带插口式安装结构吊顶的防震设计

苏 江

顶棚也被称为天棚或天花板[1]，是位于楼层和屋顶下方的装饰结构。按照饰面与基层的关系，它可以分为直接式顶棚和悬吊挂式顶棚2 大类。悬吊挂式顶棚通常简称为吊顶，其装修面板与屋面板或楼板之间留有距离。这个空腔可以隐藏设备管线和结构，同时使顶棚在空间高度上产生变化，形成立体感，增强装饰效果。基于这些特点，吊顶被广泛应用。吊顶主要由吊筋、龙骨架和面层3 部分组成[1]。

顶棚的优化设计一直是房屋装修工程从业者研究的热门课题[1-6]，也是本文的研究对象。

1 装饰面板与龙骨的连接方法

装饰面板与龙骨的连接是室内装修的一个重要环节，采用合适的连接方法可以确保装饰面板的结构安全。

装饰面板与龙骨的连接方法有多种[2-6]，举例分析如下：

1）机械固定法。机械固定法是通过螺丝或钉子将装饰面板与龙骨固定在一起的方法。这种连接方式适用于轻质材料，如聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）、铝合金、铝塑板等，需要保证螺丝或钉子的长度和规格与板材匹配。机械固定法连接简单，成本较低，但如果螺丝或钉子规格不当或安装不牢固，会导致装饰面板掉落或龙骨变形。

2）夹紧连接法。夹紧连接法是通过特殊的夹子将装饰面板夹在龙骨上的方法。这种连接方式适用于较重的材料，如石膏板、钢龙骨等，该方法能保证装饰面板的平整度和结构安全性。夹紧连接法需要选择合适的夹子，夹紧的力度也需要掌握好，过紧会导致面板变形，过松则会导致面板松动。

3）磁吸连接法。磁吸连接法是通过装饰面板和龙骨上的磁铁吸附在一起的方法。这种连接方式适用于轻质材料，如铝扣板、木质装饰面板等。磁吸连接法操作简便，不需要使用工具，较美观，但是磁吸力度较小，不适用于长时间受力。

4）悬挂连接法。悬挂连接法是通过龙骨和吊钩将装饰面板吊起来的方法。这种连接方式适用于较重的材料，如大理石、玻璃等。悬挂连接法需要考虑龙骨和吊钩的承重能力，且安装时需要使用专业工具，成本较高。

需要注意，每种连接方法都有其适用范围和使用注意事项，选择合适的连接方法需要根据装饰面板的材质、重量和使用环境综合考虑。

综上，现有各种装饰面板与龙骨的连接方式都存在问题，主要表现在容易松动、震落、不美观、安装施工难度大、施工工期长、不耐久。此外，现有此类设计缺乏关于结构性能的完备分析计算。为解决这些问题，本文设计了一种快速安装且能抗震的顶棚结构并进行系统性的结构分析计算。该顶棚快速安装构造设计有降低造价、缩短工期和提高质量等重要作用。

2 构造设计及安装工艺简述

铰链将龙骨梁、龙骨吊杆及卡块铰接在一起，详见带插口式安装结构房屋吊顶部件示意图（图1）。

图1 带插口式安装结构房屋吊顶部件示意图（来源：作者自绘）

带插口式安装结构吊顶的工作原理为顶棚饰面板与T 字形卡接杆是一个整体，下面简称为工形饰面板，与之配合的是龙骨梁插口部件。龙骨梁插口部件由与龙骨吊杆铰接在一起的孔口龙骨梁和卡块组成。工作时铰接于龙骨梁上的2 个卡块卡住T 字形卡接杆上的卡帽，以阻止工形饰面板下落，达到固定顶棚饰面板的目的。

带插口式安装结构吊顶的安装方法如图2 所示，先将龙骨梁、龙骨吊杆及卡块铰接在一起，再将龙骨吊杆上端安装在别的龙骨上或直接连接在楼板上。将工形饰面板往上顶以便T字形卡接杆插入龙骨梁的插口，继续往上顶使卡块往上转动，直至卡帽底面高于卡块，然后卡块将在自重作用下自动往下转动，直至回落到初始位置，接着往下缓慢放下工形饰面板，即安装完毕。安装过程极其便捷。

图2 带插口式安装房屋吊顶防震结构安装过程示意图（来源：作者自绘）

龙骨梁的插口能阻止工形饰面板沿龙骨梁的横向移动而滑落，这样设计的顶棚具防震功能，结构安全可靠。

3 构件主要尺寸的影响因素及主要尺寸设计

3.1 安装过程的几何约束的影响

带插口式安装房屋吊顶防震构造设计原理参照图2，用两种方法计算滑块上铰链中心至A点的距离r如下：

方法1，利用滑块的尺寸进行计算，可得：

3.2 强度、刚度的影响

参考图1，假设各构件在垂直于纸面方向的厚度为h0，CE杆横截面为矩形g×h0，许用拉应力为[σ]，杆帽许用挤压应力为[σbs]，许用切应力为[τ]，铰链处插销剪切许用应力[τl]。

参照图1 并根据连接件的挤压强度计算方法，可得铰链处孔径d：

式中：F为整体式顶棚板的重力。

由铰链处挤压强度确定各构件在垂直于纸面方向的厚度h0：

注意，如果插销的许用挤压应力小，则上述卡块的[σbs，b]须用插销的许用挤压应力替换。

参照图1，由拉伸强度、剪切强度可确定CE杆横截面宽度g和杆帽厚度e，则分别为：

由挤压强度确定杆帽接触宽度b：

注意，如果卡块的许用挤压应力小，则上述[σbs]须用卡块的许用挤压应力替换。

卡块受力图如图3 所示，假定卡块重力可忽略不计，依据连接件的剪切强度确定计算方法。

图3 卡块受力图（来源：作者自绘）

由卡块剪切强度确定卡块的高度可得：

由龙骨梁刚度确定卡块底面接触长度。由于卡块承受到水平力H的作用，杆帽的分布压力引起绕F点的力偶可被平衡掉，因此A处铰作用在卡块上的力可忽略不计。

图4 中龙骨梁的俯视图如图1 和图2 所示，从俯视图可看出，龙骨梁的横截面宽度在2 小段长范围内有所变大，从而梁的弯曲刚度也将变大。然而，依据梁的弯曲变形理论，小段内横截面变化对于挠度和转角大小的影响极小，因而可忽略不计。于是，在分析龙骨梁在竖向平面内的平面弯曲变形时，龙骨梁可简化为等截面直梁进行计算，而不会对结果精准度产生多大影响。按照梁的弯曲变形理论计算[7-10]，得：

图4 龙骨梁计算模型（来源：作者自绘）

由θB≤[θ]及弯曲变形理论[7]，可得式（12）：

下面确定工形饰面板竖向位移、卡接杆长度，将式（5）代入式（6）后，不等式换成等式，即：

再将式（13）所得结果代入式（9）、式（10），取等号：

将式（12）取等号后，再将式（14）代入，可得：

将式（14）、式（15）和式（16）代入式（3）、式（4）得：

在式（18）中：

4 结语

本文提出带插口式安装结构吊顶防震构造，既进行了构造设计，又进行了分析计算。基于对强度、刚度和安装过程的几何约束分析，解剖了构造设计、安装工艺、关键部位强度对设计参数的影响。通过T 字形卡接杆与龙骨梁插口部件的配合，实现了工形饰面板的快速安装和防震功能，结构安全可靠。本文的创新点是：吊顶安装构造的插口式防震设计，安装过程的极限位置分析，简化计算模型的构建及其强度、刚度行为分析。该设计具有降低造价、缩短工期和提高质量等优点，可广泛应用于各种室内顶棚安装。该设计的推广应用将有助于推动建筑技术的工业化发展，提升室内装饰的安全性并缩短施工工期。