知識INFO
玻璃幕牆掛鈎式開(kāi)啟窗五金系統(tǒng)安全性分析
幕牆開(kāi)啟窗在日常使用過(guò)程中，五金系統(tǒng)故障已成為常見(jiàn)的質(zhì)量缺陷，由此引發(fā)的開(kāi)啟窗整體脫落將嚴(yán)重影響公共安全。本文對(duì)掛鈎式開(kāi)啟窗五金系統(tǒng)安全性進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，分析不同工況條件下的五金系統(tǒng)配件對(duì)開(kāi)啟窗整體安全性的影響，並對(duì)提升開(kāi)啟窗的安全性提出一些具體建議。本文可為玻璃幕牆開(kāi)啟窗的設(shè)計(jì)、安裝以及使用維護(hù)提供一定的參考。
0 引 言
玻璃幕牆開(kāi)啟窗常見(jiàn)工程質(zhì)量問(wèn)題主要有：玻璃外片脫落、開(kāi)啟窗整體脫落、五金系統(tǒng)故障等。在單元式玻璃幕牆常採用的掛鈎式開(kāi)啟窗出現(xiàn)安全性問(wèn)題的頻率較高。其常見(jiàn)的破壞形式有兩(liǎng)種：一是開(kāi)啟窗型材角部破壞、另一是開(kāi)啟窗脫鉤造成的整體脫落。某掛鈎式玻璃幕牆開(kāi)啟窗整體脫落的事故現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖1、圖2。
經(jīng)事後調(diào)查分析，發(fā)生開(kāi)啟窗脫落的主要原因是，事發(fā)前施工現(xiàn)場(chǎng)未正常鎖閉開(kāi)啟窗，在強(qiáng)風(fēng)反覆作用下，開(kāi)啟窗風(fēng)撐和窗扇連接失效，失去了風(fēng)撐的限位作用，開(kāi)啟扇頂部與橫梁反覆撞擊導(dǎo )致型材組角部位斷裂，從而導(dǎo )致開(kāi)啟窗整體脫落。所以為了保證掛鈎式開(kāi)啟窗的安全，應(yīng)做好開(kāi)啟窗五金系統(tǒng)的結(jié)構(gòu )設(shè)計(jì)、控制好施工安裝質(zhì)量以及注意平時(shí)使用維護(hù)等幾方面工作。
本文通過(guò)對(duì)掛鈎式開(kāi)啟窗五金系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，比較不同五金配置對(duì)開(kāi)啟窗安全性能的影響，進(jìn)而為開(kāi)啟窗的設(shè)計(jì)、施工提供一定的參考。
1 計(jì)算模型
計(jì)算模型主要分析在開(kāi)啟狀態(tài)下的五金系統(tǒng)主要受力部件（包括限位器、風(fēng)撐），在設(shè)計(jì)風(fēng)荷載和開(kāi)啟窗自重荷載作用下的力學(xué)性能是否滿(mǎn)足規(guī)範和設(shè)計(jì)要求。
1.1模型材料參數(shù)
開(kāi)啟窗各部分材料如下：窗扇型材為鋁合金，內(nèi)部鑲嵌中空玻璃；上部限位器為鋁合金材料，撐擋為不鏽鋼材料。材料的物理參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 材料參數(shù)
材料 名稱(chēng)
彈性 模量(GPa)
泊松比
密度(kg/m3)
屈服 強(qiáng)度(MPa)
極限抗拉強(qiáng)度(MPa)
鋁合金
68.9
0.33
2700
55.2
235
玻璃
55
0.25
2600
/
/
不鏽鋼
200
0.29
7900
310
620
1.2計(jì)算工況
為了完整分析結(jié)構(gòu )的安全性及穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu )計(jì)算工況見(jiàn)表2。
表2計(jì)算工況
工況編號(hào)
工況描述
說(shuō)明
一
限位器和風(fēng)撐 正常工作
風(fēng)撐限位器均正確安裝
二
僅限位器正常工作
風(fēng)撐損壞
三
限位器正常工作，僅一側風(fēng)撐正常工作
一側風(fēng)撐損壞
各工況下模型的計(jì)算方法為先整體，後局部的計(jì)算方法。首先，先對(duì)整個(gè)開(kāi)啟窗模型進(jìn)行分析，採用彈性方法進(jìn)行計(jì)算，將重力和設(shè)計(jì)風(fēng)荷載施加在模型受力面上，計(jì)算出各約束處的約束反力。然後，建立限位器、撐擋扇上部件和框上部件精細(xì)的有限元模型，並將整體模型所得的約束反力作為荷載精細(xì)有限元模型上，進(jìn)行彈塑性分析。最後，根據(jù)彈塑性有限分析結(jié)果評(píng)估整個(gè)模型的承載能力和安全性。下面具體分析每一工況下開(kāi)啟窗的五金系統(tǒng)主要受力部件的承載能力。
2 有限元分析結(jié)果
2.1 工況一：撐擋及限位器均正常工作
整體模型包括：窗扇（含玻璃）、上部限位器、頂部掛鈎以及窗框與窗扇間連接的撐擋。整體模型見(jiàn)圖3。
模型採用映射網(wǎng)格劃(huà)分方法，劃(huà)分之後總計(jì)15770個(gè)單元。對(duì)於主體模型單元採用殼單元進(jìn)行模擬，對(duì)於下部兩(liǎng)邊的撐擋部件採用線(xiàn )單元進(jìn)行模擬。模型建立時(shí)沿短邊自左向右布置為X正方向，長(zhǎng)邊方向自下向上為Y正方向，垂直於玻璃面並指向窗外為Z正方向。模型建立完成後，對(duì)模型施加邊界約束條件。針對(duì)模型的實(shí)際工作狀態(tài)，分別對(duì)撐擋支撐杆末端、上部限位器和頂部掛鈎三處施加約束。 1）開(kāi)啟窗約束反力
分析在風(fēng)荷載2.19kPa和重力荷載條件下，各個(gè)約束端全部正常工作時(shí)，整體模型的各個(gè)約束處的力的大小。通過(guò)計(jì)算可得，整體模型在工況一下得出的約束反力見(jiàn)表3。
表3整體模型約束反力
約束反力
反力值/kN
上部限位器反力
1.67
下端撐擋支撐杆Y向反力
1.28
下端撐擋支撐杆Z向反力
2.11
將得到的約束反力加在撐擋扇上部件、框上部件及限位器模型上，並對(duì)其進(jìn)行彈塑性分析，從而判斷各個(gè)約束部位的工作狀況。 2）限位器分析 整體模型採用自由劃(huà)分的方法劃(huà)分網(wǎng)格，共4000個(gè)單元，實(shí)體部分採用實(shí)體單元。對(duì)模型上的三個(gè)固定螺絲孔施加約束，作為模型的約束條件，將之前所得限位器底端承受的荷載加載到限位器下部突出處。考慮到限位器並非下部整體受力，故僅在下部一半長(zhǎng)度上的單元結(jié)點(diǎn)上施加荷載，模擬較為真實(shí)的限位器與開(kāi)啟窗的接觸情況。 模型建立完畢，採用彈塑性分析方法分析模型受力後的變形與應(yīng)力狀況。計(jì)算結(jié)果分位移向量及等效塑性應(yīng)力，分別如圖4、圖5所示。
由計(jì)算結(jié)果可知，限位器的位移主要發(fā)生在端部受力部分，最大位移為0.46mm。從應(yīng)力雲圖上可以看出，荷載作用下，絕大部分區(qū)域處在彈性範圍內(nèi)，較大的塑性應(yīng)力僅發(fā)生在力作用部位小範圍內(nèi)，塑性應(yīng)力發(fā)展區(qū)域約佔寬度的1/2，且沒有貫通。因此，限位器是安全的。 3）撐擋扇上部件分析
整體模型採用自由劃(huà)分的方法劃(huà)分網(wǎng)格，共224個(gè)單元，實(shí)體部分採用殼平面單元。對(duì)模型上的兩(liǎng)個(gè)固定螺絲孔施加約束，作為模型的約束條件，將之前所得撐擋支撐杆末端的荷載加載於下部連接孔處。考慮到連接孔並非全孔受力，故僅在與撐擋支撐杆相接觸的半圓區(qū)域結(jié)點(diǎn)上施加荷載，以此來(lái)模擬較為真實(shí)的撐擋扇上部件與窗扇的接觸情況。
模型建立完畢，採用彈塑性分析方法分析模型受力後的變形與應(yīng)力狀況。計(jì)算結(jié)果分位移向量及等效塑性應(yīng)力，分別如圖6、圖7所示。從位移雲圖可以看出，位移主要集中在受力螺孔周圍，並且距離約束螺孔越遠(yuǎn)位移越大，最大位移0.065mm。從塑性等效應(yīng)力雲圖中可以看出荷載作用下，絕大部分區(qū)域處在彈性範圍內(nèi)，較大的塑性應(yīng)力僅發(fā)生在中間螺孔周邊區(qū)域的極小範圍內(nèi)，最大值為312MPa，且沒有貫通。所以可以得出結(jié)論：撐擋扇上部件也是安全的。
4）撐擋框上部件分析
主體底板模型採用自由劃(huà)分的方法劃(huà)分網(wǎng)格，兩(liǎng)邊的肋板及擋板採用映射劃(huà)分的方法，劃(huà)分完成後共2993個(gè)單元，實(shí)體部分採用殼平面單元。對(duì)模型上的兩(liǎng)個(gè)固定螺絲孔部分區(qū)域施加約束，將實(shí)際中受拉力作用區(qū)域的約束放鬆，以此作為模型的約束條件，將之前所得撐擋支撐杆承受的荷載分別施加到撐擋框上部件擋塊上和撐擋框上部件右側與實(shí)際連接滑塊長(zhǎng)度相等的單元結(jié)點(diǎn)上，以此來(lái)模擬撐擋框上部件與撐擋支撐杆的接觸情況。
模型建立完畢，採用彈塑性大變形分析方法分析模型受力後的變形與應(yīng)力狀況。計(jì)算結(jié)果分位移向量及等效塑性應(yīng)力，最終一步計(jì)算後所得結(jié)果分別如圖8、圖9所示。
從位移向量雲圖可以看出，位移主要發(fā)生在受力位置邊緣及其相對(duì)的肋板邊緣，呈受力彎曲形狀，位移向兩(liǎng)邊減小，最大位移為3.063mm。再觀(guān)察塑性等效應(yīng)力雲圖，可以看出荷載作用下，絕大部分區(qū)域處在彈性範圍內(nèi)，較大的塑性應(yīng)力僅發(fā)生在下部約束螺孔周邊區(qū)域的範圍內(nèi)，並且塑性應(yīng)力區(qū)域向上發(fā)展，大部分區(qū)域塑性應(yīng)力較小，局部小範圍有集中的較大應(yīng)力，但沒有貫通，所以撐擋框上部件也是安全的。 5）結(jié)果分析
由各個(gè)構(gòu )件的彈塑性分析結(jié)果可知，當(dāng)上部兩(liǎng)側限位器和下部兩(liǎng)側撐擋均正常工作情況下，各個(gè)構(gòu )件的應(yīng)力並未超過(guò)極限抗拉強(qiáng)度，雖在局部出現(xiàn)塑性應(yīng)力區(qū)，但應(yīng)力區(qū)並未貫通，且應(yīng)力沒有達(dá)到極限強(qiáng)度，因此，整體結(jié)構(gòu )是安全的。
2.2工況二：僅有上部限位器正常工作
儘管結(jié)構(gòu )安裝限位器之後對(duì)結(jié)構(gòu )的整體安全性及穩(wěn)定性均有改善，但是在實(shí)際服役過(guò)程中，上部的限位器與下部的撐擋基本上不能實(shí)現(xiàn)同時(shí)發(fā)揮作用，這也就導(dǎo )致了破壞的產(chǎn)生也不可能是同時(shí)的。因此有必要分析當(dāng)下部的兩(liǎng)處撐擋發(fā)生破壞後，僅有上部的限位器繼續(xù)服役時(shí)結(jié)構(gòu )的整體情況。
1）僅有上部限位器工況下開(kāi)啟窗整體模型的約束反力
分析在實(shí)際風(fēng)荷載和重力作用下，僅有上部限位器約束時(shí)，整體模型約束力的大小。通過(guò)計(jì)算可得，整體模型在下端撐擋支撐杆的約束處產(chǎn)生的限位器約束力為23.43kN，此力通過(guò)窗框上部一處突出塊體施加在窗框上，進(jìn)而對(duì)開(kāi)啟窗模型施以反力。
將得到的約束反力加在限位器模型上，並對(duì)其進(jìn)行彈塑性分析，從而判斷各個(gè)約束部位的工作狀況。
2）限位器分析
此處的力學(xué)分析模型與之前相同，僅在荷載大小上發(fā)生變化。採用彈塑性方法進(jìn)行計(jì)算，採用分級(jí)加載，共分10級(jí)，當(dāng)荷載加載到第2步時(shí)，計(jì)算不收斂。第1步的計(jì)算結(jié)果如圖10、11圖所示。
位移向量雲圖中最大位移1.423mm，主要集中在限位器與窗體接觸部位的邊緣，極易導(dǎo )致二者之間發(fā)生脫離；塑性等效應(yīng)力雲圖中可以看出在工況二狀態(tài)下，限位器底部邊緣地區(qū)極易出現(xiàn)塑性屈服，當(dāng)其屈服破壞後，限位器便會(huì)喪失約束能力，進(jìn)而導(dǎo )致開(kāi)啟窗模型整體破壞。
3）結(jié)果分析
經(jīng)過(guò)以上計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下部撐擋失效或由於安裝原因而無(wú)法正常工作、或者下部撐擋先後發(fā)生破壞時(shí)，整個(gè)開(kāi)啟窗模型的穩(wěn)定性則完全由上部的兩(liǎng)側限位器來(lái)維持。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，限位器底部邊緣極易發(fā)生屈服破壞，產(chǎn)生塑性變形。一方面由於限位器自身強(qiáng)度不足產(chǎn)生破壞，導(dǎo )致限位器自身無(wú)法繼續(xù)約束開(kāi)啟窗；另一方面當(dāng)塑性變形增大到一定程度時(shí)，限位器與開(kāi)啟窗之間的接觸變得極不牢靠，極易發(fā)生脫離，從而喪失約束能力。經(jīng)過(guò)以上計(jì)算分析，表明了結(jié)構(gòu )已經(jīng)完全無(wú)法繼續(xù)服役了。又因為總荷載為2.34kN，所以當(dāng)加在限位器上的荷載超過(guò)4.69kN時(shí)，限位器就會(huì)發(fā)生破壞。
2.3工況三：上部限位器正常工作，下部撐擋僅單側處於正常工作狀態(tài)
在上部限位器正常安裝狀態(tài)下，下部撐擋約束由於安裝誤差或使用磨損而可能導(dǎo )致某一側撐擋失效，致使下部撐擋約束產(chǎn)生僅單側處於正常工作的狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，單邊的撐擋約束是否能維持開(kāi)啟窗的安全穩(wěn)定性，是工況三主要考察的問(wèn)題。
分析在風(fēng)荷載和重力作用下，上部限位器正常安裝，下部右側撐擋為單邊正常工作狀態(tài)時(shí)，整體模型約束處力的大小。通過(guò)計(jì)算可得，整體模型在下端右側撐擋支撐杆及限位器的約束處產(chǎn)生的約束力見(jiàn)表4。
表4整體模型約束反力
反力位置
反力值/kN
上部限位器反力
11.07/0.47
右側撐擋支撐杆Y向反力
2.07
右側撐擋支撐杆Z向反力
3.43
由於下部撐擋單邊正常工作，導(dǎo )致整體開(kāi)啟窗模型約束反力的不對(duì)稱(chēng)，故而上部兩(liǎng)側的限位器約束反力值出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象。
根據(jù)之前的結(jié)論可知，當(dāng)限位器上施加的荷載超過(guò)4.69kN時(shí)，限位器就會(huì)發(fā)生破壞，而此時(shí)左側限位器上所施加的荷載已經(jīng)達(dá)到11.07kN，所以在該過(guò)程中左側限位器最先破壞。當(dāng)左側限位器破壞後，開(kāi)啟窗模型僅剩右側撐擋支撐杆與右側限位器約束髮揮作用，此時(shí)的約束反力值統(tǒng)計(jì)於表5。
表5左側限位器破壞後約束反力
反力位置
反力值/kN
右側限位器反力
0.57
右側撐擋支撐杆Y向反力
2.75
右側撐擋支撐杆Z向反力
4.55
當(dāng)僅剩右側撐擋與右側限位器約束之後，對(duì)比工況一可知，此時(shí)撐擋約束上的力已然超過(guò)了撐擋破壞時(shí)所受的力，因此撐擋會(huì)隨之發(fā)生破壞。之後僅留下右側限位器，也很快發(fā)生破壞。因此最終的破壞順序為左側限位器最先破壞，進(jìn)而導(dǎo )致右側撐擋發(fā)生破壞，最終右側限位器發(fā)生破壞，這便是整個(gè)工況三狀態(tài)下開(kāi)啟窗模型的破壞順序與機(jī)理。
基於上述三種工況下的計(jì)算分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：首先，在進(jìn)行限位器加固，且工作正常的情況下，由於限位器的約束作用，而使撐擋扇上部件和框上部件所受的荷載進(jìn)一步減少，因此，提高了開(kāi)啟窗的安全性。其次，當(dāng)下部撐擋失效或由於安裝原因而無(wú)法正常工作。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，限位器底部邊緣極易發(fā)生屈服破壞並產(chǎn)生塑性變形。最後，進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果下部撐擋僅單側處於正常工作狀態(tài)，窗的約束都將發(fā)生破壞，從而使窗成為一個(gè)機(jī)構(gòu )而有發(fā)生脫落的風(fēng)險(xiǎn)。
3 結(jié) 論
對(duì)於掛鈎式開(kāi)啟窗，五金系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)以及精確安裝對(duì)於保證開(kāi)啟窗整體安全性十分重要。本文提出以下幾方面建議：
1）對(duì)於既有玻璃幕牆開(kāi)啟窗，可額外裝配防墜鉸鏈，來(lái)提高開(kāi)啟窗整體安全性。
2）對(duì)於高度大於2m的掛鈎式開(kāi)啟窗，可每邊設(shè)置2對(duì)限位器，以防止發(fā)生開(kāi)啟窗脫鉤並整體脫落的安全事故。
3）開(kāi)啟窗型材與五金件連接部位，應(yīng)做局部加厚處理，同時(shí)選用優(yōu)質(zhì)緊固件，保證連接部位強(qiáng)度。
4）平時(shí)應(yīng)加強(qiáng)開(kāi)啟窗維護(hù)保養(yǎng)，及時(shí)處理開(kāi)啟窗五金系統(tǒng)存在的質(zhì)量問(wèn)題。
作者 李聰 張喜臣
參考文獻(xiàn)
[1]中國(guó)建築科學(xué)研究院.JGJ102-2003玻璃幕牆工程技術(shù)規(guī)範[S].北京:中國(guó)建築工業(yè)出版社,2003.
[2]中國(guó)建築科學(xué)研究院.GB50009-2012建築結(jié)構(gòu )荷載規(guī)範[S].北京:中國(guó)建築工業(yè)出版社,2012.
[3]中國(guó)建築金屬協(xié)會(huì).JGJ214-2010鋁合金門(mén)窗工程技術(shù)規(guī)範[S].北京:中國(guó)建築工業(yè)出版社,2010.
[4]中國(guó)建築金屬協(xié)會(huì)建築門(mén)窗配套件委員會(huì).JG/T126-2017建築門(mén)窗五金件 傳動(dòng)鎖閉器[S].北京:中國(guó)建築工業(yè)出版社,2017.
[5]中國(guó)建築金屬協(xié)會(huì)建築門(mén)窗配套件委員會(huì).JG/T128-2017建築門(mén)窗五金件 撐擋[S].北京:中國(guó)建築工業(yè)出版社,2017.
分類(lèi)：生活
標(biāo)籤：睿歐門(mén)窗
發(fā)表評(píng)論
熱門(mén)標(biāo)籤
門(mén)窗品牌網(wǎng) （www.doors10.com）專(zhuān)業(yè)提供中國(guó)斷橋鋁門(mén)窗,鋁合金門(mén)窗,鋁包木門(mén)窗等系列產(chǎn)品,斷橋鋁門(mén)窗與鋁合金門(mén)窗優(yōu)選門(mén)窗十大品牌網(wǎng),產(chǎn)品價(jià)格等信息周全。
主辦及指導(dǎo )機(jī)構(gòu )：中國(guó)門(mén)窗營(yíng)銷(xiāo)協(xié)會(huì)
粵ICP備20041577號(hào) Copyright © 2017-2019 門(mén)窗品牌網(wǎng) 版權(quán)所有
玻璃幕牆掛鈎式開(kāi)啟窗五金系統(tǒng)安全性分析
幕牆開(kāi)啟窗在日常使用過(guò)程中，五金系統(tǒng)故障已成為常見(jiàn)的質(zhì)量缺陷，由此引發(fā)的開(kāi)啟窗整體脫落將嚴(yán)重影響公共安全。本文對(duì)掛鈎式開(kāi)啟窗五金系統(tǒng)安全性進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，分析不同工況條件下的五金系統(tǒng)配件對(duì)開(kāi)啟窗整體安全性的影響，並對(duì)提升開(kāi)啟窗的安全性提出一些具體建議。本文可為玻璃幕牆開(kāi)啟窗的設(shè)計(jì)、安裝以及使用維護(hù)提供一定的參考。
0 引 言
玻璃幕牆開(kāi)啟窗常見(jiàn)工程質(zhì)量問(wèn)題主要有：玻璃外片脫落、開(kāi)啟窗整體脫落、五金系統(tǒng)故障等。在單元式玻璃幕牆常採用的掛鈎式開(kāi)啟窗出現(xiàn)安全性問(wèn)題的頻率較高。其常見(jiàn)的破壞形式有兩(liǎng)種：一是開(kāi)啟窗型材角部破壞、另一是開(kāi)啟窗脫鉤造成的整體脫落。某掛鈎式玻璃幕牆開(kāi)啟窗整體脫落的事故現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖1、圖2。
經(jīng)事後調(diào)查分析，發(fā)生開(kāi)啟窗脫落的主要原因是，事發(fā)前施工現(xiàn)場(chǎng)未正常鎖閉開(kāi)啟窗，在強(qiáng)風(fēng)反覆作用下，開(kāi)啟窗風(fēng)撐和窗扇連接失效，失去了風(fēng)撐的限位作用，開(kāi)啟扇頂部與橫梁反覆撞擊導(dǎo )致型材組角部位斷裂，從而導(dǎo )致開(kāi)啟窗整體脫落。所以為了保證掛鈎式開(kāi)啟窗的安全，應(yīng)做好開(kāi)啟窗五金系統(tǒng)的結(jié)構(gòu )設(shè)計(jì)、控制好施工安裝質(zhì)量以及注意平時(shí)使用維護(hù)等幾方面工作。
本文通過(guò)對(duì)掛鈎式開(kāi)啟窗五金系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，比較不同五金配置對(duì)開(kāi)啟窗安全性能的影響，進(jìn)而為開(kāi)啟窗的設(shè)計(jì)、施工提供一定的參考。
1 計(jì)算模型
計(jì)算模型主要分析在開(kāi)啟狀態(tài)下的五金系統(tǒng)主要受力部件（包括限位器、風(fēng)撐），在設(shè)計(jì)風(fēng)荷載和開(kāi)啟窗自重荷載作用下的力學(xué)性能是否滿(mǎn)足規(guī)範和設(shè)計(jì)要求。
1.1模型材料參數(shù)
開(kāi)啟窗各部分材料如下：窗扇型材為鋁合金，內(nèi)部鑲嵌中空玻璃；上部限位器為鋁合金材料，撐擋為不鏽鋼材料。材料的物理參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 材料參數(shù)
材料 名稱(chēng)
彈性 模量(GPa)
泊松比
密度(kg/m3)
屈服 強(qiáng)度(MPa)
極限抗拉強(qiáng)度(MPa)
鋁合金
68.9
0.33
2700
55.2
235
玻璃
55
0.25
2600
/
/
不鏽鋼
200
0.29
7900
310
620
1.2計(jì)算工況
為了完整分析結(jié)構(gòu )的安全性及穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu )計(jì)算工況見(jiàn)表2。
表2計(jì)算工況
工況編號(hào)
工況描述
說(shuō)明
一
限位器和風(fēng)撐 正常工作
風(fēng)撐限位器均正確安裝
二
僅限位器正常工作
風(fēng)撐損壞
三
限位器正常工作，僅一側風(fēng)撐正常工作
一側風(fēng)撐損壞
各工況下模型的計(jì)算方法為先整體，後局部的計(jì)算方法。首先，先對(duì)整個(gè)開(kāi)啟窗模型進(jìn)行分析，採用彈性方法進(jìn)行計(jì)算，將重力和設(shè)計(jì)風(fēng)荷載施加在模型受力面上，計(jì)算出各約束處的約束反力。然後，建立限位器、撐擋扇上部件和框上部件精細(xì)的有限元模型，並將整體模型所得的約束反力作為荷載精細(xì)有限元模型上，進(jìn)行彈塑性分析。最後，根據(jù)彈塑性有限分析結(jié)果評(píng)估整個(gè)模型的承載能力和安全性。下面具體分析每一工況下開(kāi)啟窗的五金系統(tǒng)主要受力部件的承載能力。
2 有限元分析結(jié)果
2.1 工況一：撐擋及限位器均正常工作
整體模型包括：窗扇（含玻璃）、上部限位器、頂部掛鈎以及窗框與窗扇間連接的撐擋。整體模型見(jiàn)圖3。
模型採用映射網(wǎng)格劃(huà)分方法，劃(huà)分之後總計(jì)15770個(gè)單元。對(duì)於主體模型單元採用殼單元進(jìn)行模擬，對(duì)於下部兩(liǎng)邊的撐擋部件採用線(xiàn )單元進(jìn)行模擬。模型建立時(shí)沿短邊自左向右布置為X正方向，長(zhǎng)邊方向自下向上為Y正方向，垂直於玻璃面並指向窗外為Z正方向。模型建立完成後，對(duì)模型施加邊界約束條件。針對(duì)模型的實(shí)際工作狀態(tài)，分別對(duì)撐擋支撐杆末端、上部限位器和頂部掛鈎三處施加約束。 1）開(kāi)啟窗約束反力
分析在風(fēng)荷載2.19kPa和重力荷載條件下，各個(gè)約束端全部正常工作時(shí)，整體模型的各個(gè)約束處的力的大小。通過(guò)計(jì)算可得，整體模型在工況一下得出的約束反力見(jiàn)表3。
表3整體模型約束反力
約束反力
反力值/kN
上部限位器反力
1.67
下端撐擋支撐杆Y向反力
1.28
下端撐擋支撐杆Z向反力
2.11
將得到的約束反力加在撐擋扇上部件、框上部件及限位器模型上，並對(duì)其進(jìn)行彈塑性分析，從而判斷各個(gè)約束部位的工作狀況。 2）限位器分析 整體模型採用自由劃(huà)分的方法劃(huà)分網(wǎng)格，共4000個(gè)單元，實(shí)體部分採用實(shí)體單元。對(duì)模型上的三個(gè)固定螺絲孔施加約束，作為模型的約束條件，將之前所得限位器底端承受的荷載加載到限位器下部突出處。考慮到限位器並非下部整體受力，故僅在下部一半長(zhǎng)度上的單元結(jié)點(diǎn)上施加荷載，模擬較為真實(shí)的限位器與開(kāi)啟窗的接觸情況。 模型建立完畢，採用彈塑性分析方法分析模型受力後的變形與應(yīng)力狀況。計(jì)算結(jié)果分位移向量及等效塑性應(yīng)力，分別如圖4、圖5所示。
由計(jì)算結(jié)果可知，限位器的位移主要發(fā)生在端部受力部分，最大位移為0.46mm。從應(yīng)力雲圖上可以看出，荷載作用下，絕大部分區(qū)域處在彈性範圍內(nèi)，較大的塑性應(yīng)力僅發(fā)生在力作用部位小範圍內(nèi)，塑性應(yīng)力發(fā)展區(qū)域約佔寬度的1/2，且沒有貫通。因此，限位器是安全的。 3）撐擋扇上部件分析
整體模型採用自由劃(huà)分的方法劃(huà)分網(wǎng)格，共224個(gè)單元，實(shí)體部分採用殼平面單元。對(duì)模型上的兩(liǎng)個(gè)固定螺絲孔施加約束，作為模型的約束條件，將之前所得撐擋支撐杆末端的荷載加載於下部連接孔處。考慮到連接孔並非全孔受力，故僅在與撐擋支撐杆相接觸的半圓區(qū)域結(jié)點(diǎn)上施加荷載，以此來(lái)模擬較為真實(shí)的撐擋扇上部件與窗扇的接觸情況。
模型建立完畢，採用彈塑性分析方法分析模型受力後的變形與應(yīng)力狀況。計(jì)算結(jié)果分位移向量及等效塑性應(yīng)力，分別如圖6、圖7所示。從位移雲圖可以看出，位移主要集中在受力螺孔周圍，並且距離約束螺孔越遠(yuǎn)位移越大，最大位移0.065mm。從塑性等效應(yīng)力雲圖中可以看出荷載作用下，絕大部分區(qū)域處在彈性範圍內(nèi)，較大的塑性應(yīng)力僅發(fā)生在中間螺孔周邊區(qū)域的極小範圍內(nèi)，最大值為312MPa，且沒有貫通。所以可以得出結(jié)論：撐擋扇上部件也是安全的。
4）撐擋框上部件分析
主體底板模型採用自由劃(huà)分的方法劃(huà)分網(wǎng)格，兩(liǎng)邊的肋板及擋板採用映射劃(huà)分的方法，劃(huà)分完成後共2993個(gè)單元，實(shí)體部分採用殼平面單元。對(duì)模型上的兩(liǎng)個(gè)固定螺絲孔部分區(qū)域施加約束，將實(shí)際中受拉力作用區(qū)域的約束放鬆，以此作為模型的約束條件，將之前所得撐擋支撐杆承受的荷載分別施加到撐擋框上部件擋塊上和撐擋框上部件右側與實(shí)際連接滑塊長(zhǎng)度相等的單元結(jié)點(diǎn)上，以此來(lái)模擬撐擋框上部件與撐擋支撐杆的接觸情況。
模型建立完畢，採用彈塑性大變形分析方法分析模型受力後的變形與應(yīng)力狀況。計(jì)算結(jié)果分位移向量及等效塑性應(yīng)力，最終一步計(jì)算後所得結(jié)果分別如圖8、圖9所示。
從位移向量雲圖可以看出，位移主要發(fā)生在受力位置邊緣及其相對(duì)的肋板邊緣，呈受力彎曲形狀，位移向兩(liǎng)邊減小，最大位移為3.063mm。再觀(guān)察塑性等效應(yīng)力雲圖，可以看出荷載作用下，絕大部分區(qū)域處在彈性範圍內(nèi)，較大的塑性應(yīng)力僅發(fā)生在下部約束螺孔周邊區(qū)域的範圍內(nèi)，並且塑性應(yīng)力區(qū)域向上發(fā)展，大部分區(qū)域塑性應(yīng)力較小，局部小範圍有集中的較大應(yīng)力，但沒有貫通，所以撐擋框上部件也是安全的。 5）結(jié)果分析
由各個(gè)構(gòu )件的彈塑性分析結(jié)果可知，當(dāng)上部兩(liǎng)側限位器和下部兩(liǎng)側撐擋均正常工作情況下，各個(gè)構(gòu )件的應(yīng)力並未超過(guò)極限抗拉強(qiáng)度，雖在局部出現(xiàn)塑性應(yīng)力區(qū)，但應(yīng)力區(qū)並未貫通，且應(yīng)力沒有達(dá)到極限強(qiáng)度，因此，整體結(jié)構(gòu )是安全的。
2.2工況二：僅有上部限位器正常工作
儘管結(jié)構(gòu )安裝限位器之後對(duì)結(jié)構(gòu )的整體安全性及穩(wěn)定性均有改善，但是在實(shí)際服役過(guò)程中，上部的限位器與下部的撐擋基本上不能實(shí)現(xiàn)同時(shí)發(fā)揮作用，這也就導(dǎo )致了破壞的產(chǎn)生也不可能是同時(shí)的。因此有必要分析當(dāng)下部的兩(liǎng)處撐擋發(fā)生破壞後，僅有上部的限位器繼續(xù)服役時(shí)結(jié)構(gòu )的整體情況。
1）僅有上部限位器工況下開(kāi)啟窗整體模型的約束反力
分析在實(shí)際風(fēng)荷載和重力作用下，僅有上部限位器約束時(shí)，整體模型約束力的大小。通過(guò)計(jì)算可得，整體模型在下端撐擋支撐杆的約束處產(chǎn)生的限位器約束力為23.43kN，此力通過(guò)窗框上部一處突出塊體施加在窗框上，進(jìn)而對(duì)開(kāi)啟窗模型施以反力。
將得到的約束反力加在限位器模型上，並對(duì)其進(jìn)行彈塑性分析，從而判斷各個(gè)約束部位的工作狀況。
2）限位器分析
此處的力學(xué)分析模型與之前相同，僅在荷載大小上發(fā)生變化。採用彈塑性方法進(jìn)行計(jì)算，採用分級(jí)加載，共分10級(jí)，當(dāng)荷載加載到第2步時(shí)，計(jì)算不收斂。第1步的計(jì)算結(jié)果如圖10、11圖所示。
位移向量雲圖中最大位移1.423mm，主要集中在限位器與窗體接觸部位的邊緣，極易導(dǎo )致二者之間發(fā)生脫離；塑性等效應(yīng)力雲圖中可以看出在工況二狀態(tài)下，限位器底部邊緣地區(qū)極易出現(xiàn)塑性屈服，當(dāng)其屈服破壞後，限位器便會(huì)喪失約束能力，進(jìn)而導(dǎo )致開(kāi)啟窗模型整體破壞。
3）結(jié)果分析
經(jīng)過(guò)以上計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下部撐擋失效或由於安裝原因而無(wú)法正常工作、或者下部撐擋先後發(fā)生破壞時(shí)，整個(gè)開(kāi)啟窗模型的穩(wěn)定性則完全由上部的兩(liǎng)側限位器來(lái)維持。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，限位器底部邊緣極易發(fā)生屈服破壞，產(chǎn)生塑性變形。一方面由於限位器自身強(qiáng)度不足產(chǎn)生破壞，導(dǎo )致限位器自身無(wú)法繼續(xù)約束開(kāi)啟窗；另一方面當(dāng)塑性變形增大到一定程度時(shí)，限位器與開(kāi)啟窗之間的接觸變得極不牢靠，極易發(fā)生脫離，從而喪失約束能力。經(jīng)過(guò)以上計(jì)算分析，表明了結(jié)構(gòu )已經(jīng)完全無(wú)法繼續(xù)服役了。又因為總荷載為2.34kN，所以當(dāng)加在限位器上的荷載超過(guò)4.69kN時(shí)，限位器就會(huì)發(fā)生破壞。
2.3工況三：上部限位器正常工作，下部撐擋僅單側處於正常工作狀態(tài)
在上部限位器正常安裝狀態(tài)下，下部撐擋約束由於安裝誤差或使用磨損而可能導(dǎo )致某一側撐擋失效，致使下部撐擋約束產(chǎn)生僅單側處於正常工作的狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，單邊的撐擋約束是否能維持開(kāi)啟窗的安全穩(wěn)定性，是工況三主要考察的問(wèn)題。
分析在風(fēng)荷載和重力作用下，上部限位器正常安裝，下部右側撐擋為單邊正常工作狀態(tài)時(shí)，整體模型約束處力的大小。通過(guò)計(jì)算可得，整體模型在下端右側撐擋支撐杆及限位器的約束處產(chǎn)生的約束力見(jiàn)表4。
表4整體模型約束反力
反力位置
反力值/kN
上部限位器反力
11.07/0.47
右側撐擋支撐杆Y向反力
2.07
右側撐擋支撐杆Z向反力
3.43
由於下部撐擋單邊正常工作，導(dǎo )致整體開(kāi)啟窗模型約束反力的不對(duì)稱(chēng)，故而上部兩(liǎng)側的限位器約束反力值出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象。
根據(jù)之前的結(jié)論可知，當(dāng)限位器上施加的荷載超過(guò)4.69kN時(shí)，限位器就會(huì)發(fā)生破壞，而此時(shí)左側限位器上所施加的荷載已經(jīng)達(dá)到11.07kN，所以在該過(guò)程中左側限位器最先破壞。當(dāng)左側限位器破壞後，開(kāi)啟窗模型僅剩右側撐擋支撐杆與右側限位器約束髮揮作用，此時(shí)的約束反力值統(tǒng)計(jì)於表5。
表5左側限位器破壞後約束反力
反力位置
反力值/kN
右側限位器反力
0.57
右側撐擋支撐杆Y向反力
2.75
右側撐擋支撐杆Z向反力
4.55
當(dāng)僅剩右側撐擋與右側限位器約束之後，對(duì)比工況一可知，此時(shí)撐擋約束上的力已然超過(guò)了撐擋破壞時(shí)所受的力，因此撐擋會(huì)隨之發(fā)生破壞。之後僅留下右側限位器，也很快發(fā)生破壞。因此最終的破壞順序為左側限位器最先破壞，進(jìn)而導(dǎo )致右側撐擋發(fā)生破壞，最終右側限位器發(fā)生破壞，這便是整個(gè)工況三狀態(tài)下開(kāi)啟窗模型的破壞順序與機(jī)理。
基於上述三種工況下的計(jì)算分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：首先，在進(jìn)行限位器加固，且工作正常的情況下，由於限位器的約束作用，而使撐擋扇上部件和框上部件所受的荷載進(jìn)一步減少，因此，提高了開(kāi)啟窗的安全性。其次，當(dāng)下部撐擋失效或由於安裝原因而無(wú)法正常工作。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，限位器底部邊緣極易發(fā)生屈服破壞並產(chǎn)生塑性變形。最後，進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果下部撐擋僅單側處於正常工作狀態(tài)，窗的約束都將發(fā)生破壞，從而使窗成為一個(gè)機(jī)構(gòu )而有發(fā)生脫落的風(fēng)險(xiǎn)。
3 結(jié) 論
對(duì)於掛鈎式開(kāi)啟窗，五金系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)以及精確安裝對(duì)於保證開(kāi)啟窗整體安全性十分重要。本文提出以下幾方面建議：
1）對(duì)於既有玻璃幕牆開(kāi)啟窗，可額外裝配防墜鉸鏈，來(lái)提高開(kāi)啟窗整體安全性。
2）對(duì)於高度大於2m的掛鈎式開(kāi)啟窗，可每邊設(shè)置2對(duì)限位器，以防止發(fā)生開(kāi)啟窗脫鉤並整體脫落的安全事故。
3）開(kāi)啟窗型材與五金件連接部位，應(yīng)做局部加厚處理，同時(shí)選用優(yōu)質(zhì)緊固件，保證連接部位強(qiáng)度。
4）平時(shí)應(yīng)加強(qiáng)開(kāi)啟窗維護(hù)保養(yǎng)，及時(shí)處理開(kāi)啟窗五金系統(tǒng)存在的質(zhì)量問(wèn)題。
作者 李聰 張喜臣
參考文獻(xiàn)
[1]中國(guó)建築科學(xué)研究院.JGJ102-2003玻璃幕牆工程技術(shù)規(guī)範[S].北京:中國(guó)建築工業(yè)出版社,2003.
[2]中國(guó)建築科學(xué)研究院.GB50009-2012建築結(jié)構(gòu )荷載規(guī)範[S].北京:中國(guó)建築工業(yè)出版社,2012.
[3]中國(guó)建築金屬協(xié)會(huì).JGJ214-2010鋁合金門(mén)窗工程技術(shù)規(guī)範[S].北京:中國(guó)建築工業(yè)出版社,2010.
[4]中國(guó)建築金屬協(xié)會(huì)建築門(mén)窗配套件委員會(huì).JG/T126-2017建築門(mén)窗五金件 傳動(dòng)鎖閉器[S].北京:中國(guó)建築工業(yè)出版社,2017.
[5]中國(guó)建築金屬協(xié)會(huì)建築門(mén)窗配套件委員會(huì).JG/T128-2017建築門(mén)窗五金件 撐擋[S].北京:中國(guó)建築工業(yè)出版社,2017.
發(fā)表評(píng)論
門(mén)窗品牌網(wǎng) （www.doors10.com）專(zhuān)業(yè)提供中國(guó)斷橋鋁門(mén)窗,鋁合金門(mén)窗,鋁包木門(mén)窗等系列產(chǎn)品,斷橋鋁門(mén)窗與鋁合金門(mén)窗優(yōu)選門(mén)窗十大品牌網(wǎng),產(chǎn)品價(jià)格等信息周全。 主辦及指導(dǎo )機(jī)構(gòu )：中國(guó)門(mén)窗營(yíng)銷(xiāo)協(xié)會(huì)
粵ICP備20041577號(hào) Copyright © 2017-2019 門(mén)窗品牌網(wǎng) 版權(quán)所有