浅谈构件式玻璃幕墙横梁的竖向挠度控制

提要：针对构件式玻璃幕墙横梁挠曲产生的原因及危害，从设计、选材、施工等给出相应的优化防治措施。

关键词：横梁、挠曲、挠度、扭转

随着玻璃幕墙工艺技术的日益成熟，人们对玻璃幕墙的造型也逐步有了更高的要求，各种异型及大板块玻璃幕墙相应的出现在了更多的幕墙工程上面。然而与之相对应的是幕墙行业竞争的日益激烈，以及各级幕墙行业规范对安全性能的逐步提高，对幕墙横梁各方面的要求日益严格。

玻璃幕墙横梁在产生挠度、扭转后，会直接影响幕墙结构整体的安全性能及观感要求。针对现阶段规范要求较严格的幕墙横梁挠度以及规范暂未涉及的幕墙横梁扭转问题，现从各方面进行对比分析，并提出相应的优化及预防措施。

1 幕墙横梁挠曲现象及危害

横梁作为构件式幕墙主要承重构件之一，在施工完成后，横梁在竖直平面内仅受到玻璃板块及自重的作用。横梁的各方向变形越小，安全及观感性能越高。然而由于现阶段大板块玻璃幕墙的广泛应用，对横梁的强度及变形挠度是一个很大的挑战。而横梁在挠度变形时亦会对已经安装的玻璃板块和后续施工产生不利影响。首先可能在竖直方向大挠曲的情况下与已安装的玻璃板块产生硬性接触，对玻璃板块有破坏性作用；其次由于挠度变形的影响，后续外装饰性构件不宜安装甚至在安装完成后存在由于变形的作用脱落等不安全因素。

2 横梁挠曲的原因分析及应对方法

2.1 自重引起的挠度变形

玻璃板块的自重是重力方向施加到横梁上最主要的外力。而横梁作为受力杆件，在受到外力作用时会产生与施力方向相同的挠度变形。根据玻璃幕墙横梁挠度的计算方法：

τ—横梁挠度

A—计算参数；（根据横梁的受力形式确定）

L—横梁的长度；

E—横梁所用材质的弹性模量；

I—型材截面在受力方向的惯性矩；

由上式可知，在横梁长度与受力一定的情况下，横梁的挠度与型材的弹性模量和型材在受力方向的惯性矩成反比，所以可以有针对性的调整横梁和相应参数

来减小由于玻璃大板块自重引起的横梁挠度。

（1）改变横梁的弹性模量减小挠度

弹性模量是型材材质特定的性质，不同的材质的弹性模量不同。增加型材的弹性模量也可理解为改变型材的材质。

现阶段，横梁所用材质多为铝合金型材或是钢型材；铝合金型材的弹性模量为70000MPa；而钢型材的弹性模量为206000MPa；如果在横梁看面尺寸确定的情况下，有条件的选用钢型材，可以很好的减小横梁的挠度，增加横梁的稳定性；且钢型材的强度远大于铝合金型材的强度；以最常用的6063-T5铝合金和Q235钢为例，6063-T5铝合金的强度为90MPa；Q235钢的强度为215MPa；如果采用钢型材不仅能够减小横梁的挠度，也能够加强横梁的强度。

然而，并不是所有的情况都适用于钢型材横梁。由于材质的不同，所以加工工艺不尽相同，钢型材不能够像铝型材进行多槽口式加工，且钢型材的外视面不如铝型材光滑及均匀。所以，可以根据不同的幕墙形式及要求，有条件的选用不同材质的横梁，也可以采用多型材结合的形式有效地避免各个型材的劣势，发挥各个型材的优势，更好的满足幕墙性能和外视效果的要求。

（2）改变横梁的惯性矩减小挠度

惯性矩是型材截面的特定参数，改变型材的惯性矩意味着改变型材的截面。以下选用水平和竖直方向看面尺寸相同、壁厚相同的的三种不同截面形式的横梁进行对比，分析各自的优劣；

X轴惯性矩：型材2＞型材3＞型材1

X轴抗弯矩：型材2＞型材3＞型材1

Y轴惯性矩：型材3＞型材1＞型材2

Y轴抗弯矩：型材2＞型材3＞型材1

型材面积（型材单重）：型材2＞型材1＞型材3

型材1：

优点：开口型材，型材采用角码与立柱连接，方便安装；水平抗风能力强；

缺点：连接仅采用角铝形式的角码与立柱进行连接，抗压弯强度较差，且角码需特殊加工；

优化建议：可以采用角钢形式角码，增加抗压弯强度；

型材2：

优点：开口型材，型材采用角码与立柱连接，方便安装；且角码设置形式抗压强度好；

缺点：型材水平抗风能力较弱；连接角码需特殊加工，且该种连接形式抗扭转能力较差（本文2.2对横梁的扭转会进行单独的分析）；

优化建议：增加角码与横梁在水平方向限位的设置，加强抗扭能力；

型材3：

优点：闭口型材，横梁截面竖直方向惯性矩、抗弯矩较大；角码连接部位抗弯、抗扭能力较强；且单重明显小于前两种型材。

缺点：闭口形式不便于安装；

优化建议：可以在横向分格较少的幕墙板块使用；

综上所述：每种型材都有各自的优缺点，可以根据不同幕墙板块的受力情况和安装形式选择不同的型材进行幕墙的安装。

2.2 偏心引起的扭转

现阶段玻璃幕墙的玻璃板块安装多数是不与连接角码共用中线的形式，即通常所说的偏心安装形式；而由偏心引起的横梁挠度并没有引起足够的重视，但是它却在幕墙安装过程中必须要克服的负面挠曲现象。

图2所示为一种常用的玻璃幕墙横梁的玻璃板块安装位置；

图3所示为安装玻璃板块后横梁的扭转变形示意，为更明确表达，图中示意图做放大处理。

挠曲对幕墙整体的影响并没有引起幕墙设计人员的重视，没有按照玻璃幕墙规范的要求对横梁的抗扭转能力进行计算复核。尤其是在玻璃板块安装完成后，在玻璃自重及风荷在的共同作用下，横梁的扭转角度会相应的增大，同时引起横梁前端部挠度加大，使后续安装及维护存在更多的安全隐患。

针对幕墙的这种扭转现象，可以从以下方面改善来增加幕墙的抗扭能力。

（1）选用抗扭能力较强的横梁型材及角码连接形式，如前文中提出的闭口型材；

（2）采用横竖料搭接形式，横梁前端与立柱增加连接固定点，增加横梁的抗扭能力；这种连接多用于半隐框幕墙形式。如图4所示；

2.3 连接角码施工工艺引起的弯扭

由于现在幕墙的横梁与立柱多通过自攻钉连接角码形式；在正常情况下，自攻钉仅受到剪力作用，而当横梁产生挠曲、扭转后，连接用的自攻钉不仅承受剪力的作用，还要承受拉力作用，甚至在长期荷载的作用下对结构的安全性产生不利的影响。

（1）角码成孔引起的安装偏差

角码加工过程中，由于工人未熟练掌握是攻工艺，导致成孔孔径与连接螺栓或是自攻钉不配套，或是成孔产生明显的偏斜。施工完成后，在玻璃板块的重力作用下，角码连接部位产生错位转动，进而导致横梁的扭转，增大了横梁前端部由扭转引起的挠度。

（2）施工过程引起的扭转

由于角码与立柱连接时，空腔的操作空间较小，自攻钉多采用倾斜形式固定，进而容易使角码产生偏转，引起横梁的挠度增大。

这里需要幕墙施工者在施工过程中，在连接件的加工选择及后续施工固定的过程中，保证每一道的施工工艺，确保完成合格的幕墙构件的安装固定。

综上所述，要减小横梁的挠度、扭转，从选材、定型、定位、安装等各个过程中都要进行细致的分析设计，从而使各方面对幕墙横梁的不利影响降低到最小的程度，进一步的增加构件式幕墙的安全性能。

参考文献

[1] 赖其淡，林伟军构件式玻璃幕墙横梁扭转原因分析与预防. 工程质量，2005

[2] 陈光烁，建筑幕墙横梁的局部稳定性分析. 建筑科学，2007