樸永日 陸贊殷

1.前言

現(xiàn)實(shí)生活中，幕墻上懸窗應(yīng)用非常廣泛，由于幕墻上懸窗的自重都比較大，所以其中的風(fēng)撐一般都會(huì)采用伸縮撐—即鎖定式撐檔，普通的二連桿摩擦式撐檔因?yàn)槟Σ亮Σ淮笥?0N，所以無法使幕墻上懸窗定位在開啟角度。

本文從力學(xué)角度出發(fā)，根據(jù)兩種不同的安裝比較計(jì)算，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，最后得出結(jié)論。

2.計(jì)算

首先要確定模擬窗大小，確定參數(shù)條件，之后再展開分析。

2.1 應(yīng)用模擬假設(shè)條件

2.1.1 開啟扇定為1m×1m掛勾式上懸窗，采用6+12A+6玻璃，自重定為自重向下。幕墻開啟距離按幕墻規(guī)范為300mm，則換算開啟角度為17.5°。

2.1.2 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值取為 kPa5.0 ，其風(fēng)荷載均布大小為垂直于窗扇板，正負(fù)風(fēng)壓取值相等。

2.1.3 以目前最短的8寸伸縮風(fēng)撐考慮，開啟后伸縮風(fēng)撐展開長度為261mm，關(guān)閉后伸縮風(fēng)撐長度為205mm（展開長度是以中心距計(jì)算）；只考慮伸縮撐軸向力。（伸縮撐尺寸各五金件廠家差異不大）；伸縮撐是按一對(duì)計(jì)算。

2.1.4 以上計(jì)算均以標(biāo)準(zhǔn)值，開啟工作狀態(tài)下考慮，并簡化所有受力不均等因素。

2.2 按伸縮撐框和扇上定位

下面按伸縮撐框上定位和扇上定位，兩種情況來考慮，首先說明安裝位置。很多人想當(dāng)然，自己設(shè)定安裝位置，但實(shí)際上是不對(duì)的。因?yàn)樵诖_定了伸縮撐的尺寸后，它的展開長度是一定的，在懸窗開啟距離確定是300mm后，它的安裝位置是不能隨意的。如下圖1，按兩種位置，框上定位和扇上定位。

從圖1 可以知道，確定上懸窗尺寸及開啟距離后，選擇的伸縮撐尺寸一定的時(shí)候，框上定位尺寸只能在離下端360mm的位置或以上；扇上定位尺寸只能在離下端360mm的位置或以上。也就是說必須保證窗扇拉回關(guān)閉位置后，伸縮撐占據(jù)的位置長度要大于伸縮撐的名義最小長度，才能保證正常關(guān)閉。此點(diǎn)往往被人忽視。所以需要強(qiáng)調(diào)，每個(gè)不同尺寸的窗型都要先尋找伸縮撐正確的安裝位置。

根據(jù)以上軌跡情況，伸縮撐開啟角度按圖1 可確定為30°，下面進(jìn)行分析。

2.2.1 伸縮撐在框上離下端360mm處定位，如下圖2。

以旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)O為平衡點(diǎn)，一對(duì)伸縮撐軸向受力為Q，可以計(jì)算如下：

1）不考慮風(fēng)壓時(shí)

圖1 兩種安裝位置下8寸伸縮撐最佳位置

圖2 伸縮撐在框上離下端360mm處定位的三種情況：從左開始，依次為無風(fēng)、正風(fēng)壓、負(fù)風(fēng)壓

即不受風(fēng)壓時(shí)，一對(duì)伸縮撐受壓力164N；

2）正風(fēng)壓時(shí)

即受正風(fēng)壓 kPa5.0 時(shí)，一對(duì)伸縮撐受壓力945N；

3）負(fù)風(fēng)壓時(shí)

即受負(fù)風(fēng)壓- kPa5.0 時(shí)，一對(duì)伸縮撐受拉力617N。

2.2.2 伸縮撐在扇上離下端360mm處定位，如下圖3。

同上，以旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)O為平衡點(diǎn)，伸縮撐軸向受力為Q，可以計(jì)算如下：

1）不考慮風(fēng)壓時(shí)端中點(diǎn)為窗扇關(guān)閉力施力位置，如圖示，關(guān)閉力設(shè)為F，可以計(jì)算如下：

在平衡狀態(tài)下往回關(guān)閉，實(shí)際上是要解鎖伸縮撐，需將伸縮撐星形齒輪移位，所以需要先推出，使伸縮撐軸方向的力為零的過程；除了推力外，還需要克服自重的影響。

經(jīng)過計(jì)算得知：

不考慮風(fēng)壓時(shí)，只需要克服懸窗自重，所以計(jì)算如下：

即先往開啟方向施加52.5N以上的力解鎖，之后會(huì)因窗扇自重影響自動(dòng)回位（未考慮摩擦力）。

同理正風(fēng)壓時(shí)，只需要克服懸窗自重和正風(fēng)壓力，所以計(jì)算如下：

即先往開啟方向施加302.5N力，之后因自重和正風(fēng)壓影響自動(dòng)回位（未考慮摩擦力）。

負(fù)風(fēng)壓時(shí)，先要克服懸窗自重分力，而此時(shí)負(fù)風(fēng)壓有助于開啟窗扇，往回來需要克服負(fù)風(fēng)壓力，所以計(jì)算如下：

伸縮撐屬于鎖定式撐檔，單只鎖定力為≥200N，假設(shè)一對(duì)伸縮撐受力均等時(shí)，先往開啟方向施加力解鎖推出，之后回拉，克服負(fù)風(fēng)壓的關(guān)閉力為197.5N（未考慮摩擦力）。

此時(shí)因?yàn)樨?fù)風(fēng)壓以及渦流的影響，造成伸縮撐自己解鎖或晃動(dòng)，很容易損壞。

2）伸縮撐在扇上離下端360mm處定位，如圖5。

這個(gè)道理同上，就直接說結(jié)論了。

不考慮風(fēng)壓時(shí)，只需要克服懸窗自重，即先往開啟方向施加52.5N力，之

即不受風(fēng)壓時(shí)，一對(duì)伸縮撐受壓力164N；

2）正風(fēng)壓時(shí)

即受正風(fēng)壓 kPa5.0 時(shí)，一對(duì)伸縮撐受壓力945N；

3）負(fù)風(fēng)壓時(shí)

即受負(fù)風(fēng)壓- kPa5.0 時(shí)，一對(duì)伸縮撐受拉力617N。

2.2.3 從平衡狀態(tài)要關(guān)閉時(shí)候的關(guān)閉力：

1）伸縮撐在框上離下端360mm處定位，如下圖4。

圖3 伸縮撐在扇上離下端360mm處定位的三種情況：從左開始，依次為無風(fēng)、正風(fēng)壓、負(fù)風(fēng)壓

圖4 伸縮撐在框上離下端360mm處定位的三種情況：從左開始，依次為無風(fēng)、正風(fēng)壓、負(fù)風(fēng)壓

以旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)O為平衡點(diǎn)，窗扇最下后會(huì)因窗扇自重影響自動(dòng)回位（未考慮摩擦力）。

同理正風(fēng)壓時(shí)，只需要克服懸窗自重和正風(fēng)壓力，即先往開啟方向施加302.5N力，之后因自重和正風(fēng)壓影響自動(dòng)回位（未考慮摩擦力）。

負(fù)風(fēng)壓時(shí)，先要克服懸窗自重，而此時(shí)負(fù)風(fēng)壓有助于開啟窗扇，往回關(guān)閉時(shí)需要克服負(fù)風(fēng)壓壓力，即先往開啟方向施加力解鎖推出，之后回拉，克服負(fù)風(fēng)壓的關(guān)閉力為197.5N（未考慮摩擦力）。

同理，我們很容易得出要開啟窗扇到平衡狀態(tài)下的開啟力的情況，有興趣的可以自己推導(dǎo)。

從圖6受力分析，不受風(fēng)壓時(shí)，可以知道上懸窗一對(duì)伸縮撐的受力Q為：

從以上公式（1）可知，當(dāng)我們要計(jì)算伸縮撐受力時(shí)，窗扇尺寸和重量已知，上懸窗開啟角度a在開啟距離固定在300mm時(shí)，也可以計(jì)算出。角度b和安裝位置h就要取決于所采用的伸縮撐的尺寸。

受正風(fēng)壓時(shí)，上懸窗一對(duì)伸縮撐的受力為：

受負(fù)風(fēng)壓時(shí)，上懸窗一對(duì)伸縮撐的受力為：

2.2.4 模擬試驗(yàn)窗情況：

剛性模擬窗扇：1100mm寬×1300mm高；扇重：100kg；無膠條。安裝8寸伸縮風(fēng)撐，設(shè)定開啟距離為300mm，進(jìn)行模擬試驗(yàn)（注：伸縮風(fēng)撐開啟和關(guān)閉操作時(shí)需在鎖定位置向外推50mm再往回才能實(shí)現(xiàn)。由于測量點(diǎn)在開啟側(cè)距扇型材外緣 50mm處的中點(diǎn)上，所以需要窗高減去50mm）。

圖5 伸縮撐在扇上離下端360mm處定位的三種情況：從左開始，依次為無風(fēng)、正風(fēng)壓、負(fù)風(fēng)壓

圖6 兩個(gè)不同的安裝方式時(shí)的伸縮撐受力情況

根據(jù)以上條件啟閉力

1）伸縮風(fēng)撐框上定位安裝啟閉力測試

圖7 伸縮風(fēng)撐安裝圖

圖8 開啟力142N

圖9 關(guān)閉力142.6N

測試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果偏差在2N左右，是因?yàn)槟Σ亮捌渌蛩赜绊憽?/p>

2）伸縮風(fēng)撐扇上定位安裝啟閉力測試

圖10 伸縮風(fēng)撐安裝圖

圖11 開啟力144.95N

圖12 關(guān)閉力144.3N

測試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果偏差在4N左右，是因?yàn)槟Σ亮捌渌蛩赜绊憽?/p>

3）伸縮風(fēng)撐框上定位安裝抗破壞測試：

依據(jù)JG/T 128-2017《建筑門窗五金件 撐擋》標(biāo)準(zhǔn)，做如下試驗(yàn)。

圖13 關(guān)閉方向施加600N/5S

圖14 開啟方向施加1000N/5S

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)判定結(jié)果為合格。

4）伸縮風(fēng)撐扇上定位安裝抗破壞測試

依據(jù)JG/T 128-2017《建筑門窗五金件 撐擋》標(biāo)準(zhǔn)，做如下試驗(yàn)。

圖15 關(guān)閉方向施加600N/5S

圖16 開啟方向施加1000N/5S

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)判定結(jié)果為合格。

從試驗(yàn)和理論可以得出在開啟距離300mm時(shí)，啟閉力公式如下：

（啟閉力施力位置默認(rèn)在開啟側(cè)距扇型材外緣 50mm處的中點(diǎn)上，未考慮摩擦力）不受風(fēng)壓時(shí)：

受正風(fēng)壓時(shí)：

受負(fù)風(fēng)壓時(shí)：

注：啟閉力F和伸縮撐的軸向受力Q是不一樣的。

對(duì)以上分析我們做一個(gè)小結(jié)：

1）無論伸縮撐從框上定位還是從扇上定位，只要離下端距離一樣時(shí)，伸縮撐本身的軸向的受力是一樣的。

2）從公式可知，伸縮撐越靠下面安裝，對(duì)伸縮撐越有利，伸縮撐軸向受力越小。前提是安裝位置要滿足伸縮撐的最大展開尺寸與關(guān)閉時(shí)的最小尺寸。

3）上懸窗重量、尺寸和開啟距離一定時(shí)，窗扇啟閉力與伸縮撐安裝位置無關(guān)。

這里簡單對(duì)伸縮撐抗破壞試驗(yàn)的強(qiáng)度做一個(gè)演算。

JG/T 128-2017《建筑門窗五金件撐擋》中上懸窗尺寸為1.2m×1.2m，重量為450N；施力點(diǎn)為窗扇開啟側(cè)距扇型材外緣 55mm處的中點(diǎn)上，我們選擇8寸伸縮撐，尺寸同上。則伸縮撐軸向受力Q在開啟和關(guān)閉時(shí)可分別計(jì)算。如：

圖17 JG/T 128-2017中試驗(yàn)?zāi)M窗中伸縮撐軸向受力分析圖

關(guān)閉力為600N：

5秒；伸縮撐受壓力；

開啟力為1000N：

5秒；伸縮撐受拉力。

3.伸縮撐聯(lián)接點(diǎn)的受力情況分析

對(duì)上懸窗的伸縮撐而言，主要是伸縮撐與窗型材之間用自攻螺釘連接的部位受力，導(dǎo)致伸縮撐失效的現(xiàn)象居多。因此下面取伸縮撐與扇聯(lián)接點(diǎn)，做簡要理論分析。

3.1 無風(fēng)狀態(tài)下（如圖18）

圖18 伸縮撐框上定位和扇上定位C聯(lián)接點(diǎn)受力圖

伸縮撐框上定位時(shí)，C聯(lián)接點(diǎn)，從受力分析可知：

同時(shí)雖然受扭矩M=G×0.066=350×0.066=23.1N·m，但因?yàn)槁?lián)接點(diǎn)C是可旋轉(zhuǎn)的軸，所以不考慮扭矩的影響。

伸縮撐扇上定位時(shí)，C聯(lián)接點(diǎn)，從受力分析可知：

從受力情況看，框上定位更有利。

3.2 受正風(fēng)壓（如圖19）

圖19 受正風(fēng)壓時(shí)，伸縮撐框上定位和扇上定位C聯(lián)接點(diǎn)受力圖

1）受正風(fēng)壓時(shí)，伸縮撐框上定位，C聯(lián)接點(diǎn)，從受力分析可知：

2）受正風(fēng)壓時(shí)，伸縮撐扇上定位，C聯(lián)接點(diǎn)，從受力分析可知：

從受力情況看，框上定位更有利。

3.3 受負(fù)風(fēng)壓（如圖20）

1）受負(fù)風(fēng)壓時(shí)，伸縮撐框上定位，C聯(lián)接點(diǎn)，從受力分析可知：

圖20 受負(fù)風(fēng)壓時(shí)，伸縮撐框上定位和扇上定位C聯(lián)接點(diǎn)受力圖

2）受負(fù)風(fēng)壓時(shí)，伸縮撐扇上定位，C聯(lián)接點(diǎn)，從受力分析可知：

從受力情況看，扇上定位更有利。

以上情況做一個(gè)小結(jié)：日常不受風(fēng)壓和正風(fēng)壓時(shí)，伸縮撐與型材聯(lián)接點(diǎn)框上定位更有利；如果單獨(dú)考慮負(fù)風(fēng)壓的情況，則扇上定位更有利。

4.在實(shí)際工作中的應(yīng)用

雖然上面我們經(jīng)過計(jì)算，算出開啟扇為1m×1m掛勾式上懸窗（采用6+12A+6玻璃，自重定為350N ），使用8寸伸縮撐時(shí)的力，但是實(shí)際情況下，由于幕墻分格原因，很多幕墻上懸窗都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這個(gè)尺寸，2m寬×1.5m高的窗也是很常見的。

我們可以驗(yàn)算如下：

開啟扇定為2m寬×1.5m高掛勾式（或合頁式）上懸窗，采用6+12A+6玻璃，自重定為1000N ，幕墻開啟距離按幕墻規(guī)范為300mm，則換算開啟角度為11.5°；風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值取為0.5kPa，其風(fēng)荷載均布大小為q風(fēng)=500N/m，垂直于窗扇板，正負(fù)風(fēng)壓取值相等。以10寸伸縮撐考慮，開啟后伸縮風(fēng)撐展開長度為360mm，關(guān)閉后伸縮撐長度為255mm（展開長度是以中心距計(jì)算），經(jīng)過計(jì)算，安裝在離下端200mm處，角度為34.7°；只考慮軸拉壓且處于開啟工作狀態(tài)。伸縮撐是按一對(duì)計(jì)算。

根據(jù)上面的公式，可以計(jì)算得出：

框上定位，受正風(fēng)壓時(shí)，上懸窗一對(duì)伸縮撐的受力為：

受負(fù)風(fēng)壓時(shí)，上懸窗一對(duì)伸縮撐的受力為：

框上定位，聯(lián)接點(diǎn)C受力，正風(fēng)壓時(shí)：

負(fù)風(fēng)壓時(shí)：

扇上定位， 聯(lián)接點(diǎn)C受力，正風(fēng)壓時(shí)：

負(fù)風(fēng)壓時(shí)：

從驗(yàn)算結(jié)果來看，聯(lián)接點(diǎn)C受力在遇到風(fēng)壓時(shí)，受力比較大。

目前大部分伸縮撐的聯(lián)接位置只有兩個(gè)自攻螺絲位置點(diǎn)，這明顯不利。建議增加螺絲孔位，如下圖2。

圖21 DSFC伸縮撐兩端各4個(gè)螺絲孔位

實(shí)際上很多時(shí)候，伸縮撐的損害基本都是集中在幾點(diǎn)：兩邊安裝不對(duì)稱；伸縮撐型號(hào)選擇錯(cuò)誤；受正負(fù)風(fēng)壓以及渦流的影響，來回晃動(dòng)，兩邊受力不均；以及安裝錯(cuò)誤的位置無法正常打開，還要強(qiáng)行打開等。

雖然前面我們計(jì)算了抗破壞時(shí)，伸縮撐的軸向受力，但它是極限荷載情況，只有5秒，數(shù)據(jù)不能用來做設(shè)計(jì)荷載用。最少要有兩倍的保險(xiǎn)系數(shù)支撐才可以。

另外安裝時(shí)，伸縮撐缺口盡可能要沖下，如下圖22。

圖22 伸縮撐開啟關(guān)閉示意圖

由于伸縮撐是靠里面星形齒輪來定位卡住，星形齒輪自由旋轉(zhuǎn)的慣性動(dòng)量不是很均勻的情況下，建議缺口方向盡可能與重力方向一致，以便靠重力定位。

5.總結(jié)

實(shí)踐證明，本文理論計(jì)算和力學(xué)分析得出的結(jié)果，符合產(chǎn)品實(shí)際情況。

通過以上分析， 得出的結(jié)論有以下幾點(diǎn)：

5.1 伸縮撐在已知上懸窗尺寸和開啟距離的情況下，它的安裝位置是有限定的，不是隨意安裝就可以的。

5.2 伸縮撐的安裝無論是框上定位還是扇上定位，伸縮撐軸向受力和啟閉力基本上是一樣的?？紤]風(fēng)壓等因素，一對(duì)伸縮撐軸向受力設(shè)計(jì)荷載建議不要超過1000N。

5.3 在考慮伸縮撐與型材的聯(lián)接時(shí)，應(yīng)該多點(diǎn)注意聯(lián)接點(diǎn)的受力情況。日常情況下，正風(fēng)壓時(shí)框上定位更有利；如果考慮負(fù)風(fēng)壓因素更多時(shí)，扇上定位的聯(lián)接點(diǎn)受力更有利。盡可能采用兩端各有4個(gè)螺絲孔位的伸縮撐。

我們希望通過本文的分析，給門窗幕墻行業(yè)的廣大技術(shù)愛好者們拓寬思路，為門窗事業(yè)的騰飛發(fā)展添磚加瓦。