構件式玻璃幕墻橫梁扭轉原因分析與預防

　　構件式玻璃幕墻由于施工方便、造價相對較低，在工程中得到廣泛應用，但不少構件式玻璃幕墻的橫梁在板塊自重作用下由于多種原因產生了扭轉。橫梁產生扭轉后，由于修復及加固難度相當大，直接影響到結構安全與觀感質量。由于幕墻的抗震設計與非抗震設計對連接節點的要求不同，現僅對非抗震設計的幕墻橫梁扭轉原因進行分析，并提出若干預防措施。


　　1 、橫梁扭轉現象及危害

　　橫梁是幕墻工程中的主要承重構件之一。在正常情況下，橫梁在豎直平面內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，亦即橫梁產生了扭轉。當橫梁產生扭轉后，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行連接，在正常情況下，自攻釘僅受到剪力作用;而當橫梁產生扭轉后，室內側的自攻釘不僅承受剪力，還要承受部分拉力，這對結構長遠的安全性而言是極為不利的。


　　2 、橫梁扭轉的原因分析

　　(1)角碼與立柱固定不牢，角碼相對于立柱產生扭轉，是橫梁產生扭轉的重要原因。可以說絕大多數橫梁產生扭轉的幕墻，其角碼相對于立柱均產生了扭轉，具體原因如下:


　　①角碼成孔時，孔徑過大，與螺栓或螺釘不配套，導致施工完成后，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。而這種位移將導致角碼相對于立柱產生轉動。這時，通常用自攻釘固定在角碼上的橫梁也隨著轉動。

　　②角碼成孔時，工人未熟練掌握施工工藝，導致孔壁不直甚至明顯傾斜，更重要的是在角碼后背孔側產生了毛刺。在安裝角碼前如未對這種毛刺進行清理就進行安裝，則根本無法保證將角碼與立柱緊密連接。最終必然會導致角碼扭轉，進而導致橫梁扭轉。同時，當孔壁不順直時，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，螺栓栓桿承受角碼傳遞過來的是均布荷載;當孔壁不直即兩者為線接觸時，接觸面積極小且承受的是集中荷載，會在角碼孔壁產生局部過大的集中應力，應力集中處的孔壁易被破壞，孔徑也相對擴大。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行連接，當連接緊密時，盡管在兩者接觸面間加設了墊片，但角碼與立柱在螺栓的軸向力作用下仍會產生一定的摩擦力。而這種摩擦力對角碼的抗扭轉是有好處的。而部分施工人員在角碼安裝固定時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生這種有利的摩擦作用，同時未擰緊螺栓也會造成角碼的晃動與轉動。另外值得注意的是，當用螺栓進行角碼與立柱的連接固定時，如果擰得過緊，易造成立柱的腹板產生局部變形，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。對橫梁而言，最好是直接將力傳遞至立柱而不經過橫梁。但不少工人在安裝時，先將板塊直接擱在橫梁上，調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。這種安裝方法導致板塊重量全部由橫梁承擔，設計時應加以考慮。


　　(3)抗扭承載力復核。部分設計人員未按規范要求對橫梁的抗扭能力進行計算復核。尤其是當幕墻施工完畢后，橫梁產生了微小的扭轉(在理論上是完全可能的)，當板塊承受到風荷載后，橫梁在豎直平面內的受力不僅包括板塊與橫梁本身自重，還將承受部分風荷載。如圖1所示，當橫梁扭轉a 角度后，在豎直平面內受風荷載在垂直于橫梁方向的分力為F.sina(F為板塊受到的風荷載傳到橫梁的水平力)，這也會加劇橫梁的扭轉。

　　3 、預防措施

　　(1)設計方面

　　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產生扭轉。據筆者所知，原沈陽黎明的140系列型材的結構設計是相當合理的，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，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產生扭轉。但現在應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。對該系列型材，筆者認為除非施工時能絕對保證構件的尺寸偏差，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，結果造成了一根橫梁要承受2個板塊的自重，從而導致因為橫梁本身抗扭能力不足而產生扭轉，或角碼與立柱之間的抗扭能力不足而產生扭轉。這種扭轉一旦產生，將會給結構帶來極大的安全隱患，而且處理難度也相當大。

　　②考慮適當的安全系數。設計單位在進行橫梁設計時，要充分考慮到即使是最合理的結構設計，也會由于各種因素的影響，使橫梁要產生扭轉。而一旦產生扭轉后，橫梁所受到平面內的作用力不僅包括板塊與橫梁本身的自重，還要承擔部分風荷載的作用，再加上現在絕大部分的橫梁與角碼均是通過自攻釘進行連接，自攻釘將受長期的拉力作用，這對自攻釘的安全性是極不利的。故建議設計單位在考慮橫梁與角碼的連接時，要考慮足夠的承載力。同時，在角碼與立柱的連接建議當條件允許時盡可能采用3顆螺栓或螺釘，且平面布置應合理，力求平面內最大的抗扭抵抗矩。

　　③合理劃分板塊尺寸。玻璃自重是使橫梁產生扭轉的根本原因，玻璃板塊越大則自重越大，對橫梁產生的偏心力也越大，對橫梁的抗扭越不利。因為幕墻往往在高層建筑中應用得較為普遍，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，對幕墻的設計與施工均帶來一定的難度。因此作為幕墻的設計人員，有必要與建筑的設計人員取得溝通，力求在矛盾的兩者之間取得平衡。

　　(2)施工方面
　　①嚴格控制角碼成孔質量。角碼的成孔質量對整個橫梁的安裝質量起到很大的作用，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，過大則角碼易產生扭轉。同時在成孔時，對鉆頭的質量有一定的要求，即刃口的質量必須要好，鉆頭的截面偏差要符合要求;成孔時要注意控制鉆進度，速度過快易產生毛刺，速度過慢易造成擴孔或孔壁不直。同時，成孔后必須對角碼的后背進行逐個檢查，有毛刺的必須進行及時清理。

　　②保證適當的擰緊力。對大部分的幕墻而言，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，必須保證螺栓或自攻釘適當的擰緊度。如果擰得不夠緊，肯定無法滿足要求，但絕不可擰得過緊。因為如果螺栓過擰會給螺栓帶來隱性傷害，而這種傷害是致命的;同時擰得過緊易造成立柱的腹板產生變形。而這種螺栓過擰現象在施工現場極其}普遍且易被忽視。

　　③保證合理的施工順序。在安裝板塊時，建議板塊準確定位后，先安裝板塊與立柱相鄰處的壓塊，待左右兩側的壓塊完全固定后再進行板塊上部壓塊的固定，最后進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，壓塊的數量宜適當加密，規格宜適 當加大，尤其是經常受臺風襲擊的幕墻。