调研发现，玻璃幕墙工程破坏案例中装饰扣盖的破坏占比达到10%以上，本文通过有限元模拟、试验测试和理论分析，对玻璃幕墙咬合型装饰扣盖破坏机理进行研究，并给出了咬合型装饰扣盖的装配力和分离力理论计算公式。

1  研究背景

1.1  幕墙装饰条的分类

玻璃幕墙装饰条的种类很多(见图1)，根据不同的分类规则大致可以分类如下：

(1) 从材质上，可以分为金属装饰条、陶棍、木装饰条、玻璃装饰条等；

(2) 从功能上，可以分为遮阳装饰条、普通装饰条；

(3) 从与幕墙系统的关系上，可以分为扣盖类和外加构件类。

图1  幕墙装饰条分类

1.2  装饰扣盖的工程应用现状及问题

装饰扣盖是玻璃幕墙中最常见的一个构件，特别是咬合型的装饰扣盖，见图2，在明框幕墙、半隐框幕墙中大量使用，其特点是装饰扣盖本身不承担自身以外的荷载；仅靠压板和扣盖挤压配合连接。

图2  咬合型装饰扣盖

依托于我司承担的“十三五”国家重点研发计划课题“城镇建筑围护结构防高空坠落及安全性能提升关键技术”，调研和统计发现，在所有玻璃幕墙工程破坏案例中，装饰扣盖的破坏占比达到10%以上，其中很大一部分就是上述的咬合型装饰扣盖。

调研中发现，有些工程项目的装饰扣盖出现大量松动甚至掉落情况，经过剖析可知，这些装饰扣盖的破坏原因主要有以下几种：

(1) 单元式幕墙扣盖在安装过程中，被相邻板块磕碰造成松动；

(2) 扣盖设计不合理，没有设置预变形，导致安装松动；

(3) 不按图纸施工，本应通长的幕墙压板变成分段设置，由于各段压板不对齐，导致扣盖仅与个别压板连接，承载性能极大削弱；

(4) 扣盖过大，侧向风荷载超过扣盖与压板连接的承载力。

扣盖虽小，但是破坏坠落以后引发的后果比较严重。由于其不是幕墙系统中的主要受力构件，在设计和施工中往往容易被轻视，在以往的研究中也鲜有专门的研究，在现行的规范中也缺乏细致的规定。为了装饰扣盖能够得到更加规范、安全地应用，我司开展了玻璃幕墙装饰扣盖应用技术研究。

本研究基于试验测试、理论分析、有限元模拟和公式推导等方法，研究了装饰扣盖的破坏机理、影响因素效率、安全性能提升措施。本期主要介绍破坏机理和理论公式部分。

2  有限元模拟及试验研究

2.1  有限元模拟

有限元模拟的分析对象为应用广泛的S60型扣盖(按宽度命名)，见图3。

图3  S60型扣盖

采用ANSYS软件进行分析，模型设置为实体单元，在扣盖与压板之间在法向上设置软接触，摩擦系数μ=0.165；S60扣盖和配套压板模型长度300mm，装配过程中的插入角α=15°，分离过程中的分离角β=29.23°，见图4；采用位移加载的静力分析，0~1s为装配过程，1~2s为分离过程。

图4  角度参量定义示图

有限元模拟的装配过程可以分为三个阶段，见图5：

图5  装配及拆卸过程的加载力曲线

第一阶段，在扣盖与压板接触后，随着位移加载增大，悬臂钩的变形逐渐增大，加载力与加载位移几乎呈线性关系，达到下图所示位置时，加载力出现最大值，为338.96N；

第二阶段，加载点反力值迅速减小，此时，扣盖与压板的竖直面接触，悬臂钩变形不再增加，呈滑动摩擦状态；

第三阶段，在继续加载时，悬臂钩进入压板凹槽，此时由于悬臂钩的变形很大，偏斜力很容易克服摩擦力，因此发生比较大的突变，加载点反力的数值几乎反号，随着位移加载增大，悬臂钩变形逐渐减小，反力也逐渐减小最终完成装配。值得注意的是，第三阶段在实际安装时并不存在，因为在第二阶段完成之后，扣盖即可自动咬合入凹槽，安装到位。

分离过程与装配过程相似，由于分离角度大于插入角度，因此曲线斜率很大，同时，分离时所需要的最大反力也更大，为689.51N；当达到峰值后，悬臂钩变形不再增大，仅剩动摩擦力起作用，反力迅速减小，出现一个小的平直段，在此之后可认为扣盖与压板发生分离，达到破坏状态。

在装配和分离过程中，扣盖应力未达到屈服应力，与理论分析时的材料处于弹性阶段假设相符。

2.2  试验研究

为验证有限元模拟的正确性，采用相同规格的型材进行扣盖装配和拆卸，作为对比试验。试验通过万能试验机进行，见图6。

图6  扣盖试验

装配试验和拆卸试验的力—位移曲线与有限元模拟曲线对比发现，力与位移在初始阶段有台阶，之后几乎线性，峰值后大幅降低；装配力均值为344N、分离力682N，与有限元模拟结果非常接近。

3  理论分析与计算公式研究

咬合型装饰扣盖和压板连接的承载力，主要与以图7所示几何参数有关：

图7 与装配力、分离力大小有关的几何参数

通过定性分析可知：咬合型装饰扣盖是一种典型的卡扣型连接；安装和分离过程，是悬臂钩的变形过程；插入面角度α，应尽可能的小，以减小装配力；保持面角度β，角度越陡，保持强度和分离力越大。

以扣盖装配过程中的某一时刻做静力分析，假设悬臂钩为理想的悬臂梁，边界刚度无穷大，见图8。

图8 装配过程中某一刻的静力分析

可以得到公式：

其中：

F_p ——偏斜力

α ——装配角度

μ ——摩擦系数

同理，对扣盖分离过程中的某一时刻可以做类似分析，可以得到：

上述公式中，最重要的就是确定偏斜力F_p。通过结构力学的知识，可以求出F_p与悬臂钩变形的关系，见图9：

图9 采用图乘法计算变形

可得：

其中：

F_p ——偏斜力，使悬臂钩发生大小为Δ的竖向变形的力

C ——悬臂钩的截面宽度，

B——扣盖底板宽度

t₁ ——悬臂钩根部厚度，

t₂ ——底板厚度，

L ——悬臂段长度，

E ——弹性模量，

δ——保持面深度，

φ ——预变形角度，

Δ——悬臂钩竖向变形，Δ最大值与δ、L和φ有关

最后，对理论公式进行验证，将理论公式计算值与试验值进行对比，得到对于装配力和分离力，理论计算值与试验值的偏差分别为9.8%和5.9%，误差在可接受范围内，证明了理论公式的正确性。

3  小结

本文通过有限元模拟、试验测试和理论分析，对玻璃幕墙咬合型装饰扣盖破坏机理进行研究，给出了咬合型装饰扣盖的装配力和分离力理论计算公式。

致谢：

感谢江河创建集团股份有限公司对于本研究的大力支持！

作者简介：

王  超

中国建研院中建研科技工程咨询设计院幕墙所科研室主任，高级工程师，主要从事幕墙设计与研究工作。代表项目包括北京朝阳站、北京大运河博物馆、北京地铁7号线环球影城地铁站等；作为主要研究人员完成了各级科研项目10余项；参编行业、团体表3部；发表学术论文20余篇，其中EI收录3篇。