幕墙开启扇锁点安全的理论分析与实现

黄庆祥，刘艳，黄健锋，杨友富，康子新

（中建深圳装饰有限公司，广东 深圳 518000）

1 引言

开启扇脱落造成的安全事故近年来屡见不鲜， 通过分析导致各类玻璃幕墙开启扇事故的原因[1]可以发现，幕墙开启扇的破坏多发生在风荷载较大的沿海城市，其中，以高层或超高层建筑居多。 针对此类问题，2016 年，中国建筑装饰协会幕墙工程委员会制定了《关于淘汰建筑幕墙落后产品和技术的指导意见》， 在其中限制了开启扇面积：“开启扇尺寸不宜超过1.5 m2，严禁超过2.0 m2”；JGJ 102—2003《玻璃幕墙工程技术规范》 也限制了开启要求：“开启扇的开启角度不宜大于30°，开启距离不宜大于300 mm”； 还对幕墙开启扇的使用有明确规定：“幕墙工程竣工验收时，承包商应向业主提供《幕墙使用维护说明书》。 雨天或4 级以上风力的天气情况下不宜使用开启部位，6 级以上风力时，应全部关闭开启部位”。

2 项目试验结果分析

某项目窗扇基本情况为开启扇尺寸为1.5 m （宽）×1.3 m（高），风荷载设计值为6.0 kPa，根据分析计算，该窗扇布置锁点为12 点，合页为3 个，按每个锁点不超过1 200 N 控制，窗扇大样图如图1 所示。

依据厂家提供的检测报告选择锁点型号， 并进行安装及四性试验测试。 试验过程中，开启扇前期气密及水密均顺利通过，但是在抗风压检测时却出现锁点断裂情况。

通过试验数据可知，产品1 的理论破坏值（550 N）远小于厂家提供的最大破坏值（2 139 N）；产品2 的理论破坏值（972 N）也远小于厂家提供的最大破坏值（2 992 N）。对此结果，有两大疑问：（1）理论计算得出的锁点荷载是否与实际锁点受力情况一致；（2）厂家产品实际承载力与所提供的检测报告数值是否一致。

3 开启扇锁点荷载的理论分析

若计算出锁点荷载，首先要选择一个合理的计算模型。 从结构力学模型的角度来说， 开启扇锁点相当于以扇框为杆件的计算模型的支座。 开启扇锁点作为开启扇安全的重要设计环节，其重要性不言而喻，因此，不少规范对开启扇锁点的设置有明确的规定，例如，DG/TJ 08-56—2019《上海市建筑幕墙工程技术标准》中建议，“开启扇面积大于1.0 m2时，应采用多点锁。 锁点应根据计算确定，且锁点间距不宜大于600 mm，边距不应大于300 mm”。 规范明确指出，锁点应根据计算确定，计算假定和模型的选择将直接影响计算结果。 目前，常见的计算假定和模型有以下3 类。

1）假定每个锁点所受荷载相同。 此计算方法来源为DGTJ 08-2242—2017《上海民用建筑外窗应用技术规程》附录A。

根据规范中的公式可看出， 假定每个锁点受到的荷载相同时，由于这种假定过于理想化，根据此种假定计算出来的锁点荷载来选择适用的锁点产品，可能会存在较大的安全隐患。根据此种假定，单个锁点荷载为6 kPa×1.3 m×1.5 m/（12+3）=0.78 kN。

2）根据锁点受荷面积计算各锁点荷载。 荷载按45°导荷载到杆件， 每个锁点承担的荷载为分配的受荷面积乘以风荷载设计值，得出各点计算结果。

根据计算看出，各锁点荷载分布非常不均匀，最大值与最小值甚至相差数倍。 这种算法在一定程度上考虑了锁点荷载分布不均匀的影响，但是没有全面考虑多点锁（3 点及以上）窗扇作为超静定杆件的受力特性的影响， 故此种计算方法也与杆件实际受力特性有一定差异。 根据此种假定，单个锁点最大荷载为1 083.3 N。

3）通过有限元模拟分析计算各锁点荷载。 开启扇框通过组角码连接，各杆件节点间铰接连接。 窗扇杆件实际受力模型为带悬臂的超静定梁[2]，杆件变形对支座力的分配有一定的影响，所以，根据杆件实际截面参数输入并进行分析得出各锁点荷载计算结果。 为对比超静定梁杆件变形对支座荷载的影响，取消中间的合页。 根据结果对比可知，杆件变形对支座力有很大的影响，这种影响是前两种计算方案没有考虑的。 此种计算模型充分考虑了锁点分布、杆件受力特性等因素的影响，较为真实地模拟了窗扇锁点理论的受力情况， 对实际工程锁点的布置和选择都具有一定的指导意义。 根据此种假定，单个锁点最大荷载为1 097.7 N。

通过对比计算得出以下结论： 第一种计算假定偏不安全的， 第三种计算方法更接近实际情况。 从有限元分析结果可知，锁点荷载对杆件变形非常敏感。 根据对多个工程的总结，发现一些规律，比如，尽量减小上横框的尺寸，减小上横框两端的悬挑距离，如窗扇横框较宽时，应考虑增加合页数量；锁点布置可以通过试算确定，避免出现支座力反向的情况，出现此种情况应考虑调整合页的布置。

4 开启扇锁点承载力分析

对于厂家产品实际承载力与所提供的检测报告数值是否一致，可以根据节点构造对锁点进行受力分析。 （1）锁点与锁座在关闭状态下要保证有效接触及有效搭接量， 锁点才能发挥作用，否则锁点无效。 （2）力的作用点位于锁座锁点搭接部分的中间位置，锁点的不利截面位于锁头悬臂根部及卡槽处，受剪力、偏心弯矩等荷载作用，可能发生的破坏形式为锁点剪断或者拉弯，具体的破坏形态也与锁点的组成部分息息相关。

由于锁点本身是组合而成， 受力分析应综合考虑各个不利截面计算， 选取各不利截面承载力最小值作为产品的最大破坏值。 本文取其中一个不利截面进行分析，具体产品的承载力应综合分析或试验给定。

通过对比分析发现：

1）理论分析与厂家试验检测报告在一定程度上是相符的，但是产品应对使用条件有明确指导要求；

2）锁点锁座的搭接量影响锁点的承载力，理论分析的最大值与最小值相差1.5 倍以上， 对安全系数的影响非常大，加工安装中应严格控制；

3）厂家检测报告的值是在特定条件（指定搭接量）下的破坏值，在实际工程应用中应考虑足够的安全系数；

4）在产品选择上，尤其是锁点较多的开启扇，选择冲压成型或者铸造一体的锁点更有优势。

5 开启扇锁点实际荷载分析

本文通过有限元模拟分析部分锁点失效后的受力情况。将12 个锁点逆时针编号， 依次考虑1 个锁点、2 个锁点、3 个锁点失效的情况。

若锁点锁座搭接量仅2 mm，风压值到4 910 Pa 时，锁点即会破坏；风压值到3 325 Pa 时，锁点即有可能破坏。 若锁点锁座搭接量达到正常搭接量4 mm， 风压值到3 900 Pa 时，锁点也有可能破坏。 甚至在对锁点受力最有利的全搭接情况下，锁点也可能会破坏。 当有3 个锁点同时失效时，开启扇锁点已经不具备设计要求的功能了。

通过分析发现，当开启扇中可能存在失效锁点时，锁点的实际荷载就像开盲盒一样， 不知道哪个点会超出设计允许的范围，从一个点开始破坏，导致所有点破坏，最后整个开启扇出现安全问题。 随着锁点失效导致的剩余锁点荷载变大，不仅对锁点本身强度要求提高，对与之配合受力的锁座、锁座连接螺钉、窗框窗扇型材局部壁厚也有了更高的要求。 因此，除了理论分析各锁点的受力情况， 弄清楚锁点产品本身的实际承载力之外，如何保证锁点的有效性，也是急需解决、不容忽视的关键环节。

6 开启扇锁点有效性的实现

经过理论分析及试验情况可知， 开启扇锁点锁座实际配合的紧密程度直接影响开启扇锁点实际受力与理论模型受力贴合程度。 为此，针对在施工中如何采用简便的方式来检测锁点配合的有效性，方法和建议如下。

1）锁点与锁座的搭接尺寸。 市面上大部分厂家的锁点与锁座搭接的尺寸为5 mm 左右， 使用中控制在2~7 mm 为宜。可以通过窗框窗扇的相对偏差尺寸检测锁点锁座的配合尺寸，相对偏差在3 mm 内，锁点锁座配合尺寸是有效的，如果超过3 mm，则需重新考虑在加工组装环节对杆件尺寸、外轮廓进行控制，以保证锁点锁座的搭接。

2）锁点与锁座安装及检测。 （1）沿传动杆方向配合的检测及调整：锁点锁座在安装做过程中，会出现没有咬合或者咬合不紧情况，可通过使用橡皮泥来检测，即在锁座上抹适量橡皮泥，关闭、开启后根据橡皮泥变形的形态来检测锁点锁座是否对齐，如若没有配合上，则调整锁座沿传动杆方向位置。 该方案适合在试验或者样板确定五金定位位置时应用， 大批量生产时应提前根据样板确定安装尺寸， 过程中抽检亦可采用该方法检验。 （2）咬合紧密程度的检测及调整：在多点锁开启扇中，有的锁点咬合非常紧密，有的锁点没有咬合上。 可以通过橡皮泥来判别，根据锁座上被刮橡皮泥剩余的厚度来判定。 余留厚度较大的部位，需通过锁座长圆孔来调整，锁座的长圆孔可提供3~4 mm 前后调节量。 调整时，中间定位钉先不打，待调整好确定锁点锁座能够配合紧密后，再钻定位钉[3]。 如果通过调整锁座仍不满足，则再调整锁点的偏心轴，锁点偏心轴有1 mm 的调整空间， 锁座锁点共提供了4 mm 左右的调整空间，足够满足调整锁座锁点配合紧密。

锁点锁座调整到位后，再用1 张纸来检测窗的锁紧情况，即将1 张纸放置于窗框窗扇胶条处（靠近锁点锁座位置），闭合开启扇，拉拔纸张，若无法将纸轻易拉出，则表明开启扇闭合紧密，反之则需重新调整锁点锁座。 在靠近每个锁点锁座位置都检测一下，均较难拉出，则窗框窗扇配合较为紧密。

7 结语

本文指出，开启扇设计应从减小尺寸、减小荷载，即从根本上降低危险性；锁点的布置并非越多越好，对锁点的承载力及安全系数的取值， 厂家及行业应制定相关的检测标准和行业标准来指导施工实践； 锁点分析只是开启扇安全问题中的一部分，在建筑幕墙设计的过程中，由于开启扇脱钩、转动、掉落、组角码损坏、五金件脱落等情况，也都是开启扇安全应该关注的重点。 开启扇只是幕墙工程中极小的一部分，但是事关安全，值得业内设计施工人员的高度重视。