4.2立柱与横梁的连接设计

2.立柱与横梁的连接设计

立柱与横梁的连接设计是幕墙设计中的一个难点。这是因为抵抗风荷载要求的是个“牢”字，而吸收地震作用和温差产生的热应力则要求个“活”字。设计时只有把这两个看似矛盾要求统一起来，才有可能是好的结构。而玻璃对横梁又是偏心压力，容易造成横梁偏转，这又是一个立柱与横梁设计中很棘手的问题。所以尽管立柱与横梁的连接的方法种类繁多，但好的设计很少。比较典型的结构有以下几种：横竖插接式、角码胀浮式、角码插接式、通槽螺栓式、双向锁紧式等。

(1).横竖插接式

横竖插接式以某公司的140系列幕墙为代表。这套140系列幕墙结构设计很合理，性能优越，能够独步幕墙界十余年决不是偶然的。即便是一些知名大企业现有的构件式幕墙结构，也很少在理念上能够超越他。横竖插接，顾名思义，是将横梁插入立柱的预留槽内(如图11中1所示)，其特点和安装方法如下：

图11

①横梁所受的正负风荷载均直接传递给了夹持横梁的立柱,而横梁角码和与立柱连接的螺钉连接组合只承受玻璃板块和横梁的重力(如图11中A-A和2所示)。对螺纹连接威胁最大的就是像风荷载

这样一直存在、时时变化的交变荷载。在长期的交变荷载作用下，如无防脱措施，螺纹连接早晚是要失效的。而这种立柱夹持横梁的结构因螺纹连接不承受风荷载，所以其安全性、可靠性和抵御风荷载的能力非常好。

②横梁承受玻璃的偏心压力后定会产生扭矩，为使横梁能够有效的抵抗该扭矩，不产生偏转，必须注意以下两个方面：一，横梁与立柱的连接处有足够的强度来对横梁限位；二，横梁本身有足够的抗扭截面模量。这种立柱夹持横梁的结构，横梁与立柱的接触比较充分，立柱和横梁的强度很好，在横梁与立柱接触的局部产生的变形微乎其微，横梁角码也不承担扭矩，这样可有效避免横梁整体偏转。而且其横梁的闭腔结构的抗扭截面模量远远大于开腔横梁，抵抗扭转的能力也很好。

③横梁与立柱之间有较大的间隙，可以吸收温差产生的热胀冷缩。因横梁与横梁角码之间的摩擦力很小，故其很难产生摩擦噪音。

④横梁浮搁在横梁角码上，在地震平面变形时可自由摆动，吸收地震作用，如图12所示。

⑤黎明的140系列幕墙唯一的缺点，就是每平方米要多用一公斤左右的铝料。在目前的市场环境看来，这可能也是致命的缺点。

图12 图13

横梁安装时如图13虚线所示，斜着把横梁推到立柱间合适位置，转成水平位置后，将其浮搁在横梁角码上。立柱和横梁的间隙里放置海绵橡胶，在其上打密封胶对横梁与立柱进行密封，并可限制横梁，使其不左右窜动。

(2).角码胀浮式

这种角码胀浮式连接方法结构设计合理，性能出色，造价也很有优势，非常值得推广应用，其主要特点如下：

图14

①在相同的用料情况下，横梁和立柱的这种方盒式结构强度最好，惯性矩、抵抗矩和抗扭截面模量是所有横梁和立柱结构形式里最大的，横梁本身抵御弯矩和扭矩的能力是非常出色的。

②这种方盒结构，横梁通过角码把力传递给了立柱，所以角码本身的强度和与立柱连接强度，对幕墙的性能至关重要。角码与立柱不宜用螺钉或穿堂螺栓来连接，应该用沉头自攻钉，原因如下：

a这种方盒式的立柱，如想安装螺栓必须在立柱上钻孔，用螺栓和螺母把横梁角码固定在立柱两

侧。在安装角码过程中为了施加足够的夹紧力，很容易将立柱校变形。如为了美观，需要在立柱上开大孔，穿入一个不锈钢套管。这样不仅增加了加工和材料成本，安装时也很困难。而且因螺杆与穿孔之间是间隙配合，在抵抗风荷载产生的弯矩和自重产生的扭矩时，对角码限不住位，横梁易产生扭转。

b强烈呼吁不要使用螺钉。螺钉安装时先攻丝，再把钉拧进去。实际上它是个间隙配合，容易进入水分，产生电化学腐蚀，影响立柱上螺纹的强度。和螺栓一样，它也存在螺钉和穿孔之间是间隙配合的问题。

c自攻钉是强行拧入的，在螺纹连接中它的配合最紧密。它的牙高和螺距均比普通螺钉要大。自攻钉在立柱上形成的螺纹是梯形，普通螺钉形成的是三角形的。这样自攻钉在立柱上形成的螺纹比机制钉更粗大，受力更好(铝的强度远远低于钢材，立柱上的螺纹是最薄弱的)。自攻钉应用沉头的，沉．．．．．．．．头钉和沉孔的配合能够有效的定位。这样可以牢牢的锁住角码，让它与立柱之间不产生偏转和滑移。如果用非沉头类的自攻钉，也存在和螺栓、螺钉同样的间隙配合问题。

立柱安装自攻钉的局部厚度不应小于4mm，角码加工沉孔部位的厚度7～8mm较为合适。自攻钉规格应选择ST4.8，数量4个，安装时钉头挂一点密封胶。

③横梁角码与横梁之间的前后总间隙(如图14放大图所示)应不大于0.2mm。这样横梁两端被整个横梁角码胀住(如图14中2所示)，限制了横梁扭转。横梁则浮搁在横梁角码上(如图14中A-A所示)可以自由伸缩，所以本结构取名为角码胀浮式。这种结构各连接部位和横梁本身都可以有效限制扭转，所以它在这些幕墙结构中抗扭能力最强。

④它的防震、减噪和吸收热应力的原理和横竖插接式是一样的。横梁与立柱之间的最小间隙应通过计算而定，但取2mm一般也就足够了。间隙需打胶进行密封，至于规范要求在立柱和横梁角码放置柔性垫片的办法减噪，有些想当然了。

这种连接方法在加工和安装时均有一些要求，对最后整个幕墙的质量非常重要，具体如下：

①角码下料尺寸应根据横梁内腔进行配切后确定。

②横梁下部两侧需冲或铣一个比角码厚度大1mm的豁口。

③横梁角码与横梁接触的上部两个角部最好倒园，安装横梁方便。

④钻立柱上横梁角码连接孔时最好用钻模定位(孔别钻的比自攻钉直径还大)。

⑤安装时先将角码挂在横梁两侧，然后将横梁放入立柱之间。用自攻钉拧入立柱上预钻好的孔，将角码安装到立柱上，最后将横梁放下(如图14中3所示)。

(3).角码插接式

角码胀浮式如严格定义的话，也应属于角码插接式。区别在于角码胀浮式是整个角码与横梁内腔配合，而角码插接式是角码的一边插入横梁内的槽口，并与之配合。根据其插接的位置不同可分为横向插接和竖向插接(如图15所示)。不论横向与竖向插接，横梁均可以是半闭腔或开腔结构。

图15

①由于角码插接式与横梁也是浮动连接，所以它的减噪和吸收热应力性能也同样很好。

②角码胀浮式是整个角码与整个横梁内腔配合，角码插接式是角码的一部分和横梁的一部分配合，所以角码插接式的角码连接处强度不如角码胀浮式。

③半闭腔横梁的抗扭截面模量一般只有角码胀浮式的一半左右。而开腔横梁的抗扭截面模量则低得可怜，一般是角码胀浮式的1/20～1/40，所以不宜把横梁设计成开腔结构。尤其重要的一点是即便是开腔横梁加了扣板，它也只能按开腔型材进行计算，不能想当然地认为它是闭腔的。抗扭截面模量的具体计算方法可以查阅有关材料力学书籍。

④角码横向插接式角码与横梁配合间隙(如图15放大图)如按防扭设计，应该取0～0.5mm为宜，如因型材误差及防震设计的要求间隙不应小于1mm，这个间隙的取值在此陷入两难境地。角码竖向插接式的防震间隙留在了下部，与防扭并不冲突。

⑤半闭腔横梁因安装空间狭小，一般安装两个螺栓或两个自攻钉，并且角码较小，所以角码与立柱的连接强度不好，容易产生扭转。

角码插接式如采用半闭腔横梁，且设计合理的情况下，是可以考虑使用的。

(4).通槽螺栓式

通槽螺栓式的横梁上有通长槽口可以让螺栓帽在里面滑动但不能转动。安装角码时。将其用螺母与预置在槽口内的螺栓连接牢固(如图16所示)。这个结构的本意可能是通过横梁与角码之间可滑动，来吸收温差带来的变形，应该说这样处理，达到了这个目的。但是它解决了一个问题的同时却带来了一些更大的问题。

图16

①螺纹连接失效问题

这种结构螺栓在热应力产生的蠕动作用下，如无可靠的的防脱落措施情况下，很容易失效。前文提到过在风荷载的作用下螺纹连接易失效的问题，而热应力比风荷载更难防范，并且它时时刻刻在起作用。

②噪音扰人的问题

不要以为横梁与角码之间可滑动就可以不产生噪音，那是自己一相情愿的想法。产生噪音首先要有足够大的动能。横梁和角码之间因有压力而存在静摩擦力。温差产生的热应力一开始并不足以克服静摩擦力，随着温差加大，这种力量越来越强。最后就会超过克服静摩擦力的临界值，突然产生相对滑动，在有一定接触面积和表面粗糙度的情况下，发出摩擦噪声。 而噪声的强度取决于以下几个要素：压力，刚性接触面积，表面摩擦系数。相应的，我们降低噪声强度的办法是：减少横梁与角码之间的压力、刚性接触面积和表面摩擦系数。

首先，在玻璃分格划分正常情况下采用浮动式连接，不需额外支出成本，即可取得良好的降噪效果。其次，当玻璃板块超大超重的时候，可以根据幕墙结构的不同采用合适的方法，确保幕墙“不鬼叫”。

在玻璃板块重量的作用下，摩擦噪音很微弱，一般人耳很难听到。而螺栓的夹紧力是玻璃板块重

量的4～20倍，其作用下产生的摩擦噪音清晰可闻。所以采用螺栓或螺钉人为增加横梁与横梁角码摩擦力的做法非常不可取。生活中我们对噪声扰人都是很反感的，己所不欲，勿施于人，作为一个有职业道德的从业人员，应慎重使用通槽螺栓式和双向锁死式结构。

在横梁角码和横梁之间采用线接触、放置摩擦系数很低的垫片(如尼龙)或是放置柔性垫片均是降低摩擦噪音的有效方法。

③通槽螺栓式也存在和角码插接式第②、③、⑤一样的问题

④强烈地震时结构易被破坏问题

在地震时，该结构横梁角码与立柱和横梁均连接牢固没有变形余地，对立柱的变形起了阻碍作用。而当地震强度较大时，立柱随主体结构产生的平面变形量也是很大的。当推动立柱变形的地震作用大于横梁和角码的阻碍作用时，会在横梁与立柱较弱的连接部位发生破坏，如图17，立柱与自攻钉处的铝材会被拉豁。当然地震的作用方式可以是横波或纵波，横梁与立柱各个连接部位的强度也是不一样，破坏方式不一定非得是图17所示意这样的。但强烈地震时，这种双向锁紧的结构的确容易出现被破坏问题，这也是不争的事实。当幕墙结构的安全性面临威胁的时候，是不是应该从自身设计上反省一下呢？

图17 地震中横梁和立柱连接破坏示意

(5).双向锁死式

通槽螺栓式如严格定义的话，也应属于双向锁死式。区别在于通槽螺栓式比双向锁死式要强那么一点点：在克服重重阻力后，通槽螺栓式的横梁与横梁角码之间还是可以伸缩的，而双向锁死式在连接被破坏之前，连机会都没有。双向锁死式将横梁与横梁角码，横梁角码与立柱两处用螺栓、螺钉、自攻钉等螺纹连接或抽钉全部锁死，其典型节点如图18。

图18

双向锁死式除了拥有通槽螺栓式全部的缺点外，因其将横梁与横梁角码完全锁死，完全限制了横梁的热胀冷缩，带来了极大的弊病。在横梁与角码的连接被破坏前，限制膨胀产生的挠度变形是很大的，以1400mm的横梁伸长2mm计算，其挠度值高达37，而横梁的允许变形只有7.8mm，可见不考虑热胀冷缩的因素危害有多大。实际上，产生这么大的挠度是根本不可能的，因为如此大的热应力早就把横梁与角码连接处的薄弱部位给破坏了，常见的是将横梁拉成长孔。如使用螺栓连接可能还好一点，用了其他几种连接，在热应力的反复作用下，其连接是很容易要失效的。某幕墙企业用类似的结构做的幕墙，曾发生过横梁和玻璃板块掉落的事故。引发事故的原因可能是多方面的，但安全性要求是100％，哪怕99.99％的安全性都可能意味着有财产和生命面临威胁。不可否认的是这种设计思想和方法，存在先天性的不足，给安全带来极大的隐患。

经过对这些常见的幕墙与横梁的连接结构的分析，总结出以下的方法和原则：

(1).横梁应采用尽量采用闭腔式结构。闭腔式结构不容易失稳，其壁厚一般较开腔式薄，不管从性能上还是经济性上都有优势。

(2).横梁与横梁角码的连接必须是浮动连接，并有平面变形空间，用以防震、减噪和吸收热应力。

(3).必须保证横梁角码与立柱的连接强度，让它们之间不产生相对滑动和转动。

(4).安装和加工必须方便，质量容易保证，并使横梁与立柱的连接结构可以被维修。

综上所述，角码胀浮式因其各种性能均很出色（连接强度、抗扭、抗风压、防震、减噪、吸收热应力、安装），并有相当好的经济性，非常值得推广。但在此又不无遗憾的是：尽管角码胀浮式是横梁与立柱连接结构里非常好的，但她也是与《玻璃幕墙工程质量验收标准》(139-2001)冲突最厉害的。JGJ139中5.2.11里第一条规定不允许使用自攻钉，第二条横梁与立柱连接应牢固不松动。这两条都有不合理的地方，第二条更是严重地违背了构件式幕墙设计的原理和一般自然规律。如符合第二条的要求，就得采用双向锁死式或通槽螺栓式。前文我们论述过了，这两种存在问题和隐患的设计结构的危害，所以强烈呼吁有关部门对该规范进行修改！