幕墻閉口橫梁與開口橫梁選用分析

曾偉清

【摘要】目前建筑幕墻市場上，框支承幕墻形式應用非常普遍，其橫梁形式有“開口橫梁”與“閉口橫梁”之分，開口橫梁是指幕墻體系中與立柱連接的橫向龍骨采用非閉合的截面，與立柱連接完畢后，以扣蓋的形式將斷面進行閉合的橫梁，與立柱的連接通常采用鋁合金角碼。閉口橫梁是指幕墻體系中與立柱連接的橫向龍骨采用完全閉合截面的橫梁，與立柱的連接通常采用彈簧銷釘、鋼銷釘?shù)?。本文通過對兩種橫梁的對比分析，以便大家今后在選用橫梁時有所參考、幫助。

【關鍵詞】開口橫梁；閉口橫梁；橫梁角碼；橫梁插芯；彈簧銷釘；鋼銷釘

1.前言

在城市化建設中，大多數(shù)的建筑物都采用了玻璃幕墻這一新結(jié)構(gòu)，玻璃幕墻存在著美觀、個性、晶瑩剔透的優(yōu)勢，并能有效地彰顯出建筑設計人員的意圖。為了更好地實現(xiàn)建筑幕墻的效果，幕墻設計人員需對幕墻系統(tǒng)進行仔細的斟酌，幕墻橫梁是選用開口橫梁還是選用閉口橫梁就是其中的一項，下面將對兩種橫梁在外觀、結(jié)構(gòu)受力、安裝工藝、經(jīng)濟性等方面進行對比分析，以使大家今后在選擇橫梁上有所參考、幫助。

2.閉口橫梁與開口橫梁的對比分析

2.1兩種橫梁的外觀對比

幕墻橫梁有明框和隱框兩種形式，工程中通常采用的橫梁高度一般有65mm、70mm、75mm，橫梁寬度與所在工程的受力有關系，可根據(jù)結(jié)構(gòu)計算確定，本文以工程中常用的橫梁高度70mm，寬度60mm為例，橫梁的對比截面圖如下：

從圖中可以看出，兩中橫梁外觀尺寸基本能實現(xiàn)一致，但開口橫梁需要扣蓋閉合，因此，在室內(nèi)會比閉口橫梁增加兩道細小的通長縫隙，通?？凵w朝下放，室內(nèi)也不會明顯看出來，效果亦能接受。

2.2兩種橫梁的結(jié)構(gòu)受力對比

為清楚地顯示明、隱框兩種橫梁的結(jié)構(gòu)性能，擬定橫梁在同樣的條件下，分別采用專業(yè)計算軟件進行驗算，以表格形式直觀顯示對比結(jié)果。 珠海某工程基本風壓為WO=0.85Mpa，地面粗糙度為B類，建筑標高為50m，幕墻分格L=1400mm，橫梁上部分格H1=1500mm，下部分格H2=2000mm，面板自重G=0.45kN/m2，橫梁采用6063-T5材質(zhì)，f=90N.mm-2，fv=85N.mm-2，水平方向撓度控制值dflim=L/180=7.78mm，垂直方向撓度控制值dflimv=L/500=2.6mm，橫梁計算模型為簡支梁。

2.2.1明框橫梁計算

2.2.1.1開口橫梁

a.開口橫梁強度及撓度計算

結(jié)果顯示如下圖5：

從圖5可知，橫梁的強度已經(jīng)為90.92N.mm-2，已微超橫梁許用強度f=90N.mm-2。

b.開口橫梁抗扭轉(zhuǎn)計算

利用有限元軟件sap2000計算模擬開口橫梁的變形情況，計算結(jié)果顯示如下圖6：

橫梁端部的轉(zhuǎn)動角度為R1=0.00752x

180/3.14=0.431o。

2.2.1.2閉口橫梁

a.閉口橫梁強度及撓度計算

結(jié)果顯示如下圖7：

從圖7可知，橫梁的強度已經(jīng)為88.82N.mm-2，未超橫梁許用強度f=90N.mm-2。結(jié)合圖5、圖7可知，在相同條件下，明框橫梁中閉口橫梁的強度與剛度性能要優(yōu)于開口橫梁。

b.開口橫梁抗扭轉(zhuǎn)計算

利用有限元軟件sap2000計算模擬橫梁的變形情況，計算結(jié)果顯示如下圖8：

橫梁端部的轉(zhuǎn)動角度為R1=0.00386x

180/3.14=0.221o。結(jié)合圖6、圖8可知，在相同條件下，明框橫梁中閉口橫梁的抗扭轉(zhuǎn)性能要優(yōu)于開口橫梁。

2.2.2隱框橫梁計算

2.2.2.1開口橫梁

a.開口橫梁強度及撓度計算

結(jié)果顯示如下圖9：

從圖9可知，橫梁的強度已經(jīng)為90.38N.mm-2，已微超橫梁許用強度f=90N.mm-2。

b.開口橫梁抗扭轉(zhuǎn)計算

利用有限元軟件sap2000計算模擬橫梁的變形情況，計算結(jié)果顯示如下圖10：

橫梁端部的轉(zhuǎn)動角度為R1=0.01268x180/3.14=0.728o。

2.2.2.2閉口橫梁

a.閉口橫梁強度及撓度計算

結(jié)果顯示如下圖11：

從圖11可知，橫梁的強度已經(jīng)為83.64N.mm-2，未超橫梁許用強度f=90N.mm-2。結(jié)合圖9、圖11可知，在相同條件下，隱框橫梁中閉口橫梁的強度與剛度性能要優(yōu)于開口橫梁。

b.閉口橫梁抗扭轉(zhuǎn)計算

利用有限元軟件sap2000計算模擬橫梁的變形情況，計算結(jié)果顯示如下圖12：

橫梁端部的轉(zhuǎn)動角度為R1=0.00399x

180/3.14=0.229o。結(jié)合圖10、圖12可知，在相同條件下，明框橫梁中閉口橫梁的抗扭轉(zhuǎn)性能要優(yōu)于開口橫梁。

綜上所知，不管是明框還是在隱框中，閉口橫梁的強度、剛度、抗扭性能都要優(yōu)于開口橫梁。

2.3.兩種橫梁的安裝工藝對比

2.3.1明框橫梁的安裝

2.3.1.1開口橫梁的安裝

橫梁安裝主要步驟有：橫梁就位安裝前，先將橫梁角碼予置于橫梁兩端，再將橫梁墊圈預置于橫梁兩端，用不銹鋼螺栓穿過橫梁角碼、墊圈及鋁合金立柱，逐漸收緊不銹鋼螺栓，同時注意，觀察橫梁角碼的就位情況，調(diào)整好各配件的位置以保證橫梁的安裝質(zhì)量，待橫梁完畢后，在室內(nèi)安裝鋁合金扣蓋。此種做法比較常見，目前大部分工程都采用這種做法，幕墻標準節(jié)點如圖13、14。

2.3.1.2閉口橫梁的安裝

閉口橫梁的安裝方式與開口橫梁安裝略有不同，幕墻標準節(jié)點如圖15、16。

安裝步驟有：首先在安裝橫梁前，將1個調(diào)節(jié)螺釘與3個不銹鋼螺柱緊固在橫梁插芯內(nèi)，然后將橫梁插芯置于橫梁兩端，不銹鋼螺栓外端與橫梁外端平齊，見圖17-1橫梁安裝步驟1；橫梁入位立柱中間，將不銹鋼螺柱對準鋁合金立柱釘孔，見圖17-2橫梁安裝步驟2；而后用手拉插芯兩端外露的調(diào)節(jié)螺釘，將緊固在插芯上的螺柱插入立柱的孔，之后在橫梁外側(cè)打一個調(diào)節(jié)螺絲，橫梁安裝完畢，見圖17-3橫梁安裝步驟3。

通過上面的分析可知，明框閉口橫梁的對立柱的安裝精度要求高一些，首先是立柱上的螺柱孔不能遠大于螺柱的直徑，直徑差控制在0.3mm以內(nèi)，如直徑差過大，橫梁會有明顯的晃動。另外，螺柱入立柱的深度要深一些，一般為8-10mm左右，如深度過淺，立柱安裝后水平距離誤差大，將會出現(xiàn)橫梁脫落的風險，發(fā)生安全事故。

2.3.2隱框橫梁的安裝

2.3.2.1開口橫梁的安裝

隱框開口橫梁的安裝方式與明框開口橫梁安裝方式一致，幕墻標準節(jié)點如圖18、19。

2.3.2.2閉口橫梁的安裝

閉口橫梁的安裝方式與開口橫梁安裝略有不同，幕墻標準節(jié)點如圖20、21。

安裝步驟有：首先在安裝橫梁前，將3個不銹鋼彈簧銷釘插入橫梁插芯內(nèi)（插芯另一端用橡膠塞塞住），然后將橫梁插芯置于橫梁兩端，并用1個限位螺釘將橫梁插芯固定在橫梁內(nèi)，此步關鍵點是需確保壓縮彈簧銷釘后能使銷釘外端與橫梁及插芯平齊，見圖22-1橫梁安裝步驟1；壓縮橫梁兩端彈簧銷釘，使橫梁入位立柱中間，見圖22-2橫梁安裝步驟2；微調(diào)橫梁，將不銹鋼彈簧銷釘對準鋁合金立柱釘孔位，聽見“咔嚓”的聲音，彈簧銷釘插入立柱，橫梁安裝完畢，見圖22-3橫梁安裝步驟3。

此安裝方式中采用的彈簧橡膠塞、不銹鋼彈簧及不銹鋼鋼銷釘，為避免出現(xiàn)彈簧的硬度不合適或鋼銷的長度等出現(xiàn)問題，在大面積施工前，需送樣試裝后方可大面積施工。

通過上面的分析可知，隱框閉口橫梁與明框閉口橫梁安裝基本相同，對立柱的安裝精度要求也高一些。開口橫梁對型材的工藝加工要求不高，可以在現(xiàn)場進行加工，施工比較靈活，需要注意的是，如在橫梁跨度較大位置采用開口橫梁，需要做抗扭轉(zhuǎn)計算及加強措施，防止橫梁受玻璃自重核載后，產(chǎn)生變形，使橫梁與立柱間本來細小的縫隙變大，甚至發(fā)生傾覆，造成玻璃破裂引發(fā)工程安全問題。因此在選用橫梁時候，需要結(jié)合工程實際情況進行分析、確定。

2.4.兩種橫梁的經(jīng)濟性對比

為方便橫梁的經(jīng)濟性對比，均按立柱分格1.0m進行考慮。

2.4.1明框橫梁的對比

開口橫梁：面積S1=910.8mm2，扣蓋面積S2=62.5mm2，鋁合金橫梁角碼面積S3=164.0mm2，每米橫梁使用鋁材重量G1=（S1*1+S2*1+2*S3*0.054）*2700/1000000=2.68kg/m。

閉口橫梁：面積S1‘=825.4mm2，鋁合金橫梁插芯S2‘=810.8mm2，每延米橫梁使用鋁材重量G1‘=（S1‘*1+2*S2‘*0.03）*2700/1000000=2.36kg/m。橫梁重差Ga=0.32kg/m，可以得出閉口橫梁可比開口橫梁節(jié)省鋁材12%（0.32/2.68）。

2.4.2隱框橫梁的對比

開口橫梁：面積S1=764mm2，扣蓋面積S2=73mm2，鋁合金橫梁角碼面積S3=224.0mm2，每延米橫梁使用鋁材重量G1=（S1*1+S2*1+2*S3*0.05）*2700 /1000000=2.29kg/m。

閉口橫梁：面積S1‘=742mm2，鋁合金橫梁插芯S2‘=717mm2，每米橫梁使用鋁材重量G1‘=（S1‘*1+2*S2‘*0.03）*2700/1000000=2.06kg/m。橫梁重差Ga=0.23kg/m，可以得出如采用閉口橫梁可比采用開口橫梁節(jié)省10.3%（0.23/2.24）。

從以上的分析可以看出，明框與隱框兩種橫梁，閉口橫梁都比開口橫梁節(jié)省10%左右，在一個常規(guī)的工程中，幕墻單價約為1000元/m2，鋁材的含量約在10kg/m2左右，橫梁占鋁材約40%，鋁材單價按約20元/kg ，則可以得出采用閉口橫梁整個工程可以優(yōu)化成本約0.8%。

3.結(jié)語

通過上面的分析可知，在外觀、結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟性上，閉口橫梁較開口橫梁都有優(yōu)勢，但在現(xiàn)場的施工、安裝上，閉口橫梁比開口橫梁要求高一些，所以設計師應結(jié)合公司自身的優(yōu)勢，包括項目的施工工期、施工隊的施工水平、勞務成本、鋁材采購成本等因素進行充分考慮后確定采用哪種橫梁。

隨著科學技術的發(fā)展，各種新材料及新工藝的日新月異，許多傳統(tǒng)幕墻的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、施工工藝也在不斷地更新與進步，我國作為幕墻的制造、使用大國，為我們提供了廣闊的實踐天地，我們應抓住良機，善于研究，善于總結(jié)，善于學習，為早日實現(xiàn)我國成為幕墻強國而盡自己的一份力量。

參考文獻

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[3].JGJ133-2001玻璃幕墻工程技術規(guī)范.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[4]張芹，新編建筑幕墻技術手冊.濟南：山東科學技術出版社，2003：20-51

（作者單位：珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司）

【中圖分類號】TU228

【文獻標識碼】A

【文章編號】1671-3362（2018）08-0038-05