淺析上懸窗伸縮風撐的使用

樸永日 陸贊殷

1.前言

現實生活中，幕墻上懸窗應用非常廣泛，由于幕墻上懸窗的自重都比較大，所以其中的風撐一般都會采用伸縮撐—即鎖定式撐檔，普通的二連桿摩擦式撐檔因為摩擦力不大于40N，所以無法使幕墻上懸窗定位在開啟角度。

本文從力學角度出發，根據兩種不同的安裝比較計算，并進行了試驗驗證，最后得出結論。

2.計算

首先要確定模擬窗大小，確定參數條件，之后再展開分析。

2.1 應用模擬假設條件

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范為300mm，則換算開啟角度為17.5°。

2.1.2 風荷載標準值取為 kPa5.0 ，其風荷載均布大小為垂直于窗扇板，正負風壓取值相等。

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

2.1.4 以上計算均以標準值，開啟工作狀態下考慮，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。很多人想當然，自己設定安裝位置，但實際上是不對的。因為在確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閉位置后，伸縮撐占據的位置長度要大于伸縮撐的名義最小長度，才能保證正常關閉。此點往往被人忽視。所以需要強調，每個不同尺寸的窗型都要先尋找伸縮撐正確的安裝位置。

根據以上軌跡情況，伸縮撐開啟角度按圖1 可確定為30°，下面進行分析。

2.2.1 伸縮撐在框上離下端360mm處定位，如下圖2。

以旋轉支點O為平衡點，一對伸縮撐軸向受力為Q，可以計算如下：

1）不考慮風壓時

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、正風壓、負風壓

即不受風壓時，一對伸縮撐受壓力164N；

2）正風壓時

即受正風壓 kPa5.0 時，一對伸縮撐受壓力945N；

3）負風壓時

即受負風壓- kPa5.0 時，一對伸縮撐受拉力617N。

2.2.2 伸縮撐在扇上離下端360mm處定位，如下圖3。

同上，以旋轉支點O為平衡點，伸縮撐軸向受力為Q，可以計算如下：

1）不考慮風壓時端中點為窗扇關閉力施力位置，如圖示，關閉力設為F，可以計算如下：

在平衡狀態下往回關閉，實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。

經過計算得知：

不考慮風壓時，只需要克服懸窗自重，所以計算如下：

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

同理正風壓時，只需要克服懸窗自重和正風壓力，所以計算如下：

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

負風壓時，先要克服懸窗自重分力，而此時負風壓有助于開啟窗扇，往回來需要克服負風壓力，所以計算如下：

伸縮撐屬于鎖定式撐檔，單只鎖定力為≥200N，假設一對伸縮撐受力均等時，先往開啟方向施加力解鎖推出，之后回拉，克服負風壓的關閉力為197.5N（未考慮摩擦力）。

此時因為負風壓以及渦流的影響，造成伸縮撐自己解鎖或晃動，很容易損壞。

2）伸縮撐在扇上離下端360mm處定位，如圖5。

這個道理同上，就直接說結論了。

不考慮風壓時，只需要克服懸窗自重，即先往開啟方向施加52.5N力，之

即不受風壓時，一對伸縮撐受壓力164N；

2）正風壓時

即受正風壓 kPa5.0 時，一對伸縮撐受壓力945N；

3）負風壓時

即受負風壓- kPa5.0 時，一對伸縮撐受拉力617N。

2.2.3 從平衡狀態要關閉時候的關閉力：

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、正風壓、負風壓

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、正風壓、負風壓

以旋轉支點O為平衡點，窗扇最下后會因窗扇自重影響自動回位（未考慮摩擦力）。

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

負風壓時，先要克服懸窗自重，而此時負風壓有助于開啟窗扇，往回關閉時需要克服負風壓壓力，即先往開啟方向施加力解鎖推出，之后回拉，克服負風壓的關閉力為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下的開啟力的情況，有興趣的可以自己推導。

從圖6受力分析，不受風壓時，可以知道上懸窗一對伸縮撐的受力Q為：

從以上公式（1）可知，當我們要計算伸縮撐受力時，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，也可以計算出。角度b和安裝位置h就要取決于所采用的伸縮撐的尺寸。

受正風壓時，上懸窗一對伸縮撐的受力為：

受負風壓時，上懸窗一對伸縮撐的受力為：

2.2.4 模擬試驗窗情況：

剛性模擬窗扇：1100mm寬×1300mm高；扇重：100kg；無膠條。安裝8寸伸縮風撐，設定開啟距離為300mm，進行模擬試驗（注：伸縮風撐開啟和關閉操作時需在鎖定位置向外推50mm再往回才能實現。由于測量點在開啟側距扇型材外緣 50mm處的中點上，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、正風壓、負風壓

圖6 兩個不同的安裝方式時的伸縮撐受力情況

根據以上條件啟閉力

1）伸縮風撐框上定位安裝啟閉力測試

圖7 伸縮風撐安裝圖

圖8 開啟力142N

圖9 關閉力142.6N

測試結果與計算結果偏差在2N左右，是因為摩擦力及其他因素影響。

2）伸縮風撐扇上定位安裝啟閉力測試

圖10 伸縮風撐安裝圖

圖11 開啟力144.95N

圖12 關閉力144.3N

測試結果與計算結果偏差在4N左右，是因為摩擦力及其他因素影響。

3）伸縮風撐框上定位安裝抗破壞測試：

依據JG/T 128-2017《建筑門窗五金件 撐擋》標準，做如下試驗。

圖13 關閉方向施加600N/5S

圖14 開啟方向施加1000N/5S

根據實驗數據判定結果為合格。

4）伸縮風撐扇上定位安裝抗破壞測試

依據JG/T 128-2017《建筑門窗五金件 撐擋》標準，做如下試驗。

圖15 關閉方向施加600N/5S

圖16 開啟方向施加1000N/5S

根據實驗數據判定結果為合格。

從試驗和理論可以得出在開啟距離300mm時，啟閉力公式如下：

（啟閉力施力位置默認在開啟側距扇型材外緣 50mm處的中點上，未考慮摩擦力）不受風壓時：

受正風壓時：

受負風壓時：

注：啟閉力F和伸縮撐的軸向受力Q是不一樣的。

對以上分析我們做一個小結：

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，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閉時的最小尺寸。

3）上懸窗重量、尺寸和開啟距離一定時，窗扇啟閉力與伸縮撐安裝位置無關。

這里簡單對伸縮撐抗破壞試驗的強度做一個演算。

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；施力點為窗扇開啟側距扇型材外緣 55mm處的中點上，我們選擇8寸伸縮撐，尺寸同上。則伸縮撐軸向受力Q在開啟和關閉時可分別計算。如：

圖17 JG/T 128-2017中試驗模擬窗中伸縮撐軸向受力分析圖

關閉力為600N：

5秒；伸縮撐受壓力；

開啟力為1000N：

5秒；伸縮撐受拉力。

3.伸縮撐聯接點的受力情況分析

對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，導致伸縮撐失效的現象居多。因此下面取伸縮撐與扇聯接點，做簡要理論分析。

3.1 無風狀態下（如圖18）

圖18 伸縮撐框上定位和扇上定位C聯接點受力圖

伸縮撐框上定位時，C聯接點，從受力分析可知：

同時雖然受扭矩M=G×0.066=350×0.066=23.1N·m，但因為聯接點C是可旋轉的軸，所以不考慮扭矩的影響。

伸縮撐扇上定位時，C聯接點，從受力分析可知：

從受力情況看，框上定位更有利。

3.2 受正風壓（如圖19）

圖19 受正風壓時，伸縮撐框上定位和扇上定位C聯接點受力圖

1）受正風壓時，伸縮撐框上定位，C聯接點，從受力分析可知：

2）受正風壓時，伸縮撐扇上定位，C聯接點，從受力分析可知：

從受力情況看，框上定位更有利。

3.3 受負風壓（如圖20）

1）受負風壓時，伸縮撐框上定位，C聯接點，從受力分析可知：

圖20 受負風壓時，伸縮撐框上定位和扇上定位C聯接點受力圖

2）受負風壓時，伸縮撐扇上定位，C聯接點，從受力分析可知：

從受力情況看，扇上定位更有利。

以上情況做一個小結：日常不受風壓和正風壓時，伸縮撐與型材聯接點框上定位更有利；如果單獨考慮負風壓的情況，則扇上定位更有利。

4.在實際工作中的應用

雖然上面我們經過計算，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寸伸縮撐時的力，但是實際情況下，由于幕墻分格原因，很多幕墻上懸窗都遠遠超過這個尺寸，2m寬×1.5m高的窗也是很常見的。

我們可以驗算如下：

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范為300mm，則換算開啟角度為11.5°；風荷載標準值取為0.5kPa，其風荷載均布大小為q風=500N/m，垂直于窗扇板，正負風壓取值相等。以10寸伸縮撐考慮，開啟后伸縮風撐展開長度為360mm，關閉后伸縮撐長度為255mm（展開長度是以中心距計算），經過計算，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。伸縮撐是按一對計算。

根據上面的公式，可以計算得出：

框上定位，受正風壓時，上懸窗一對伸縮撐的受力為：

受負風壓時，上懸窗一對伸縮撐的受力為：

框上定位，聯接點C受力，正風壓時：

負風壓時：

扇上定位， 聯接點C受力，正風壓時：

負風壓時：

從驗算結果來看，聯接點C受力在遇到風壓時，受力比較大。

目前大部分伸縮撐的聯接位置只有兩個自攻螺絲位置點，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個螺絲孔位

實際上很多時候，伸縮撐的損害基本都是集中在幾點：兩邊安裝不對稱；伸縮撐型號選擇錯誤；受正負風壓以及渦流的影響，來回晃動，兩邊受力不均；以及安裝錯誤的位置無法正常打開，還要強行打開等。

雖然前面我們計算了抗破壞時，伸縮撐的軸向受力，但它是極限荷載情況，只有5秒，數據不能用來做設計荷載用。最少要有兩倍的保險系數支撐才可以。

另外安裝時，伸縮撐缺口盡可能要沖下，如下圖22。

圖22 伸縮撐開啟關閉示意圖

由于伸縮撐是靠里面星形齒輪來定位卡住，星形齒輪自由旋轉的慣性動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

實踐證明，本文理論計算和力學分析得出的結果，符合產品實際情況。

通過以上分析， 得出的結論有以下幾點：

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。考慮風壓等因素，一對伸縮撐軸向受力設計荷載建議不要超過1000N。

5.3 在考慮伸縮撐與型材的聯接時，應該多點注意聯接點的受力情況。日常情況下，正風壓時框上定位更有利；如果考慮負風壓因素更多時，扇上定位的聯接點受力更有利。盡可能采用兩端各有4個螺絲孔位的伸縮撐。

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