伸缩臂的困局

量用可控的距离或 者 位 置 来 表 示，因 此 进 行 换 算 后 有：
F
=
G·L 2H1
+ W2·L0L，单个伸缩臂受力则为 FS =
F 2
=
G·L 4H1
+
W·L 4L0
，前项可看
做是重力荷载项，后项可看做风荷载项。其中，L 为窗扇开启距
部品与原材料专栏
伸缩臂的困局
孙 波 同济大学
摘 要： 如今随着各种项目的发展，伸缩臂被广泛使用，随之 暴露 的 问 题 也 越 来 越 多，作 者 就 这 些 问 题 从 不 同 的 角 度 做 了 分析。
关键词： 幕墙； 开启扇； 伸缩臂； 铝合金型材； 极限状态； 结构； 失稳； 风荷载； 强度； 高度； 变形； 疲劳
前言 所谓的伸缩臂，正式名称实际是“锁定式撑挡（ lockable stay arm） ”，是指“窗扇受到一定外力的所用时，使窗扇在启、闭方向 不会发生角度变化的撑挡。”这样的定义主要是为了和“摩擦式撑 挡（ frictional stay arm） ”———也就是俗称的“二连杆”以示区别。 一般来说，伸缩 臂 的 常 用 规 格 的 主 要 有 两 档 和 多 档 的 两 种 （ 如下图） ，其机械原理相似。既然是撑挡，顾名思义，其作用为撑 和挡。上悬窗，特别是幕墙中的上悬开启扇经常会用伸缩臂来做 支撑，同时限制开启角 度，满 足 相 应 规 范 开 启 距 离 的 要 求。 因 为 幕墙开启形式单一（ 大多数都是上悬窗） ，使得伸缩臂被大量运 用。这种五金绝 对 不 是 新 产 品，很 多 读 者 可 能 十 几 年 前 已 经 用 过。但是，随着这几年幕墙项目的越做越多，越做越高，伸缩臂自 身的局限性产生的各 种 问 题 也 开 始 逐 渐 暴 露 出 来 ，陷 入 了“不 用 没办法，用了出问题”的两难困局，已到了无法忽视的地步。为什 么会这样？ 笔者就这此试着归纳和讨论一番，请各位专家指正。
即
F
=
G·L1 H1
+
W·L2 H1
其中： F 为伸缩臂提供的支撑力（ 抗力） ，G 为窗扇的重力，W
为风荷载（ 用集中力代替面荷载） ，H1 为伸缩臂在窗扇上的安装
位置，L1 L2 分别为 G、W 的力臂。
窗扇开启角度为
θ，则有：
F
=
G·H·sinθ 2H1
+
W·2HH·1 cosθ，因为
对于我们来说，控制开启角度 θ 既不方便也不现实，所以希望尽
开启百度文库示意图
受力简图
如上图，当受正风压时，可 将 左 边 的 开 启 扇 示 意 图 简 化 成 右 边 的
受力简图，其中挂钩部分简化为铰支座，由力矩平衡得：
MF = MG + MW
因为伸缩臂正面垂直受压的情况下最理想，所以取伸缩臂垂
直于窗扇，即伸缩臂垂直于窗扇。
F·H1 = G·L1 + W·L2
正常状态下的开启扇（ 挂钩接触）
两档伸缩臂示意图
需要说明的是，为使问题简化而集中，且更典型化，本文讨论 的均是挂钩型材 + 伸缩臂的上悬形式（ 如下图） ，对于另一种的摩 擦铰链 + 伸缩臂的组合，有兴趣的读者可以自行研究，两者很多 方面类似。
装有伸缩臂的挂钩开启扇
问题一． 掉扇 作为窗扇，出问题的最坏情况是什么？ 答案是窗扇坠落。只 要出现这类事故，无论伤及人员，都会很快上当地报纸的版面，其 严重性不言自明。 幕墙开启扇，特别是用挂钩的开启扇会掉落吗？ 答案是会 的。这可能有些匪夷所思，因为挂钩型材一向以安全性出名： 有 一整条边与框勾搭配合，而且不存在摩擦铰链螺钉紧固不完全的 隐患（ 如某些实际工程中出现的摩擦铰链少安装螺钉、使用不合
被硬拉状态下的开启扇（ 挂钩将脱离）
因此，从这个工程案例中我们至少吸取到两点教训： 1． 无论设计 还是安装，防脱落件很重要； 2． 伸缩臂不够人性化。就很多具体 工程来说，可能没有到窗 扇 脱 落 这 种 极 端 地 步，但 因 为 不 会 使 用 而导致伸缩臂损坏是常见的。如果只是责怪普通小业主不会使 用是没有道理的，对于非 专 业 的 他 们 来 说，根 本 不 会 想 到 开 关 一 个普通的窗户会要这么 麻 烦，只 是 凭 借 生 活 常 识 拉 拽 而 已，这 对 五金厂家来说是个警 示———说 明 伸 缩 臂 的 使 用 性 和 指 向 性 远 不 够明确和友好。有的项目中可能会在窗户上贴上使用标签，但客 观地说，这个是治标不治 本 的 办 法，如 同 大 家 推 门 之 前 不 会 看 门 上的“推、拉”标识一般，很少有哪个使用者关窗户前会去看这种 标签。解决问题的关键 还 是 要 伸 缩 臂 如 何 明 了、简 单 和 好 用，以 使用者为本，更符合人体工程学。
格螺钉等导致掉扇） 。但在笔者亲历的东北的一个项目中，最初 阶段的开启扇的加工、施 工 阶 段 各 方 面 一 切 正 常，但 当 交 付 小 业 主使用时，问题出现了： 如大家所知，伸缩臂关闭时需要往前推一 下才能往回拉，不然动不了，但是小业主们并不知道，只是惯性地 往回拉，当发现拉不动时（ 此时伸缩臂内部齿轮已卡住） ，就再加 大拉拽力量，而此工程 中 挂 钩 上 部 的 防 脱 落 件 安 装 比 较 潦 草 ，顶 了两下便松动，导致挂钩缺乏相应约束，因为伸缩臂已无法活动， 最后则导致窗扇以伸缩臂在扇部的连接中心开始转动，最终导致 脱扇，造成事故，其原理类似于三刚片的瞬变体系。如下图：
问题二． 高度与强度 这几年，高层和超高 层 建 筑 项 目 在 中 国 大 地 上 遍 地 开 花，无 论从数量、造型，还是高 度 都 不 断 创 造 着 新 的 各 种 纪 录。 最 直 观 的感受是，在稍微有些规模的城市里百米以上的建筑已经抬头可
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2012． 07
部品与原材料专栏
见，见怪不怪了，而幕墙 作 为 主 流 的 高 层 外 围 护 结 构 也 自 然 被 广 泛运用，除了部分的呼吸幕墙，完全机械通风和平推窗外，大部分 的开启形式仍为上悬窗，因而伸缩臂也跟着前所未有地被运用到 了一个个新的建筑高度。但是，所谓“高处不胜寒”，伸缩臂能胜 任吗？ 能扛得住吗？ 这个问题比较繁杂，我们先从最典型的静力 强度来考虑：