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1、浅谈滑撑与型材之间的连接技术论坛浅谈滑撑与型材之间的连接一,刖暑门窗是建筑外围护结构的开口部位,是抵御风雨尘虫,实现建筑热,声,光环境等物理性能的极其重要的功能性部件.并且具有建筑外立面和室内环境两重装饰效果,直接关系到建筑的使用安全,舒适节能和人民生活水平的提高.窗户是轻质,薄壁结构的可动易损部件.是建筑围护结构中最薄弱的环节.其中,滑撑作为外平开窗和悬窗的主要承重部件,在建筑外窗中起着非常重要的作用.直接影响窗的安全性能和使用寿命.建筑外窗的安全问题,关键在于开启窗的扇与框连接的滑撑(或合页) 构造形式和承载力是否有足够的牢固度,这其中滑撑与型材之间的连接牢固度是一个非常关键的因素.那么,
2、现在的滑撑与型材之间的的实际连接是怎样的情况呢?二,目前存在的情况朴永日滑撑作为外平开窗和悬窗的主要承重部件.在我国大部分地区有广泛的应用.目前我国建筑外窗的主要品种是铝合金窗和塑料窗.外平开铝合金窗,其连接铰链大部分采用不锈钢滑撑:多年的窗户性能检测和台风实际检验证明,这种平开窗最危险的情况有滑撑与窗框,窗扇连接固定的螺钉或抽芯铆钉(有铝,铝合金等材质)由于生锈,腐蚀或材质强度低而失效.2005 年 1 月香港有两起窗户坠落砸死两人的惨剧.都是春节前夕屋主开启窗户搞清洁时滑撑与框,扇的连接固定失效而使窗扇飞落造成的.近几年来应用较多的 PVC 塑料窗主要是 60 系列外平开窗.这种窗型的开启
3、形式和结构配合原理与同类开启形式的铝合金窗基本是一样的,铰链配件大同小异,其安全隐患问题基本相同.而且,与壁厚 1.21.4ram 左右的薄壁铝型材相似,塑料窗大多采用壁厚 2.Omm 左右的 PVC 型材.然而,由于材质的巨大差异,这种高分子的热塑性塑料窗与轻金属铝合金窗相比,又增加了更严重的安全隐患.塑料窗的铰链安装.是采用自攻螺钉与塑料型材内 1.2mm(或 1.5mm)厚的钢衬连接紧固(钢衬与塑料型材的线膨胀系数相差很多),如果自攻螺钉连接不牢或根本未固定在衬钢上,则很容易发生连接失效窗扇坠落的事故.所以滑撑与型材之间的连接问题应该引起我技术论坛们足够的重视.三,力学模型的建立现在滑撑
4、与型材之间的连接主要有两种形式:一是螺钉连接方式;二是铆钉连接方式.由于工地实际使用设备和工效问题.铆钉常用铝及铝合金空心铆钉.而 GB/T84782008铝合金门窗标准 5.1.7 紧固件中:明确提出了铝合金门窗中不应使用铝及铝合金空心铆钉做门窗受力连接用紧固件.所以,采用现在的铝及铝合金空心铆钉方式是不可取的.如下图 1 所示的情况是不允许的.图 1 使用铝铆钉固定滑撑和型材的情况那么现在应采用的主要形式就应该是螺钉连接方式.从力学角度来分析,对滑撑和型材之间的连接可以看作是两个金属物体之间的连接.如果螺钉位置均匀排布.那么在横向总荷载的作用下,可近似地认为,各螺钉所承担的工作荷载是均等的
5、.因此每个螺钉所受的横向工作翦力 F 为:兰n为螺钉的数目.对单个螺钉来说,其拉伸强度条件应为:o-】4d,一为受荷载的截面最小直径.接合面的许用拉应力为:l-44 中国建筑金属结构 2010/10一为螺钉材料的拉伸强度屈服极限;K 一为保险系数.接合面的许用剪应力为:r【rJ=r 一为螺钉材料的剪切强度屈服极限;K 一为保险系数.通常,在机械零件强度校核中螺纹连接强度计算时.使用钢制螺钉连接铝合金材料时要求拧入深度 H 一 1.5d 以上,钢材要求拧人深度 Hd 以上;连接受载时,以旋合的第一圈处为最大,以后各圈递减,实验证明,约有 1/3 的荷载集中在第一圈上,第八圈以后的螺纹几乎不承受荷
6、载.如图 2 所示:图 2 螺纹圈数分布荷载情况上述情况是在保证拧人深度下的计算方法.如果按上述要求,螺钉能正常发挥作用的前提应是型材壁厚满足:(1)铝合金:7.5mm;(2)塑料型材钢衬:5ram.在实际工程安装中,滑撑和型材之间的连接由于型材结构和成本的原因,达不到上述要求.例如,按目前的要求,铝合金型材窗主型材壁厚一般要求不小于 1.4ram 就可,塑料窗的钢衬壁厚一般在 1.2ram,1.5mm,2ram;连接用螺钉一般是M5x0.8 机制螺钉或 ST4.8x1.6,ST4.2x1.4 等自攻螺钉.这样,在实际连接时,螺纹拧入深度是不够的.因此,在实际校核时,其破坏的危险部位是在型材上
7、,而不是在螺钉上.所以,力学模型的建立应该参照连接公式,但计算时应考虑型材的实际壁厚的情况,从型材的厚度即拧人深度方面着手,来计算滑撑与型材之间的连接力.在考虑型材壁厚及钢衬厚度后.最接近实际的方法应该是将螺纹部分沿螺纹的小径部分给予展开,然后进行分解计算.如下图 3,图 4.l:蛊馨图 3 螺纹展开受力示意情况图 4 螺纹展开平面图从上面可以得知:展开螺纹总长为:sina一为型材壁厚或加垫块(或钢衬)后的总壁厚(PVC 材料应力强度相对金属来说太低,所以不考虑在内);n 一为螺纹升角.假设在这个短距离内.螺纹均匀受力,那么受荷载面积(接合面积) 可简略为:s:旦:22sinap 一为连接用螺
8、纹的螺距.所以许用连接力F应等于(分为拉力和剪力):(1)许用拉力川=S=o-x_Sxp技术论一为材料的抗拉强度.(2)许用剪力 iF:r5:TxSxpS1nr 上7-为材料的抗剪强度.四,连接力的计算一般来说,在两个金属物体之间的连接只考虑连接用螺钉的强度就可以,但在滑撑的安装中.需要通盘考虑三个:滑撑,型材(含垫块或钢衬),螺钉 .滑撑目前基本上都是不锈钢材质,螺钉也是钢质;只有型材是铝合金材料或塑料材料加钢衬.从三者的应力强度来看,最薄弱的位置应该是型材的接合部位.因此,我们根据第三强度理论(最大剪应力理论),在下面的计算中,以型材位置的塑性流动破坏为主要破坏原因,进行计算.实际滑撑安装
9、时,要考虑滑撑与型材之间的连接力.同时还应考虑相关保险系数;这里要考虑两个方面:一是由于螺钉位置不均匀造成的多点不均匀系数;二是由于风荷载引起的风荷载分项系数;也就是说保险系数 K 值应等于多点不均匀系数和风荷载分项系数的乘积:即 K-xT这里的(多点受力不均匀系数)(风荷载分项系数)可以参考玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-2003 中 5.4 条款作用效应组合及建筑结构荷载规范GB500092001 中 3.2.5 基本组合的荷载分项系数的中选择,(多点受力不均匀系数)取 1.35,(风荷载分项系数)取 1.4.一般五金件厂家给出的滑撑的承载级别,主要是考虑了整扇窗户的重量以及其所受的所有
10、力的情况后,进行校核计算后得出的一个限量值那么现在其连接力的大小值必须不小于所选择的滑撑的承载级别,才能保证滑撑充分发挥作用.即连接力应不小于所选用的滑撑的承载级别.注意滑撑与框,扇之间应分别校核连接力:参照许用应力的计算公式,可以得出:K=式中:一许用连接力;滑撑的标称承载质量:n 一一对滑撑单边(与框连接边或与扇连接边)用连接点数量:6 一型材壁厚:p 一连接用螺纹的螺距;一型材抗剪强度:一多点受力不均匀系数,取 1.35;一风荷载分项系数,取 1.4;0一连接用螺纹的升角.下面我们按三种螺钉(M5x0.8 机制螺钉,ST4.8x1.6 自攻螺钉,ST4.2x1.4 自攻螺钉)的方式进行验
11、算.假设滑撑扇上固定螺钉为 4 个,框上固定螺钉为 4 个.那么一对滑撑的固定螺丝数量/1,为 8 个.1.在采用 M5xO.8 机制螺钉时(螺纹升角为3.3.)A.铝合金型材时,按壁厚 1.4mm 计算:=nxSxpxr=8x1.4x0.8x49.6=2042N单个螺钉孔位的型材受剪切荷载不能超过:皿:2042N:255Nn8B.塑料型材时:(1)按钢衬 1.2mm 计算:IF=nx6xpxsri=8x1.2x0.8x125=4116N单个螺钉孔位的型材受剪切荷载不能超过:业 N:514Nn8(2)按钢衬 1.5mm 计算:=8x1.5x0.8x125-5146N单个螺钉孑 L 位的型材受剪
12、切荷载不能超过:一 5146N:643N一 n8(3)按钢衬 2.0mm 计算:FI=nx6xpxxsri=8x2x0.8x125=6861N单个螺钉孔位的型材受剪切荷载不能超过:皿:N:857N46 中国建筑金属结构 2010/102.在采用 ST4.8x1.6 自攻螺钉时(螺纹升角为8.5.)A.铝合金型材时,按壁厚 1.4mm 计算:2 蜘 nxSxpxri=-l589N单个螺钉孔位的型材受剪切荷载不能超过:皿:N:198Nn8B.塑料型材时:(1)按钢衬 1.2ram 计算:堕:3432N2xxgxsina2x1.35x1.4xsin8.5单个螺钉孔位的型材受剪切荷载不能超过:皿:一
13、3432N:429N 一n8(2)按钢衬 1.5mm 计算:IF=nx6xpxsri=8x1.5x1.6x125=4290N单个螺钉孔位的型材受剪切荷载不能超过:皿:.4290N:536Nn8(3)按钢衬 2.0ram 计算:IF=-_nxSxpi=8x2x1.6x125=572.N单个螺钉孔位的型材受剪切荷载不能超过:皿:5720N:715Nr凡 83.在采用 ST4.2x1.4 自攻螺钉时(螺纹升角为8.6.)A.铝合金型材时,按壁厚 1.4ram 计算:=nx6xpxri=8x1.4x1.4x49.6=1382N单个螺钉孑 L 位的型材受剪切荷载不能超过FI.:皿:旦望 N:172Nn8
14、B.塑料型材时:(1)按钢衬 1.2mm 计算:IF=nxSxpxsri=8x1.2x1.4x125:2962N单个螺钉孔位的型材受剪切荷载不能超过:皿:一 2962N:370Nn8(2)按钢衬 1.5ram 计算:El:翌!:?:3703N 表 22XXTxsinot2x1.35x1.4xsin8.6单个螺钉孔位的型材受剪切荷载不能超过:盟:一 3703N:462N-n8(3)按钢衬 2.0mm 计算:IF=nxaxpxr=8x2x1.4x125:4937N单个螺钉孔位的型材受剪切荷载不能超过:盟:一 4973N:617Nn8比较上面的单个螺钉连接的力的情况:表 1 各种螺钉连接滑撑和型材之
15、间的单个螺纹接合部型材位置许用剪切力(单位:牛顿)M5xO.8 机 ST4.8x1.6Srr4.2xI.4 类别制螺钉自攻螺钉自攻螺钉铝型材(壁厚 1.4ram)255198172塑料型材(钢衬 12mm)514429370塑料型材 f 钢衬 1.5ram)643536460塑料型材(钢衬 2.0mm)8577l5617从上表中,可以得出:机制螺钉的连接力要强于自攻螺钉,尺寸大的螺钉要好于尺寸小的螺钉,加装钢衬的效果明显要好.五,实际应用中注意问题在实际安装过程中,由于实际操作中,有这样那样的问题存在,如加工误差,螺钉误差.型材喷涂厚度掩盖了实际型材厚度等问题,所以实际上正常的理论数据还要打折
16、扣.另外,上表中机制螺钉的情况是理想状态下的情况.由于目前机制螺钉都是需要先攻螺纹牙.而丝锥和螺钉之间的配合间隙误差也是现实存在的情况,所以机制螺钉的实际情况也需要打折扣.但机制螺钉也有好处,就是可以反复拆卸,而自攻螺钉一般不能反复拆卸.同时,我们可以得出,型材壁厚越厚,连接力就越大,那么实际安装中可以加大相应位置处的壁厚来加强.如下图 5,图 6:可用增强型材或增加钢衬来加强许用剪切力.技术论坛各种螺钉连接滑撑和铝型材之间的单个螺纹接合部型材位置许用剪切力(单位:牛顿)M5xO.8 机 ST4.8x1.6Srr4.2x1.4 类别制螺钉自攻螺钉自攻螺钉铝型材 f 壁厚 2.5ram1455353307铝型材 f 壁厚 3.0mm)546424368铝型材+钢衬 1.5mm643536460图 5 铝型材加装钢衬示意图图 6 铝型材滑撑
