框架幕墙连接问题的一些探讨

摘要：框架幕墙主要组成部分、连接方式、施工中应注意的一些问题。本文简要地论述了玻框架幕墙主立柱与主体间的连接，立柱与立柱间连接及立柱与横料间的连接。

关键词：变形；埋件；立柱；横梁；角码

中图分类号：TU323.5文献标识码： A 文章编号：

引言：

我国幕墙行业经过20多年的发展，行业总体水平提高到了一个新的高度，从最初的框架幕墙逐渐发展到点式幕墙、全玻幕墙、呼吸幕墙、光电幕墙等等，各种新型幕墙不断出现。框架幕墙最为一种常规的幕墙形式不仅结构简单，而且维修方便造价低廉，到目前为止还是一种最常用的幕墙形式。本文对框架幕墙立柱及横梁设计中常见的一些连接问题进行探讨。

幕墙主杆件之间的连接设计包括立柱与主体的连接立柱与立柱的连接和立柱与横梁的连接等。

一、幕墙主受力构件与结构主体间的连接

幕墙竖龙骨与建筑主体的连接指的是幕墙的主受力杆件与主体结构梁通过连接钢件和埋件进行的有效连接。此步骤属于隐蔽工程阶段，容易被忽略其重要性，可实际上它在整个幕墙的安全性，可靠性及整体性上起着至关重要的作用。

埋件一般可按预埋式埋件和后补埋件两种方式划分，这两种埋件方式又可按其在主体结构上的位置不同大致划分为侧埋、顶埋及下埋三种方式。埋件与主体的连接强度对幕墙的整体安全有着最直接的影响，所以在埋件设计时应注意以下几点：

1．主体结构或结构构件，应能够承受幕墙传递的荷载和作用。连接件与主体结构的锚固承载力设计值应大于连接件本身的承载力设计值。

2．玻璃幕墙立柱与主体混凝土结构应通过预埋件连接,预埋件应在主体结构混凝土施工时埋入，预埋件位置准确；当没有条件采用预埋件连接件时，应采用可靠的措施，并通过试验确定其承载力。

3．由锚板和对称配置的锚固钢筋所组成的受力预埋件，可按照本规范附录C的规定进行设计。

4．槽式预埋件的预埋钢板及其它连接措施，应按照现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017的有关规定进行设计，并通过试验确定其承载力。

连接件指的是幕墙主受力构件与埋件连接的构件，通长使用材质为Q235B的钢板或型钢制作。根据其可调连接方式可以分为普通连接件及三维连接件等。实际工程中连接件的形式多种多样，应根据不同的工程特点采取针对性的设计幕墙设计的一般要求目前，建筑幕墙类型繁多，构造型式多变，无法对其连接构造作出太具体的规定。因此在设计原则上要求建筑幕墙应有足够的承载力、刚度、稳定性和相对于主体结构的位移能力。其中，相对于主体结构的位移能力通过胶缝、构件间的缝隙、可微动连接（如长圆孔螺栓等）、可动连接（如铰支座、滑动连接、摇臂机构、弹簧机构等）来实现，不一定要求处处连接均为螺栓连接。因此，规定所有连接均采用螺栓是不尽合理的。只要达到幕墙与主体结构间有一定位移能力的要求，部分节点采用焊接是可以的。

二、幕墙竖立柱间的连接设计应遵循以下原则

按规范要求立柱与立柱之间应预留不小于15mm的间隙，以适应和吸收主体沉降、温差变形、地震作用。幕墙立柱与立柱连接一般都通过一个不小于400mm长的插芯(一端固定，一端自由)来实现的。插芯设计应注意以下几点：

1. 插芯应有合适的强度

当插芯位于支点附近，按简支梁进行计算时，其所受弯矩接近于零，所受剪力接近最大。当插芯离支点较远，按外伸梁进行计算时，其所受弯矩和剪力都比较大。往往立柱外伸部分受窗台墙的影响，一般不会太长，所以插芯所受弯矩远远小于立柱所受弯矩。但本着安全的原则，插芯的安全系数应大于立柱，具体要求如下：

为了增加插芯的抗剪能力和惯性矩，插芯的壁厚应满足t≥4mm插芯的惯性矩一般可以小于立柱惯性矩，但其最小惯性矩应满足Icx≥50cm4。

当铰点螺栓贯穿插芯按简支梁计算时，插芯的惯性矩Icx应大于立柱惯性矩Ilz的八分之一。

当按外伸梁计算时，插芯的惯性矩Icx应大于立柱惯性矩Ilz的二分之一，在必要时可以等于或大于立柱惯性矩。

2. 插芯与立柱连接应采用线接触

由于型材在挤压时，必然会产生弯曲、扭拧变形，而插芯必须要插入立柱一定深度(102规定插芯长度≥250mm)，如采用四周面接触，势必会造成很难安装进去。所以插芯与立柱连接应采用线接触。

3. 插芯与立柱的配合设计

插芯与竖框的配合一般以竖框内腔为基准来进行插芯外廓尺寸的设计。为了有效抵抗风荷载，前后总间隙不宜太大，也不宜使用过盈和过渡配和造成安装困难，综合考虑取0～0.5mm为宜。由于与主体结构连接处理牢固后，需在此处考虑减震，同时间隙不能太大，所以左右总间隙取0.5～1.0mm为宜。按层间高3500mm，插芯插入深度为(250-20)/2=115mm进行计算，当插芯和立柱配合间隙为δ2＝0.5～1.0时立柱所允许的的变形量为：

δ1＝3500×δ2/115＝15.22～30.44mm

而钢筋混凝土框架的楼层弹性层间位移角限值θ＝1/550，防震设计时的允许变形量为：

δdz=3500×3θ＝19.09mm

两值相比较δ＝δ1－δdz＝－3.87～11.35mm。可以看出绝大部分情况都可以满足防震设计的要求，当插芯和立柱间隙最小时，立柱的变形也才不到4mm，效果非常理想。

三、幕墙横竖料间的连接设计

幕墙立柱与横梁的连接设计是幕墙设计中的重点。这是因为幕墙构造多种多样，不同的腔体对应不同的连接形式。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一个很常见的问题。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. 当采用角码插接式时横梁角码与横梁之间的前后总间隙应不大于0.2mm。这样横梁两端被整个横梁角码胀住，限制了横梁扭转。横梁则浮搁在横梁角码上可以自由伸缩，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。

2. 横梁与立柱之间应预留安装间隙，最小间隙值应通过计算而定。间隙需打胶进行密封，尽量不要在立柱和横梁角码放置柔性垫片以免出现密封胶变黄的现象。现行规范也已经取消了必须设置柔性垫片的有关规定。

3. 当采用角码连接时，应满足以下要求：

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角，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。

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。

4.角码连接时，需采用不锈钢的连接螺钉或穿堂螺栓来连接，当采用螺钉连接时立柱连接点的壁厚不应小于螺钉的公称直径，当采用通长螺栓时建议增设不锈钢套管，以避免禁锢螺栓时造成主力柱变形。

5.角码连接采用螺钉时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，所以在安装螺钉时应注意安装不锈钢弹簧垫圈。

经过对这些常见的幕墙连接结构的分析，可以总结出以下的方法和原则：

① 横梁应采用闭腔式结构。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。

四、噪音问题：

幕墙受多种因素的影响发生层间位移，发生磨擦噪音。幕墙的噪音干扰人们的正常工作和生活，同时也是影响幕墙质量的大问题。为了降低噪音，在金属件的连接部位采用其他柔性材料的衬垫，当幕墙的横梁和立柱发生位置变化时能起到缓冲作用，降低幕墙的噪音。为什么会产生噪音呢，首先产生噪音要有足够大的动能。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、接触面积、表面摩擦系数。所以，我们降低噪声强度的办法是：减少横梁与角码之间的压力、接触面积和表面摩擦系数。在玻璃分格划分正常情况下采用浮动式连接，即可取得良好的降噪效果。

五、强烈地震时结构易被破坏问题

我国现行的幕墙工程技术规范采用的建筑物抗震设计目标是：“大震不倒，中震可修，小震不坏。”但实践是检验真理的唯一标准，汶川地震对我国建筑幕墙抗震设计是一次最有效的检验，实践说明《建筑抗震设计规范》和幕墙设计规范中有关幕墙抗震设计的规定与设计还是有一定问题的。铝合金玻璃幕墙的抗震能力主要取决于它所依附的建筑主框架的抗震能力和自身的抗震构造。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，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，破坏方式也不一样。

参考文献：

［1］ 崔浩：《如何设计好构件式幕墙》

［2］《玻璃幕墙工程规范》JGJ102—2003

［3］《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ 145—2004