构件式玻璃幕墙横梁扭转原因分析与预防

　　构件式玻璃幕墙由于施工方便、造价相对较低，在工程中得到广泛应用，但不少构件式玻璃幕墙的横梁在板块自重作用下由于多种原因产生了扭转。横梁产生扭转后，由于修复及加固难度相当大，直接影响到结构安全与观感质量。由于幕墙的抗震设计与非抗震设计对连接节点的要求不同，现仅对非抗震设计的幕墙横梁扭转原因进行分析，并提出若干预防措施。


　　1 、横梁扭转现象及危害

　　横梁是幕墙工程中的主要承重构件之一。在正常情况下，横梁在竖直平面内仅受到玻璃板块及自身重力作用。施工完成后的横梁上表面应保持水平，但不少幕墙尤其是板块面积较大的明框幕墙，横梁上表面向外倾斜，亦即横梁产生了扭转。当横梁产生扭转后，直接影响到观感。并且，大部分幕墙的横梁与角码是通过自攻钉进行连接，在正常情况下，自攻钉仅受到剪力作用;而当横梁产生扭转后，室内侧的自攻钉不仅承受剪力，还要承受部分拉力，这对结构长远的安全性而言是极为不利的。


　　2 、横梁扭转的原因分析

　　(1)角码与立柱固定不牢，角码相对于立柱产生扭转，是横梁产生扭转的重要原因。可以说绝大多数横梁产生扭转的幕墙，其角码相对于立柱均产生了扭转，具体原因如下:


　　①角码成孔时，孔径过大，与螺栓或螺钉不配套，导致施工完成后，由于螺栓与角码孔壁存在过大的空隙，在板块自重作用下，角码孔壁与螺栓螺杆之间尚有较大的位移空间。而这种位移将导致角码相对于立柱产生转动。这时，通常用自攻钉固定在角码上的横梁也随着转动。

　　②角码成孔时，工人未熟练掌握施工工艺，导致孔壁不直甚至明显倾斜，更重要的是在角码后背孔侧产生了毛刺。在安装角码前如未对这种毛刺进行清理就进行安装，则根本无法保证将角码与立柱紧密连接。最终必然会导致角码扭转，进而导致横梁扭转。同时，当孔壁不顺直时，螺栓栓杆与角码孔壁接触不完全甚至其接触是线接触而非面接触。在正常情况下即为面接触时，螺栓栓杆承受角码传递过来的是均布荷载;当孔壁不直即两者为线接触时，接触面积极小且承受的是集中荷载，会在角码孔壁产生局部过大的集中应力，应力集中处的孔壁易被破坏，孔径也相对扩大。而过大的孔径不利角码的 固定。

　　③角码与立柱通常是采用螺栓或螺钉进行连接，当连接紧密时，尽管在两者接触面间加设了垫片，但角码与立柱在螺栓的轴向力作用下仍会产生一定的摩擦力。而这种摩擦力对角码的抗扭转是有好处的。而部分施工人员在角码安装固定时未将螺栓或螺钉拧紧到位，角码后背与立柱之间连接不紧密，两者接触面之间无法产生这种有利的摩擦作用，同时未拧紧螺栓也会造成角码的晃动与转动。另外值得注意的是，当用螺栓进行角码与立柱的连接固定时，如果拧得过紧，易造成立柱的腹板产生局部变形，与角码的背部也是无法紧密接触，反而不利角码的固定。


　　(2) 板块安装方法。对横梁而言，最好是直接将力传递至立柱而不经过横梁。但不少工人在安装时，先将板块直接搁在横梁上，调好位置后先固定好上下横梁处的压块，再固定左右立柱处的压块。这种安装方法导致板块重量全部由横梁承担，设计时应加以考虑。


　　(3)抗扭承载力复核。部分设计人员未按规范要求对横梁的抗扭能力进行计算复核。尤其是当幕墙施工完毕后，横梁产生了微小的扭转(在理论上是完全可能的)，当板块承受到风荷载后，横梁在竖直平面内的受力不仅包括板块与横梁本身自重，还将承受部分风荷载。如图1所示，当横梁扭转a 角度后，在竖直平面内受风荷载在垂直于横梁方向的分力为F.sina(F为板块受到的风荷载传到横梁的水平力)，这也会加剧横梁的扭转。

　　3 、预防措施

　　(1)设计方面

　　①选取合适的型材。合适的型材可以从根本上保证将横梁牢固地安装在角码上，即使玻璃板块自重较大横梁也不会产生扭转。据笔者所知，原沈阳黎明的140系列型材的结构设计是相当合理的，其型材的部分截面如图2所示。该系列型材的横梁直接被夹持在立柱内，只要横梁本身的刚度足够，就可以保证横梁在荷载作用下不会产生扭转。但现在应用较多的是一种挂钩式的型材，其截面如图3所示。该系列型材要求板块用挂钩与横梁相连接。对该系列型材，笔者认为除非施工时能绝对保证构件的尺寸偏差，否则容易造成上一板块由于施工误差，板块上部的挂钩未全部挂在上根横梁上，而下一板块全挂在同一根横梁上，结果造成了一根横梁要承受2个板块的自重，从而导致因为横梁本身抗扭能力不足而产生扭转，或角码与立柱之间的抗扭能力不足而产生扭转。这种扭转一旦产生，将会给结构带来极大的安全隐患，而且处理难度也相当大。

　　②考虑适当的安全系数。设计单位在进行横梁设计时，要充分考虑到即使是最合理的结构设计，也会由于各种因素的影响，使横梁要产生扭转。而一旦产生扭转后，横梁所受到平面内的作用力不仅包括板块与横梁本身的自重，还要承担部分风荷载的作用，再加上现在绝大部分的横梁与角码均是通过自攻钉进行连接，自攻钉将受长期的拉力作用，这对自攻钉的安全性是极不利的。故建议设计单位在考虑横梁与角码的连接时，要考虑足够的承载力。同时，在角码与立柱的连接建议当条件允许时尽可能采用3颗螺栓或螺钉，且平面布置应合理，力求平面内最大的抗扭抵抗矩。

　　③合理划分板块尺寸。玻璃自重是使横梁产生扭转的根本原因，玻璃板块越大则自重越大，对横梁产生的偏心力也越大，对横梁的抗扭越不利。因为幕墙往往在高层建筑中应用得较为普遍，为保证建筑的立面效果，建筑越高，往往要求玻璃板块越大，而板块过大，对幕墙的设计与施工均带来一定的难度。因此作为幕墙的设计人员，有必要与建筑的设计人员取得沟通，力求在矛盾的两者之间取得平衡。

　　(2)施工方面
　　①严格控制角码成孔质量。角码的成孔质量对整个横梁的安装质量起到很大的作用，而此工序又极易被忽视。通常角码的孔径应比螺栓直径大，但不要超过0.5mm。若孔径过小或等于螺杆直径则无法拧紧，过大则角码易产生扭转。同时在成孔时，对钻头的质量有一定的要求，即刃口的质量必须要好，钻头的截面偏差要符合要求;成孔时要注意控制钻进度，速度过快易产生毛刺，速度过慢易造成扩孔或孔壁不直。同时，成孔后必须对角码的后背进行逐个检查，有毛刺的必须进行及时清理。

　　②保证适当的拧紧力。对大部分的幕墙而言，角码与立柱之间有部分力是通过接触面的摩擦力传递的。故在施工时，必须保证螺栓或自攻钉适当的拧紧度。如果拧得不够紧，肯定无法满足要求，但绝不可拧得过紧。因为如果螺栓过拧会给螺栓带来隐性伤害，而这种伤害是致命的;同时拧得过紧易造成立柱的腹板产生变形。而这种螺栓过拧现象在施工现场极其}普遍且易被忽视。

　　③保证合理的施工顺序。在安装板块时，建议板块准确定位后，先安装板块与立柱相邻处的压块，待左右两侧的压块完全固定后再进行板块上部压块的固定，最后进行板块底部的压块固定。此种安装方法可以有效降低板块传递至横梁上的重力。值得注意的是，压块的数量宜适当加密，规格宜适 当加大，尤其是经常受台风袭击的幕墙。