幕墙闭口横梁与开口横梁研究分析

幕墙闭口横梁与开口横梁研究分析

曾伟清

珠海兴业绿色建筑科技有限公司519000

摘要：目前建筑幕墙市场上，框支承幕墙形式应用非常普遍，其横梁形式有“开口横梁”与“闭口横梁”之分，开口横梁是指幕墙体系中与立柱连接的横向龙骨采用非闭合的截面，与立柱连接完毕后，以扣盖的形式将断面进行闭合的横梁，与立柱的连接通常采用铝合金角码。闭口横梁是指幕墙体系中与立柱连接的横向龙骨采用完全闭合截面的横梁，与立柱的连接通常采用弹簧销钉、钢销钉等。本文通过对两种横梁的对比分析，以便大家今后在选用横梁时有所参考、帮助。

关键词：开口横梁；闭口横梁；横梁角码；横梁插芯；弹簧销钉；钢销钉

一、前言

在城市化建设中，大多数的建筑物都采用了玻璃幕墙这一新结构，玻璃幕墙存在着美观、个性、晶莹剔透的优势，并能有效地彰显出建筑设计人员的意图。为了更好地实现建筑幕墙的效果，幕墙设计人员需对幕墙系统进行仔细的斟酌，幕墙横梁是选用开口横梁还是选用闭口横梁就是其中的一项，下面将对两种横梁在外观、结构受力、安装工艺、经济性上进行对比分析，以使大家今后在选择横梁上有所参考、帮助。

二、闭口横梁与开口横梁的对比分析

（一）两种横梁的外观对比

幕墙横梁有明框和隐框两种形式，工程中通常采用的横梁高度一般有：65mm、70mm、75mm，横梁宽度与所在工程的受力有关系，可根据结构计算确定，本文以工程中常用的横梁高度70mm，宽度60mm为例，横梁的对比截面图如下：

从上图可以看出，两中横梁外观尺寸基本能实现一致，但开口横梁需要扣盖闭合，因此，在室内会比闭口横梁增加两道细小的通长缝隙，通常扣盖朝下放，室内也不会明显看出来，效果亦能接受。

（二）两种横梁的结构受力对比

为清楚地显示明、隐框两种横梁的结构性能，拟定横梁在同样的条件下，分别采用专业计算软件进行验算，以表格形式直观显示对比结果。珠海某工程基本风压为WO=0.85Mpa，地面粗糙度为B类，建筑标高为50m，幕墙分格L=1400mm，横梁上部分格H1=1500mm，下部分格H2=2000mm，面板自重G=0.45kN/m2，横梁采用6063-T5材质，f=90N.mm-2，fv=85N.mm-2，水平方向挠度控制值dflim=L/180=7.78mm，垂直方向挠度控制值dflimv=L/500=2.6mm，横梁计算模型为简支梁。

1、明框横梁计算

1.1、开口横梁

1.1.1、开口横梁强度及挠度计算

结果显示如下图5：

图5明框开口横梁计算结果图

从图5可知，横梁的强度已经为90.92N.mm-2，已微超横梁许用强度f=90N.mm-2。

1.1.2、开口横梁抗扭转计算

利用有限元软件sap2000计算模拟开口横梁的变形情况，计算结果显示如下图6：

图6明框开口横梁扭转结果图

横梁端部的转动角度为R1=0.00752x180/3.14=0.431o.

1.2、闭口横梁

1.2.1闭口横梁强度及挠度计算

结果显示如下图7：

图7明框闭口横梁计算结果图

从图7可知，横梁的强度已经为88.82N.mm-2，未超横梁许用强度f=90N.mm-2。结合图5、图7可知，在相同条件下，明框横梁中闭口横梁的强度与刚度性能要优于开口横梁。

1.2.2、开口横梁抗扭转计算

利用有限元软件sap2000计算模拟横梁的变形情况，计算结果显示如下图8：

图8明框闭口横梁扭转结果图

横梁端部的转动角度为R1=0.00386x180/3.14=0.221o.结合图6、图8可知，在相同条件下，明框横梁中闭口横梁的抗扭转性能要优于开口横梁。

2、隐框横梁计算

2.1、开口横梁

2.1.1开口横梁强度及挠度计算

结果显示如下图9：

图9隐框开口横梁计算结果图

从图9可知，横梁的强度已经为90.38N.mm-2，已微超横梁许用强度f=90N.mm-2。

2.1.2开口横梁抗扭转计算

利用有限元软件sap2000计算模拟横梁的变形情况，计算结果显示如下图10：

图10明框闭口横梁扭转结果图

横梁端部的转动角度为R1=0.01268x180/3.14=0.728o.

2.2、闭口横梁

2.2.1闭口横梁强度及挠度计算

结果显示如下图11：

图11隐框闭口横梁计算结果图

从图11可知，横梁的强度已经为83.64N.mm-2，未超横梁许用强度f=90N.mm-2。结合图9、图11可知，在相同条件下，隐框横梁中闭口横梁的强度与刚度性能要优于开口横梁。

2.2.2闭口横梁抗扭转计算

利用有限元软件sap2000计算模拟横梁的变形情况，计算结果显示如下图12：

图12明框闭口横梁扭转结果图

横梁端部的转动角度为R1=0.00399x180/3.14=0.229o.结合图10、图12可知，在相同条件下，明框横梁中闭口横梁的抗扭转性能要优于开口横梁。

综上所知，不管是明框还是在隐框中，闭口横梁的强度、刚度、抗扭性能都要优于开口横梁。

（三）两种横梁的安装工艺对比

1、明框横梁的安装

1.1开口横梁的安装

横梁安装主要步骤有：横梁就位安装前，先将横梁角码予置于横梁两端，再将横梁垫圈预置于横梁两端，用不锈钢螺栓穿过横梁角码、垫圈及铝合金立柱，逐渐收紧不锈钢螺栓，同时注意，观察横梁角码的就位情况，调整好各配件的位置以保证横梁的安装质量，待横梁完毕后，在室内安装铝合金扣盖.此种做比较常见，目前大部分工程都采用这种做法，幕墙标准节点如下图13、14：

图13幕墙横剖节点图图14幕墙纵剖节点图

1.2、闭口横梁的安装

闭口横梁的安装方式与开口横梁安装略有不同，幕墙标准节点如下图15、16：

图15幕墙横剖节点图图16幕墙纵剖节点图

安装步骤有：首先在安装横梁前，将1个调节螺钉与3个不锈钢螺柱紧固在横梁插芯内，然后将横梁插芯置于横梁两端，不锈钢螺栓外端与横梁外端平齐，见图17横梁安装步骤1；横梁入位立柱中间，将不锈钢螺柱对准铝合金立柱钉孔，见图17横梁安装步骤2；而后用手拉插芯两端外露的调节螺钉，将紧固在插芯上的螺柱插入立柱的孔，之后在横梁外侧打一个调节螺丝，横梁安装完毕，见图17横梁安装步骤3.安装步骤如下图17：

图17横梁安装步骤1图17横梁安装步骤2图17横梁安装步骤3

通过上面的分析可知，明框闭口横梁的对立柱的安装精度要求高一些，首先是立柱上的螺柱孔不能远大于螺柱的直径，直径差控制在0.3mm以内，如直径差过大，横梁会有明显的晃动。另外，螺柱入立柱的深度要深一些，一般为8-10mm左右，如深度过浅，立柱安装后水平距离误差大，将会出现横梁脱落的风险，发生安全事故。

2、隐框横梁的安装

1.1开口横梁的安装

隐框开口横梁的安装方式与明框开口横梁安装方式一致。幕墙标准节点如下图18、19：

闭口横梁的安装节点如下：

1.2闭口横梁的安装

闭口横梁的安装方式与开口横梁安装略有不同，幕墙标准节点如下图20、21：

图20横梁安装步骤1图21幕墙纵剖节点图

安装步骤有：首先在安装横梁前，将3个不锈钢弹簧销钉插入横梁插芯内（插芯另一端用橡胶塞塞住），然后将横梁插芯置于横梁两端，并用1个限位螺钉将横梁插芯固定在横梁内，此步关键点是需确保压缩弹簧销钉后能使销钉外端与横梁及插芯平齐，见图22横梁安装步骤1；压缩横梁两端弹簧销钉，使横梁入位立柱中间，见图22横梁安装步骤2；微调横梁，将不锈钢弹簧销钉对准铝合金立柱钉孔位，听见“咔嚓”的声音，弹簧销钉插入立柱，横梁安装完毕，见图22横梁安装步骤3.安装步骤如下图22：

图22横梁安装步骤1图22横梁安装步骤2图22横梁安装步骤3

此安装方式中采用的弹簧橡胶塞、不锈钢弹簧及不锈钢钢销钉，为避免出现弹簧的硬度不合适或钢销的长度等出现问题，在大面积施工前，需送样试装后方可大面积施工。

通过上面的分析可知，隐框闭口横梁与明框闭口横梁安装基本相同，对立柱的安装精度要求也高一些。开口横梁对型材的工艺加工要求不高，可以在现场进行加工，施工比较灵活，需要注意的是，如在横梁跨度较大位置采用开口横梁，需要做抗扭转计算及加强措施，防止横梁受玻璃自重核载后，产生变形，使横梁与立柱间本来细小的缝隙变大，甚至发生倾覆，造成玻璃破裂引发工程安全问题。因此在选用横梁时候，需要结合工程实际情况进行分析、确定。

（四）两种横梁的经济性对比

为方便横梁的经济性对比，均按立柱分格1.0m进行考虑。

1、明框横梁的对比

开口横梁：面积S1=910.8mm2，扣盖面积S2=62.5mm2，铝合金横梁角码面积S3=164.0mm2，每米横梁使用铝材重量G1=（S1*1+S2*1+2*S3*0.054）*2700/1000000=2.68kg/m。

闭口横梁：面积S1‘=825.4mm2，铝合金横梁插芯S2‘=810.8mm2，每延米横梁使用铝材重量G1‘=（S1‘*1+2*S2‘*0.03）*2700/1000000=2.36kg/m。横梁重差Ga=0.32kg/m，可以得出闭口横梁可比开口横梁节省铝材12%（0.32/2.68）。

2、隐框横梁的对比

开口横梁：面积S1=764mm2，扣盖面积S2=73mm2，铝合金横梁角码面积S3=224.0mm2，每延米横梁使用铝材重量G1=（S1*1+S2*1+2*S3*0.05）*2700/1000000=2.29kg/m。

闭口横梁：面积S1‘=742mm2，铝合金横梁插芯S2‘=717mm2，每米横梁使用铝材重量G1‘=（S1‘*1+2*S2‘*0.03）*2700/1000000=2.06kg/m。横梁重差Ga=0.23kg/m，可以得出如采用闭口横梁可比采用开口横梁节省10.3%（0.23/2.24）。

从以上的分析可以看出，明框与隐框两种横梁，闭口横梁都比开口横梁节省10%左右，在一个常规的工程中，幕墙单价约为1000元/m2，铝材的含量约在10kg/m2左右，横梁占铝材约40%，铝材单价按约20元/kg，则可以得出采用闭口横梁整个工程可以优化成本约0.8%。

三、结语

通过上面的分析可知，在外观、结构受力、经济性上，闭口横梁较开口横梁都有优势，但在现场的施工、安装上，闭口横梁比开口横梁要求高一些，所以设计师应结合公司自身的优势，包括项目的施工工期、施工队的施工水平、劳务成本、铝材采购成本等因素进行充分考虑后确定采用哪种横梁。

随着科学技术的发展，各种新材料及新工艺的日新月异，许多传统幕墙的结构系统、施工工艺也在不断的更新与进步，我国作为幕墙的制造、使用大国，为我们幕墙人提供了广阔的实践天地，我们幕墙人应抓住良机，善于研究，善于总结，善于学习，为早日实现我国成为幕墙强国而尽自己的一份力量。

参考文献：

[1]GB5009-2012建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2]GB/T50378-2014绿色建筑评定标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[3].JGJ133-2001玻璃幕墙工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[4]张芹，新编建筑幕墙技术手册[M].济南：山东科学技术出版社，2003：20-51