力學模型選擇對多點鎖閉系統五金應用的影響

戴紅亮

力學模型選擇對多點鎖閉系統五金應用的影響

戴紅亮

目前行業內關于門窗強度和剛度校核的理論計算工具大多仍然采用材料力學的計算方法，而材料力學只能進行靜定結構下的力學計算，針對超靜定結構，材料力學知識是無法完成的。本文意在引導門窗設計人員針對多點鎖閉系統門窗在風荷載作用下的強度及剛度校核方面能夠正確地選擇力學模型從而達到科學、合理地加以運用。

力學模型；材料力學；靜定結構；超靜定結構；鎖閉點；結構力學；力法

1.緒論

中國經濟突飛猛進的發展，建筑行業近些年在經濟發展中具有舉足輕重的作用，為我國的經濟建設做出了不朽的貢獻，而門窗行業作為建筑行業中不可或缺的一部分，在90年代初期到現在，幾十年間發生了翻天覆地的變化。90年代初期，我國正處在大開發、大建設的初期階段，行業內相關標準相對滯后，門窗相關產品及行業標準并不完善，甚至在某些方面還是一片空白，這就導致了當初生產的門窗性能要求較低，門窗質量相對較差，五金配件結構簡單，品種單一。隨著開發建設力度及規模的不斷加大，政府監督機制隨著時間推移不斷完善，相關標準的制定、修訂工作相繼完成，國內門窗企業在此契機下得到了迅猛發展，各個門窗相關產業打破了傳統的技術模式，開始學習國外的先進技術及管理方法，并引進一批先進的生產設備，在此背景下門窗質量得到了前所未有的提升，尤其是門窗相關的產品質量也有了質的飛躍。雖然我們取得了可喜的成績，但是針對門窗相關產品及行業標準還有待完善，尤其是標準中關于力學模型的選擇還需完善和優化。門窗五金作為門窗的重要組成部件，在門窗中不但承載窗扇的重量，而且還具有啟閉功能等作用。目前，關于門窗安裝多點鎖閉系統在風荷載作用下的受力計算并沒有相關標準可循，只是在RISN-TG019 《建筑門窗配套件應用技術導則》中有所涉及，但是導則編制初衷是使門窗從業人員掌握關于多點鎖閉系統力學計算的簡單方法準則，并沒有過多深入探討和形成標準文件。眾所周知，其中的計算方法過于簡單，而且具有很大的局限性，這種計算方法并不科學嚴謹，只是為了填補關于多點鎖閉系統力學計算方面標準的空白。例如：門窗多點鎖閉系統在風荷載作用下鎖閉點的受力大小及鎖閉點間桿件的變形量采用材料力學的理論是無法計算出來的。對于門窗而言，首先，合理地選擇力學模型可以正確地選擇受力構件，充分發揮材料的極限，有理有據地節約材料，有效控制材料成本，事前采取有效的防控措施，不會造成不必要的材料浪費；其次，合理的選擇力學模型不會造成設計反復帶來的苦惱，對門窗設計人員起到事半功倍的效果。

2.鎖閉點

行業內通常把1個鎖點和1個鎖座二者的組合稱為1個鎖閉點（見圖1），鎖點在傳動鎖閉器或多點鎖閉器上，而鎖座則安裝在窗框上。當建筑外窗或外門在鎖閉狀態下，鎖閉點才發揮作用，鎖閉點必須具有足夠抵抗垂直于窗扇風荷載的能力，否則探討鎖閉點受力就沒有實際意義。

圖1 鎖閉點受力圖

3.多點鎖閉系統五金

門窗多點鎖閉系統五金配件是針對單點鎖閉五金配件而言的，包涵傳動鎖閉器、多點鎖閉器以及相關的門窗五金系統。

本文主要針對傳動鎖閉器在風荷載作用下，不同數量的鎖閉點該如何確定其力學模型以及在此基礎上的計算方法。筆者在此著重討論2點鎖閉和3點鎖閉情況下在同樣大小荷載作用下受力的區別及計算方法。

下面介紹一下2點鎖的受力狀態，2點鎖是在門窗執手側的邊梃上具有2個鎖閉點，我們把鎖閉點視為支座，執手側邊梃視為主受力桿件，其受力圖可以用圖2表示；此結構可視為單跨外伸梁。其特點是門窗開啟扇執手側邊梃安裝一根傳動鎖閉器，而且傳動鎖閉器上具有2個鎖點，與邊梃相對應的框上安裝與鎖點相對應的鎖座，1個鎖點與1個鎖座形成一個鎖閉點。通常情況下，端部鎖點距離邊梃端部為110mm～250mm，簡化力學模型見圖2。

圖 2 2點鎖力學模型

下面介紹一下3點鎖的受力狀態，3點鎖是在門窗執手側的邊梃上安裝3個鎖閉點的傳動鎖閉器，我們把鎖閉點同樣視為支座，執手側邊梃視為主受力桿件，其力學模型可以用圖3表示；此結構可視為2跨連續外伸梁。其特點是：門窗開啟扇執手側邊梃安裝一根傳動鎖閉器，而且傳動鎖閉器上具有3個鎖點，與邊梃相對應的框上安裝與鎖點相對應的鎖座。通常情況下，端部鎖點距離邊梃端部為110mm～250mm，簡化力學模型見圖3。

圖 3 三點鎖力學模型

4.多點鎖閉系統五金選擇

多點鎖閉系統五金安裝在窗扇的邊梃上，這樣邊梃就好比一根具有2個以上約束的連續梁，通常情況下，針對塑料門窗產品：窗扇高度在600～900mm內，建議采用2點鎖；窗扇高度在900～1200mm內，建議采用3點鎖，窗扇高度在1201～1500mm采用4點鎖；當然這只是初步配置方案，具體的鎖閉點數量的確定還需要根據風荷載設計值進行受力分析計算來確定具體的五金配置方案。

5. 2點鎖計算方法

2點鎖計算方法比較簡單，我們可把邊梃視為具有兩個支座的外伸梁，此結構屬于靜定結構，計算并不復雜，只要具有材料力學方面的知識就可以完成。首先我們確定力學模型，見圖4，下面計算2點鎖的支座反力，即鎖閉點水平方向的剪切力。

圖 4

由門窗開啟扇五金構造可知，兩端鎖點距離邊梃最外端的距離相等，故：

假設風荷載設計值Wk=4500N/m2，開啟扇的寬高為：700mm×1200mm，鎖閉點分布情況見圖1，L=1200mm，L1=150mm，L2=150mm； 將以上數據帶入公式得：

所以：鎖閉點受到的剪切力為675N。

6. 3點鎖計算方法

3點鎖計算方法較2點鎖計算方法復雜得多，我們可把邊梃視為具有三個支座連續的外伸梁，這個結構屬于超靜定結構，計算過程較2點鎖復雜，計算者必須具備一定的結構力學知識的學習方可完成。首先我們確定力學模型，見圖5，A、B、C視為鎖閉點，下面計算3點鎖支座反力。

圖5

假設A點的支座反力為RA；B點的支座反力為RB；C點的支座反力為RC；用力法求解支座反力RC，即鎖閉點水平方向的剪切力：

解：1.選擇基本體系：

2.力法基本方程：

3.計算系數和自由項：

做單位彎矩圖M1和荷載彎矩圖MP

假設風荷載設計值Wk=4500N/m2，開啟扇的寬高為：700mm×1200mm，鎖閉點分布情況見圖3，L=1200mm，L1=150mm，L2=150mm，L3=500mm ，L4=400mm，將以上數據帶入公式

根據：∑Mx=0，∑My=0 可得：RA=428.9N，RB=367.4N。

7.對比分析

通過以上計算可知，2點鎖和3點鎖受力情況是具有本質上的區別——2點鎖傳動鎖閉器的鎖閉點受力大小是相同的，而3點鎖的傳動鎖閉器的鎖閉點受力大小是完全不同的。不難看出，3點鎖與2點鎖采用的力學模型不同，3點鎖采用的是解決超靜定結構問題中的力法，通過計算發現3點鎖的傳動鎖閉器其中間的鎖點受力最大，前提是端部鎖點距離扇梃最外邊緣距離不能大于扇高度的八分之一。由此可知，鎖閉點分布情況不同，那么所受到的力值大小也并不相同，所以進行鎖閉點受力分析計算時應按照最大力值確定鎖點數量，而并非根據平均值來確定鎖閉點數量。那么現在對比一下，傳統五金配置的計算方法如下：

WK - 風荷載設計值；

W –窗扇寬度；

H –窗扇高度；

n –鎖閉點數量。

由以上公式可以看出：首先，根據風荷載設計值計算出窗扇承受的集中力；其次，根據集中力大小除以單個鎖閉點許用設計值，從而得到鎖閉點數量；這樣的計算方法過于理想化，主觀地認為每個鎖閉點受力大小相同，事實上每個鎖閉點所承受的力值并不相同，最大力值和最小力值可能相差幾十牛頓甚至幾百牛頓，如果我們按照以上的公式進行計算，那么五金配置并不合理，存在安全隱患；通過選擇另一種力學模型計算，不難發現導則中的計算方法存在很大缺陷，過去一些人誤認為每個鎖閉點受到的力值是相同的，然而通過分析計算得知并非如此，每個鎖閉點受力大小實際上是不同的，具體相差多少要看鎖點分布情況，所以進行五金配置時應根據受力最大的鎖閉點的力值來確定鎖閉點的數量，換句話說，就是所有鎖閉點中力值最大的鎖閉點不能大于鎖閉點許用設計值，而并非所有鎖閉點受力平均值不大于鎖閉點許用設計值。

8.結束語

建筑門窗五金件對門窗而言是至關重要的，那么如何理解其構造及工作原理以及如何正確應用卻是值得我們業內同仁關注和探討的。只有深刻認識和理解建筑門窗五金配件才能正確加以應用。目前，針對建筑門窗五金多點鎖閉系統在風荷載作用下的計算方法各生產廠家也是仁者見仁，智者見智，關鍵因素在于我們沒有統一的應用標準。正因如此，各個廠家對門窗開啟扇在風荷載作用下的受力分析所采用的力學模型也因此不同，進而導致門窗五金配置上的差異，這樣就會造成鎖閉點數量上的缺失而影響門窗開啟扇在受到較大風荷載時的安全性。筆者呼吁行業內盡快完善關于門窗多點鎖閉系統五金應用方面的行業規范，只有對其進行標準化，行業內建筑門窗五金件多點鎖閉系統的應用在計算方法上才能統一。

[1] 張少實. 新編材料力學.機械工業出版社，2002.

[2] 國振喜 張樹義. 實用建筑結構靜力計算手冊.機械工業出版社，2009.

[3] 劉世奎. 結構力學.清華大學出版社，2008.

（作者單位：諾托弗朗克建筑五金（北京）有限公司）

TU532.65

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1671-3362（2017）10-0047-04