角码的螺栓或螺钉增加了额外的荷载。而在这套幕墙结构中,横梁和立柱的接触面比较大,横梁又是闭腔结构,强度很好,可以有效地避免横梁的偏转,同时由于角码只承担玻璃和横梁的重力荷载,不承担扭矩,连接螺钉不受其他影响,因此,横梁整体的抵抗扭转能力非常好(图19)。

(3)横梁和立柱之间留有10mm的间隙,用以吸收因温度作用产生的变位(图20)。横梁与立柱的间隙设置了一个托胶块(海绵橡胶),在托胶块上打上密封胶,这样既限制了横梁的窜动,又做到了横梁与立柱之间的密封,达到分层排水的目的,提高了水密性能。

(4)横梁是浮搁在角码上的,不用螺钉固定。在地震作用时,横梁可以自由摆动,从而吸收地震作用引起的平面内变形(图21)。这套150C幕墙系统在八九十年代被广泛应用于大江南北的建筑幕墙中,如南京的凤凰台酒店(项目名称:云湖大厦)和江东门大厦的玻璃幕墙。



图17 沈阳黎明150系列隐框幕墙节点



图18 沈阳黎明150幕墙横剖节点



图19 沈阳黎明150幕墙竖剖节点



图20 沈阳黎明150C幕墙连接节点



图21 沈阳黎明150C幕墙变位示意


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角码与立柱的连接

连接是玻璃幕墙安全性的关键。玻璃幕墙横竖框的连接必须安全可靠,既要保证“牢”,以抵抗风荷载和重力的作用;又要满足“活”,来保证地震作用引起的平面内变形和温度作用引起的热胀冷缩的需要,同时还要考虑到幕墙的制作安装、维护更换。

《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102-2003)中关于幕墙构造设计的第4.3.1条规定“玻璃幕墙的构造设计,应满足安全、实用、美观的原则,并应便于制作、安装、维护保养和局部更换。”

仅就“牢”与“活”的要求而言,在上述的几种连接方式中,横梁插入式连接构造设计合理,安装、局部更换都很方便,无疑是解决这对矛盾的最佳方式。其唯一的缺点就是单位平米的材料消耗略高。

角码涨浮式连接的构造设计也是一种非常合理的连接方式,闭腔式横梁的力学性能最好,抵抗弯矩和抗扭能力很强,材料消耗比较低,性价比高。不足之处是安装和更换不太方便,其改进方式值得采纳。

角码插接式、通长螺栓槽式能够满足抗弯和抗扭要求,但是略逊于角码涨浮式连接。这两种方式的横梁都是半开腔构造,其强度和抗扭能力不如闭腔式横梁,且通长螺栓槽式如果设计考虑不周,会有螺栓连接失效的隐患。比较而言,角码插接式又较通长螺栓槽式合理。

《玻璃幕墙工程质量检验标准》(JGJ/T139-2001)中5.1.11第二条规定“梁、柱连接应牢固不松动”。这个要求和幕墙需要有一定的变位能力相悖,不符合幕墙性能所需的“活”的要求。建筑幕墙结构设计理论均源于钢结构规范,幕墙横梁与立柱的连接也应该遵循钢结构的要求。就像钢结构的横梁通常要搭接在钢立柱的牛腿支座上一样,幕墙横梁与立柱的连接也应该如此。首先,要保证角码与立柱连接牢固,横梁搭接在角码上,并保证一定的轴向自由度。《金属与石材幕墙工程技术规范》(JGJ133-2001)第7.3.3条要求“应将横梁两端的连接件安装在立柱预定的位置,并应安装牢固”是符合薄壁杆件连接规则的。就这一点而言,横梁插接式、角码插槽式、通长螺栓槽式以及角码涨浮式都是符合要求的连接方式,而插销式连接则不符合规范和薄壁杆件连接的要求。

《玻璃幕墙工程质量检验标准》(JGJ/T139-2001)第5.2.11还规定“不能采用自攻螺钉”。言外之意是只能采用机制螺钉或者螺栓连接,笔者认为这一要求不符合机械连接的原理和实际情况。

机制螺钉需要和螺母或者螺纹孔配合使用,用来压紧、锁紧工件。国标机制螺钉是三角螺纹,螺纹角度60°,螺距、牙高较小,多用于可拆卸连接。自攻螺钉不需要配合螺母使用,无须攻丝,是靠其自身的螺纹,将被固定体“钻、挤、压、攻”出相应的螺纹,使之相互紧密配合。

按照这一条款的要求,很多幕墙系统的连接设计采用贯穿螺栓来固定立柱两边的角码,但是螺栓连接要预先钻孔,螺栓和圆孔是间隙配合,螺栓与角码、立柱孔壁的间隙较大,在玻璃板块重力的作用下,必然导致角码和横梁偏转。同时,立柱宽度最小也要60mm,框架式幕墙立柱的连接孔通常都是现场加工,两面通孔的同轴度不高,会使两边的角码产生偏差。安装过程中因为螺栓与孔的间隙也会造成偏差,各种偏差的累积会致使两边相邻的横梁高度偏差较大。为了把横梁安装准确,首先要保证角码安装位置的准确、牢固,因此采用螺栓连接时,要在角码上预先留两个普通圆孔和一个沉头孔,用两个螺栓通过圆孔固定角码,位置调整准确后,再用一个沉头螺钉把角码拧紧定位,以避免其偏转。

自攻螺钉是靠挤压力强行旋进铝合金型材中,从机械连接的原理讲,由于自攻螺钉的螺距和牙高比较大,在铝合金型材上挤压出的是梯形螺纹,螺纹比普通螺钉的螺纹粗大,结合力更大,和铝合金立柱结合更紧密,抗拉能力更好。需要注意的是,立柱型材连接处的壁厚不能太薄,要和自攻螺钉相匹配。表1为某公司做的自攻螺钉抗拉性能试验的报告,充分证明了自攻螺钉和铝合金型材连接的抗拉强度和抗剪强度都能够满足要求。


表1 自攻螺钉抗拉试验报告



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结语

综上所述,横梁的连接关系到幕墙整体的稳定性和牢固性,以及幕墙的抗变位能力。幕墙横梁与立柱的连接应遵循以下原则:1)角码必须和立柱连接牢固,不得产生滑动和转动;2)横梁与横梁角码之间的连接应该是浮动的,以保证横梁在温度作用下的伸缩变形和在地震作用下的平面内变形能力;3)横梁及连接件设计要工艺简单,易于加工,安装方便,同时要便于局部更换。

建筑玻璃幕墙因其具备美观、时尚、耐久性强等优点而得到普遍使用。在玻璃幕墙设计过程中,玻璃幕墙构造连接方式的选择至关重要,一旦选择不当,将导致建筑玻璃幕墙性能的降低乃至缩短建筑幕墙的使用寿命。建筑幕墙安全性的关键在于连接的安全。因此,幕墙连接设计一定要坚持安全性、适用性的原则,做到“弱点强连”,避免安全隐患。


作者简介:金绍凯,华建集团华东都市建筑设计研究总院幕墙设计研究中心总工程师。毕业于沈阳航空工业学院,从事幕墙设计近三十年,曾就职于沈阳黎明铝门窗工程公司,沈阳远大铝业工程有限公司。主要参与项目:哈尔滨昆仑商城,东莞行政中心,广州发展中心大厦,温州世贸中心,无锡红豆国际广场,京沪高铁虹桥枢纽,常州广电传媒中心,南昌银行,国家电网世博馆、上海世博中心,杭州来福士,长春国际金融中心,济南汉峪商务中心等。


注:本文系原创,已刊登在《建筑幕墙》2016年7月第三期杂志中。

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