玻璃幕墻掛鉤式開啟窗五金系統(tǒng)安全性分析

李 聰，張喜臣

（中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

玻璃幕墻開啟窗常見工程質(zhì)量問題主要有：玻璃外片脫落、開啟窗整體脫落、五金系統(tǒng)故障等。在單元式玻璃幕墻常采用的掛鉤式開啟窗出現(xiàn)安全性問題的頻率較高。其常見的破壞形式有兩種：一是開啟窗型材角部破壞、另一是開啟窗脫鉤造成的整體脫落。某掛鉤式玻璃幕墻開啟窗整體脫落的事故現(xiàn)場(chǎng)如圖1、圖2 所示。

圖1 開啟窗整體脫落工程現(xiàn)場(chǎng)

圖2 開啟窗扇組角斷裂部位

經(jīng)事后調(diào)查分析，發(fā)生開啟窗脫落的主要原因是事發(fā)前施工現(xiàn)場(chǎng)未正常鎖閉開啟窗，在強(qiáng)風(fēng)反復(fù)作用下，開啟窗風(fēng)撐和窗扇連接失效，失去了風(fēng)撐的限位作用，開啟扇頂部與橫梁反復(fù)撞擊導(dǎo)致型材組角部位斷裂，從而導(dǎo)致開啟窗整體脫落。所以為了保證掛鉤式開啟窗的安全，應(yīng)做好開啟窗五金系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制好施工安裝質(zhì)量以及注意平時(shí)使用維護(hù)等幾方面工作。

本文通過對(duì)掛鉤式開啟窗五金系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，比較不同五金配置對(duì)開啟窗安全性能的影響，進(jìn)而為開啟窗的設(shè)計(jì)、施工提供一定的參考。

1 計(jì)算模型

計(jì)算模型主要分析在開啟狀態(tài)下的五金系統(tǒng)主要受力部件（包括限位器、風(fēng)撐），在設(shè)計(jì)風(fēng)荷載和開啟窗自重荷載作用下的力學(xué)性能是否滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

1.1 模型材料參數(shù)

開啟窗各部分材料如下：窗扇型材為鋁合金，內(nèi)部鑲嵌中空玻璃；上部限位器為鋁合金材料，撐擋為不銹鋼材料。材料的物理參數(shù)如表1 所示。

表1 材料參數(shù)表

1.2 計(jì)算工況

為了完整分析結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)計(jì)算工況分為表2 所示 3 種。

表2 所用工況表

各工況下模型的計(jì)算方法為先整體，后局部的計(jì)算方法。首先，先對(duì)整個(gè)開啟窗模型進(jìn)行分析，采用彈性方法進(jìn)行計(jì)算，將重力和設(shè)計(jì)風(fēng)荷載施加在模型受力面上，計(jì)算出各約束處的約束反力。然后，建立限位器、撐擋扇上部件和框上部件精細(xì)的有限元模型，并將整體模型所得的約束反力作為荷載精細(xì)有限元模型上，進(jìn)行彈塑性分析。最后，根據(jù)彈塑性有限分析結(jié)果評(píng)估整個(gè)模型的承載能力和安全性。下面具體分析每一工況下開啟窗的五金系統(tǒng)主要受力部件的承載能力。

2 有限元分析結(jié)果

2.1 工況一：撐擋及限位器均正常工作

整體模型包括：窗扇（含玻璃）、上部限位器、頂部掛鉤以及窗框與窗扇間連接的撐擋。整體模型如圖3 所示。

圖3 整體模型圖

模型采用映射網(wǎng)格劃分方法，劃分之后總計(jì) 15 770 個(gè)單元。對(duì)于主體模型單元采用殼單元進(jìn)行模擬，對(duì)于下部?jī)蛇叺膿螕醪考捎镁€單元進(jìn)行模擬。模型建立時(shí)沿短邊自左向右布置為X正方向，長(zhǎng)邊方向自下向上為Y正方向，垂直于玻璃面并指向窗外為Z正方向。模型建立完成后，對(duì)模型施加邊界約束條件。針對(duì)模型的實(shí)際工作狀態(tài)，分別對(duì)撐擋支撐桿末端、上部限位器和頂部掛鉤三處施加約束［1-3］。

1）開啟窗約束反力。分析在風(fēng)荷載 2.19 kPa 和重力荷載條件下，各個(gè)約束端全部正常工作時(shí)，整體模型的各個(gè)約束處的力的大小。通過計(jì)算可得，整體模型在工況一下得出的約束反力如表3 所示。

表3 整體模型約束反力統(tǒng)計(jì)表

將得到的約束反力加在撐擋扇上部件、框上部件及限位器模型上，并對(duì)其進(jìn)行彈塑性分析，從而判斷各個(gè)約束部位的工作狀況。

2）限位器分析。整體模型采用自由劃分的方法劃分網(wǎng)格，共 4 000 個(gè)單元，實(shí)體部分采用實(shí)體單元。對(duì)模型上的 3 個(gè)固定螺絲孔施加約束，作為模型的約束條件，將之前所得限位器底端承受的荷載加載到限位器下部突出處。考慮到限位器并非下部整體受力，故僅在下部一半長(zhǎng)度上的單元結(jié)點(diǎn)上施加荷載，模擬較為真實(shí)的限位器與開啟窗的接觸情況。

模型建立完畢，采用彈塑性分析方法分析模型受力后的變形與應(yīng)力狀況。計(jì)算結(jié)果分位移向量及等效塑性應(yīng)力，分別如圖4、圖5 所示。

圖4 限位器位移向量圖

圖5 限位器等效塑性應(yīng)力圖

由計(jì)算結(jié)果可知，限位器的位移主要發(fā)生在端部受力部分，最大位移為 0.46 mm。從應(yīng)力云圖上可以看出，荷載作用下，絕大部分區(qū)域處在彈性范圍內(nèi)，較大的塑性應(yīng)力僅發(fā)生在力作用部位小范圍內(nèi)，塑性應(yīng)力發(fā)展區(qū)域約占寬度的 1/2，且沒有貫通。因此，限位器是安全的。

3）撐擋扇上部件分析。整體模型采用自由劃分的方法劃分網(wǎng)格，共 224 個(gè)單元，實(shí)體部分采用殼平面單元。對(duì)模型上的兩個(gè)固定螺絲孔施加約束，作為模型的約束條件，將之前所得撐擋支撐桿末端的荷載加載于下部連接孔處。考慮到連接孔并非全孔受力，故僅在與撐擋支撐桿相接觸的半圓區(qū)域結(jié)點(diǎn)上施加荷載，以此來(lái)模擬較為真實(shí)的撐擋扇上部件與窗扇的接觸情況［4，5］。

模型建立完畢，采用彈塑性分析方法分析模型受力后的變形與應(yīng)力狀況。計(jì)算結(jié)果分位移向量及等效塑性應(yīng)力，分別如圖6、圖7 所示。從位移云圖可以看出，位移主要集中在受力螺孔周圍，并且距離約束螺孔越遠(yuǎn)位移越大，最大位移 0.065 mm。從塑性等效應(yīng)力云圖中可以看出荷載作用下，絕大部分區(qū)域處在彈性范圍內(nèi)，較大的塑性應(yīng)力僅發(fā)生在中間螺孔周邊區(qū)域的極小范圍內(nèi)，最大值為 312 MPa，且沒有貫通。所以可以得出結(jié)論：撐擋扇上部件也是安全的。

圖6 撐擋扇上部件位移向量圖

圖7 撐擋扇上部件等效塑性應(yīng)力圖

4）撐擋框上部件分析。主體底板模型采用自由劃分的方法劃分網(wǎng)格，兩邊的肋板及擋板采用映射劃分的方法，劃分完成后共 2 993 個(gè)單元，實(shí)體部分采用殼平面單元。對(duì)模型上的兩個(gè)固定螺絲孔部分區(qū)域施加約束，將實(shí)際中受拉力作用區(qū)域的約束放松，以此作為模型的約束條件，將之前所得撐擋支撐桿承受的荷載分別施加到撐擋框上部件擋塊上和撐擋框上部件右側(cè)與實(shí)際連接滑塊長(zhǎng)度相等的單元結(jié)點(diǎn)上，以此來(lái)模擬撐擋框上部件與撐擋支撐桿的接觸情況。

模型建立完畢，采用彈塑性大變形分析方法分析模型受力后的變形與應(yīng)力狀況。計(jì)算結(jié)果分位移向量及等效塑性應(yīng)力，最終一步計(jì)算后所得結(jié)果分別如圖8、圖9 所示。

圖8 撐擋框上部件位移向量圖

圖9 撐擋框上部件等效塑性應(yīng)力圖

從位移向量云圖可以看出，位移主要發(fā)生在受力位置邊緣及其相對(duì)的肋板邊緣，呈受力彎曲形狀，位移向兩邊減小，最大位移為 3.063 mm。再觀察塑性等效應(yīng)力云圖，可以看出荷載作用下，絕大部分區(qū)域處在彈性范圍內(nèi)，較大的塑性應(yīng)力僅發(fā)生在下部約束螺孔周邊區(qū)域的范圍內(nèi)，并且塑性應(yīng)力區(qū)域向上發(fā)展，大部分區(qū)域塑性應(yīng)力較小，局部小范圍有集中的較大應(yīng)力，但沒有貫通，所以撐擋框上部件也是安全的。

5）結(jié)果分析。由各個(gè)構(gòu)件的彈塑性分析結(jié)果可知，當(dāng)上部?jī)蓚?cè)限位器和下部?jī)蓚?cè)撐擋均正常工作情況下，各個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力并未超過極限抗拉強(qiáng)度，雖在局部出現(xiàn)塑性應(yīng)力區(qū)，但應(yīng)力區(qū)并未貫通，且應(yīng)力沒有達(dá)到極限強(qiáng)度，因此，整體結(jié)構(gòu)是安全的。

2.2 工況二：僅有上部限位器正常工作

盡管結(jié)構(gòu)安裝限位器之后對(duì)結(jié)構(gòu)的整體安全性及穩(wěn)定性均有改善，但是在實(shí)際服役過程中，上部的限位器與下部的撐擋基本上不能實(shí)現(xiàn)同時(shí)發(fā)揮作用，這也就導(dǎo)致了不可能同時(shí)產(chǎn)生破壞。因此有必要分析當(dāng)下部的兩處撐擋發(fā)生破壞后，僅有上部的限位器繼續(xù)服役時(shí)結(jié)構(gòu)的整體情況。

1）僅有上部限位器工況下開啟窗整體模型的約束反力。分析在實(shí)際風(fēng)荷載和重力作用下，僅有上部限位器約束時(shí)，整體模型約束力的大小。通過計(jì)算可得，整體模型在下端撐擋支撐桿的約束處產(chǎn)生的限位器約束力為 23.43 kN，此力通過窗框上部一處突出塊體施加在窗框上，進(jìn)而對(duì)開啟窗模型施以反力。

將得到的約束反力加在限位器模型上，并對(duì)其進(jìn)行彈塑性分析，從而判斷各個(gè)約束部位的工作狀況。

2）限位器分析。此處的力學(xué)分析模型與之前相同，僅在荷載大小上發(fā)生變化。采用彈塑性方法進(jìn)行計(jì)算，采用分級(jí)加載，共分 10 級(jí)，當(dāng)荷載加載到第 2 步時(shí)，計(jì)算不收斂。第 1 步的計(jì)算結(jié)果如圖10、圖11 所示。

圖10 限位器位移向量圖

圖11 限位器等效塑性應(yīng)力圖

位移向量云圖中最大位移 1.423 mm，主要集中在限位器與窗體接觸部位的邊緣，極易導(dǎo)致二者之間發(fā)生脫離；從塑性等效應(yīng)力云圖中可以看出在工況二狀態(tài)下，限位器底部邊緣地區(qū)極易出現(xiàn)塑性屈服，當(dāng)其屈服破壞后，限位器便會(huì)喪失約束能力，進(jìn)而導(dǎo)致開啟窗模型整體破壞。

3）結(jié)果分析。經(jīng)過以上計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下部撐擋失效或由于安裝原因而無(wú)法正常工作、或者下部撐擋先后發(fā)生破壞時(shí)，整個(gè)開啟窗模型的穩(wěn)定性則完全由上部的兩側(cè)限位器來(lái)維持。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，限位器底部邊緣極易發(fā)生屈服破壞，產(chǎn)生塑性變形。一方面由于限位器自身強(qiáng)度不足產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致限位器自身無(wú)法繼續(xù)約束開啟窗；另一方面當(dāng)塑性變形增大到一定程度時(shí)，限位器與開啟窗之間的接觸變得極不牢靠，極易發(fā)生脫離，從而喪失約束能力。經(jīng)過以上計(jì)算分析，表明結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全無(wú)法繼續(xù)服役了。又因?yàn)榭偤奢d為 2.34 kN，所以當(dāng)加在限位器上的荷載超過 4.69 kN時(shí)，限位器就會(huì)發(fā)生破壞。

2.3 工況三：上部限位器正常工作，下部撐擋僅單側(cè)處于正常工作狀態(tài)

在上部限位器正常安裝狀態(tài)下，下部撐擋約束由于安裝誤差或使用磨損而可能導(dǎo)致某一側(cè)撐擋失效，致使下部撐擋約束產(chǎn)生僅單側(cè)處于正常工作的狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，單邊的撐擋約束是否能維持開啟窗的安全穩(wěn)定性，是工況三主要考察的問題。

分析在風(fēng)荷載和重力作用下，上部限位器正常安裝，下部右側(cè)撐擋為單邊正常工作狀態(tài)時(shí)，整體模型約束處力的大小。通過計(jì)算可得，整體模型在下端右側(cè)撐擋支撐桿及限位器的約束處產(chǎn)生的約束力如表4 所示。

表4 整體模型約束反力統(tǒng)計(jì)表

由于下部撐擋單邊正常工作，導(dǎo)致整體開啟窗模型約束反力的不對(duì)稱，故而上部?jī)蓚?cè)的限位器約束反力值出現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象。

根據(jù)之前的結(jié)論可知，當(dāng)限位器上施加的荷載超過4.69 kN時(shí)，限位器就會(huì)發(fā)生破壞，而此時(shí)左側(cè)限位器上所施加的荷載已經(jīng)達(dá)到 11.07 kN，所以在該過程中左側(cè)限位器最先破壞。當(dāng)左側(cè)限位器破壞后，開啟窗模型僅剩右側(cè)撐擋支撐桿與右側(cè)限位器約束發(fā)揮作用，此時(shí)的約束反力值統(tǒng)計(jì)如表5 所示。

表5 左側(cè)限位器破壞后約束反力統(tǒng)計(jì)表

當(dāng)僅剩右側(cè)撐擋與右側(cè)限位器約束之后，對(duì)比工況一可知，此時(shí)撐擋約束上的力已然超過了撐擋破壞時(shí)所受的力，因此撐擋會(huì)隨之發(fā)生破壞。之后僅留下右側(cè)限位器，也很快發(fā)生破壞。因此最終的破壞順序?yàn)樽髠?cè)限位器最先破壞，進(jìn)而導(dǎo)致右側(cè)撐擋發(fā)生破壞，最終右側(cè)限位器發(fā)生破壞，這便是整個(gè)工況三狀態(tài)下開啟窗模型的破壞順序與機(jī)理。

基于上述三種工況下的計(jì)算分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：首先，在進(jìn)行限位器加固，且工作正常的情況下，由于限位器的約束作用，而使撐擋扇上部件和框上部件所受的荷載進(jìn)一步減少，因此，提高了開啟窗的安全性；其次，當(dāng)下部撐擋失效或由于安裝原因而無(wú)法正常工作，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，限位器底部邊緣極易發(fā)生屈服破壞并產(chǎn)生塑性變形；最后，進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果下部撐擋僅單側(cè)處于正常工作狀態(tài)，窗的約束都將發(fā)生破壞，從而使窗成為一個(gè)機(jī)構(gòu)而有發(fā)生脫落的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

對(duì)于掛鉤式開啟窗，五金系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)以及精確安裝對(duì)于保證開啟窗整體安全性十分重要。本文提出以下幾方面建議。

1）對(duì)于既有玻璃幕墻開啟窗，可額外裝配防墜鉸鏈，來(lái)提高開啟窗整體安全性。

2）對(duì)于高度＞2 m 的掛鉤式開啟窗，可每邊設(shè)置 2 對(duì)限位器，以防止發(fā)生開啟窗脫鉤并整體脫落的安全事故。

3）開啟窗型材與五金件連接部位，應(yīng)做局部加厚處理，同時(shí)選用優(yōu)質(zhì)緊固件，保證連接部位強(qiáng)度。

4）平時(shí)應(yīng)加強(qiáng)開啟窗維護(hù)保養(yǎng)，及時(shí)處理開啟窗五金系統(tǒng)存在的質(zhì)量問題。Q