力學模型選擇對多點鎖閉系統五金應用的影響

戴紅亮

【摘要】本文主要探討門窗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如何計算桿件跨中的最大豎向位移，并著重探討2點鎖閉和3點鎖閉狀態下在同樣大小風荷載作用下位移變化情況及計算方法。

【關鍵詞】材料力學;結構力學;靜定結構;超靜定結構;位移;力法;圖乘法

1. 緒論

我們賴以生存的地球是有限的，尤其是貯存于地球之能源更加有限，所以世界各國也意識到這一點，無不在尋求或研發新能源以替代現有的能源，但是這個過程漫長而曲折，不可能一蹴而就。在沒有找到新的可替代能源之前我們唯一的選擇就是節約現有的能源以應對當前的各種狀況。

在有限的能源前提下，而人們對美好的物質生活、精神生活的追求卻沒有停息，正因如此，作為人們賴以生存的居住建筑環境的質量及舒適度要求自然而然隨之改變，這在某種程度上迫使建筑商在產品質量和人性化設計方面加以改良的同時不得不進行創新，而門窗產品作為建筑產品中不可或缺的一部分，90年代初期到現在，不論是產品質量和產品族的拓展，還是專業水平都發生了前所未有的變化。然而房地產工業發展的前期，建筑標準規范相對滯后，與發達國家相比還有相當大的差距，就門窗而言，國家、行業及產品標準更加不完善，甚至在某些方面還是一片空白，加之當時監督機制不夠完善，這就導致了當初生產的門窗產品性能要求較低，門窗產品質量更是差強人意，而門窗中起到關鍵作用的五金配件形式單一，鎖閉方式還停留在傳統的一扇一鎖點，一扇一銷的簡單構造層面;最近十幾年，房地產業發展速度超乎想象，自然而然對門窗需求越來越大，國內生產力發展水平已經遠遠不能滿足門窗產業需求，行業技術滯后，生產設備現代化水平有限的局面顯而易見，由于門窗產業發展需求旺盛，而相應的行業及產品標準規范并未及時補充并加以完善，與門窗產業發展速度形成鮮明對比。眾所周知，行業標準《鋁合金門窗工程技術規程》JGJ 214及《建筑用塑料窗》GB/T 28887中關于門窗中豎框的強度及剛度校核計算采用材料力學中的計算方法，而開啟扇多點鎖閉系統五金的桿件強度及剛度校核計算皆沒有涉及，尤其是標準中關于開啟扇主受力桿件的強度及剛度校核的力學模型的確定應加以完善。目前關于鎖閉點的計算方法可參考的只有《建筑門窗配套件應用技術導則》RISN-TG019，筆者并不是詬病這種計算方法確立存在缺陷，而是從另一個角度去分析和完善計算方法的選取和更加系統的分析在此方法基礎上如何進行多點鎖閉系統五金在開啟扇受到風荷載作用下受力狀態更加深入的探討。

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，鎖點固定在傳動鎖閉器或多點鎖閉器上，而鎖座則安裝在窗框上。當建筑外窗處在鎖閉狀態時，鎖閉點才發揮作用，鎖閉點不但具有鎖閉窗扇的功能，而且必須具有足夠抵抗來自垂直于窗扇風荷載的能力;窗扇在關閉狀態下，所有窗扇的重量由合頁（鉸鏈）承載，合頁與鎖閉點的共同作用下使整個窗扇在空間處于靜態平衡狀態（見圖1），合頁（鉸鏈）與鎖閉系統二者相輔相成，缺一不可。

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系統五金配件而言的，包涵：傳動鎖閉器、多點鎖閉器以及相關的內平開下懸五金系統等。

本文主要探討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如何計算桿件跨中的最大豎向位移，筆者在此著重探討2點鎖閉和3點鎖閉狀態下在同樣大小風荷載作用下位移變化情況及計算方法。

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豎邊梃上安裝具有2個鎖點的傳動鎖閉器，我們把1個鎖閉點視為1個支座，執手側邊梃視為主受力桿件，其力學模型可以用圖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1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2個鎖座，1個鎖點與1個鎖座形成1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。

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豎邊梃上安裝具有3個鎖點的傳動鎖閉器，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上安裝1根傳動鎖閉器，而且傳動鎖閉器上具有3個鎖點，框上安裝與鎖點相對應的3個鎖座。通常情況下，端部鎖點距離邊梃端部亦為110mm～250mm，簡化力學模型見圖3。

4. 多點鎖閉系統五金選擇

傳動鎖閉器安裝在窗扇的邊梃上，這樣邊梃就好比1根具有2個以上支座的連續梁，而連續梁為超靜定結構，超靜定結構的最大優點就是可以極大的提高桿件的整體剛度，降低桿件的豎向位移量。就門窗而言，多點鎖閉系統五金在風荷載作用下可約束開啟扇邊梃的變形量從而提高門窗開啟部位的密封性能。通常情況下，針對鋁合金門窗產品：窗扇高度在601mm～900mm內，建議采用2點鎖;窗扇高度在901mm～1200mm內，建議采用3點鎖，窗扇高度在1201mm～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詳盡的五金配置方案。

5. 2點鎖桿件位移計算方法

2點鎖桿件豎向位移計算方法較簡單，我們可把邊梃視為具有2個支座的外伸梁，此結構屬于靜定結構，計算并不復雜，只要具有理論力學或材料力學方面的知識就可以解決。首先我們確定力學模型，見圖4，下面計算2點鎖桿件跨中的最大豎向位移，即中間跨的豎向位移計算。

解：1）由門窗五金構造共性可知，兩端鎖點距離邊梃最外端的距離相等，即L1=L2 ，作實際狀態內力圖（圖5）

2）建立虛擬單位力狀態，作此狀態下內力圖（圖6）

3）圖乘法計算2個鎖點間桿件跨中的最大位移

假設風荷載設計值W=4000N/m2，開啟扇的寬高為：750mm×1800mm，鎖閉點分布情況見圖2，L=1800mm，L1=150mm，L2=150mm， L3=1500mm? ; 開啟扇型材截面的慣性矩I=25cm4，鋁合金的彈性模量E=70000N/mm2 ; 將以上數據帶入公式得：

4.2mm

所以：鎖閉點間桿件跨中的最大位移4.2mm。

建筑外窗中起到密封作用的膠條通常有2道，其一，若是內開窗，室內側企口膠條;其二，中間的等壓膠條。開啟扇的密封膠條工作范圍通常為0.5mm～1.0mm，如果桿件變形量大于這個范圍，那么門窗開啟扇密封性能早已喪失（見下圖），所以門窗密封性能設計的前提條件是主受力桿件的剛度必須滿足正常使用功能要求。

密封狀態? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 密封失效狀態

6. 3點鎖桿件位移計算方法

3點鎖位移計算方法較2點鎖復雜，我們可把邊梃視為具有3個支座的連續外伸梁，這個結構屬于超靜定結構，計算過程較2點鎖繁瑣，計算者必須具備專業的結構力學知識的學習方可獨立完成。首先我們確定力學模型，見圖7，A、B、C視為鎖閉點，下面進行3點鎖桿件在風荷載作用下的豎向位移計算。

要想求出3點鎖間桿件跨中的豎向位移，首先要求出C點處的內力Mc，假設A點的內力為MA;B點的內力為MB;C點的內力為Mc ;力法求解內力Mc，即中間鎖閉點處桿件的負彎矩。

解：1）選擇基本體系：

2）力法基本方程：

3）計算系數和自由項：

作單位彎矩圖（圖9）和荷載彎矩圖（圖10）

a）首先，求解

b）其次，求解

4）求多余未知力

將系數和自由項帶入力法方程，得

解得 ，即

5）圖乘法計算3點鎖間桿件豎向最大位移

a）作實際狀態內力圖（圖11）

b）建立虛擬單位力狀態，作此狀態下內力圖（圖12）

c）圖乘法計算跨的桿件豎向最大位移

解：假設L3>L4，

則有：

假設風荷載設計值W=4000N/m2，開啟扇的寬高為：750mm×1800mm，鎖閉點分布情況見圖3，L=1800mm，L1=150mm，L2=150mm，L3=900mm，L4=600mm;開啟扇型材截面的慣性矩I=25cm4，鋁合金的彈性模量E=70000N/mm2; 將以上數據帶入公式得：

M=49781.25

0.3mm

所以：鎖閉點間（L3跨）桿件豎向的最大位移為0.3mm。

7. 對比分析

通過以上對比分析可知，2點鎖和3點鎖狀態下的主受力桿件在相同跨度、相同桿件、相同風荷載作用下，其產生的豎向位移量差異很大，增加1個鎖閉點可將位移量縮小至2點鎖跨度位移量的1/14，由此可見，只增加1個鎖閉點卻能極大的提高開啟扇的密封性能，效果顯著、立竿見影。而目前一些建筑商為了節約門窗成本往往在配置上大多采用2點鎖的五金配置方案，合頁側增加1個中間鎖的建筑商更是鳳毛麟角，1個鎖閉點的成本大概在10元（人民幣）左右，表面上來看，1樘建筑外窗，執手側加上合頁側各自少安裝1個鎖閉點，似乎節省了20元（人民幣）左右成本，實則不然，我們用犧牲門窗密封性能的高昂代價而換取微不足道的20元（人民幣）成本降低確實得不償失，這種顧此失彼的做法好比掩耳盜鈴，自欺欺人。門窗除了基本的“三性”（抗風壓、水密、氣密）要求外，人們還賦予其保溫、隔熱、隔聲等其它物理性能，如果建筑外窗的各個物理性能不能保證，那么這個窗就失去了它本身的應用價值。

8. 結束語

基于以上分析，不難發現建筑門窗五金件對門窗氣密性而言非常關鍵，有句俗語：“千里之堤毀于蟻穴”，只把五金看做簡單的配件而還停留在其只具有啟閉功能層面是錯誤的，其不但具有啟閉功能，更加對門窗的氣密性能起到關鍵性的作用。我們試想，如果門窗五金件出現問題，那么整窗物理性能就會喪失，還何談整窗性能保證?；谝陨戏治?，門窗五金應用應引起建筑商及業內同仁的高度關注。那么如何理解其構造及工作原理以及如何正確的應用門窗五金配件的確是值得我們業內同仁高度關注和深入探討的。只有追根溯源的認識和理解建筑門窗五金件才能正確的加以應用。目前，針對建筑門窗多點鎖閉系統五金在風荷載作用下的位移計算方法各生產廠家及咨詢公司也是仁者見仁，智者見智，關鍵因素在于我們沒有統一的行業及產品標準可供采用或參考。正因如此，各個五金件生產廠家對門窗開啟扇在風荷載作用下的受力分析計算所采用的力學模型也是不盡相同，進而導致工程上門窗五金配置存在較大差異，尤其是鋁合金門窗的五金配置更是五花八門，原因在于鋁合金門窗傳動鎖閉器為模塊化設計，傳動鎖閉器不是整體加工制造而成，而是通過滑桿將各個部件通過預打孔聯接起來。這樣就極易造成鎖閉點數量上的缺失進而導致門窗開啟扇在受到較大風荷載作用時密封失效，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或指導性文件，只有對其進行標準化，行業內建筑門窗多點鎖閉系統五金的應用在計算方法上才能實現統一，才能在建筑工程上更加科學、更加合理的加以應用。

參考文獻

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[3] 劉世奎. 結構力學[M].清華大學出版社，2008

[4] 《建筑門窗五金件 通用要求》GB/T 32223

[5] 《建筑門窗五金件 傳動鎖閉器》JG/T 126

[5] 《建筑門窗五金件 多點鎖閉器》JG/T 215

[6] 《鋁合金門窗工程技術規程》JGJ 214

[7] 《建筑用塑料窗》GB/T 28887

（作者單位：諾托弗朗克建筑五金（北京）有限公司）

【中圖分類號】TU532.7

【文獻標識碼】A

【文章編號】1671-3362（2019）08-0040-04