力学模型选择对多点锁闭系统五金应用的影响

【摘要】目前行业内关于门窗强度和刚度校核的理论计算工具大多仍然采用材料力学的计算方法，而材料力学只能进行静定结构下的力学计算，针对超静定结构，材料力学知识是无法完成的。本文意在引导门窗设计人员针对多点锁闭系统门窗在风荷载作用下的强度及刚度校核方面能够正确地选择力学模型从而达到科学、合理地加以运用。

【关键词】力学模型；材料力学；静定结构；超静定结构；锁闭点；结构力学；力法

1.绪论

中国经济突飞猛进的发展，建筑行业近些年在经济发展中具有举足轻重的作用，为我国的经济建设做出了不朽的贡献，而门窗行业作为建筑行业中不可或缺的一部分，在90年代初期到现在，几十年间发生了翻天覆地的变化。90年代初期，我国正处在大开发、大建设的初期阶段，行业内相关标准相对滞后，门窗相关产品及行业标准并不完善，甚至在某些方面还是一片空白，这就导致了当初生产的门窗性能要求较低，门窗质量相对较差，五金配件结构简单，品种单一。随着开发建设力度及规模的不断加大，政府监督机制随着时间推移不断完善，相关标准的制定、修订工作相继完成，国内门窗企业在此契机下得到了迅猛发展，各个门窗相关产业打破了传统的技术模式，开始学习国外的先进技术及管理方法，并引进一批先进的生产设备，在此背景下门窗质量得到了前所未有的提升，尤其是门窗相关的产品质量也有了质的飞跃。虽然我们取得了可喜的成绩，但是针对门窗相关产品及行业标准还有待完善，尤其是标准中关于力学模型的选择还需完善和优化。门窗五金作为门窗的重要组成部件，在门窗中不但承载窗扇的重量，而且还具有启闭功能等作用。目前，关于门窗安装多点锁闭系统在风荷载作用下的受力计算并没有相关标准可循，只是在RISN-TG019 《建筑门窗配套件应用技术导则》中有所涉及，但是导则编制初衷是使门窗从业人员掌握关于多点锁闭系统力学计算的简单方法准则，并没有过多深入探讨和形成标准文件。众所周知，其中的计算方法过于简单，而且具有很大的局限性，这种计算方法并不科学严谨，只是为了填补关于多点锁闭系统力学计算方面标准的空白。例如：门窗多点锁闭系统在风荷载作用下锁闭点的受力大小及锁闭点间杆件的变形量采用材料力学的理论是无法计算出来的。对于门窗而言，首先，合理地选择力学模型可以正确地选择受力构件，充分发挥材料的极限，有理有据地节约材料，有效控制材料成本，事前采取有效的防控措施，不会造成不必要的材料浪费；其次，合理的选择力学模型不会造成设计反复带来的苦恼，对门窗设计人员起到事半功倍的效果。

2.锁闭点

行业内通常把1个锁点和1个锁座二者的组合称为1个锁闭点（见图1），锁点在传动锁闭器或多点锁闭器上，而锁座则安装在窗框上。当建筑外窗或外门在锁闭状态下，锁闭点才发挥作用，锁闭点必须具有足够抵抗垂直于窗扇风荷载的能力，否则探讨锁闭点受力就没有实际意义。

3.多点锁闭系统五金

门窗多点锁闭系统五金配件是针对单点锁闭五金配件而言的，包涵传动锁闭器、多点锁闭器以及相关的门窗五金系统。

本文主要针对传动锁闭器在风荷载作用下，不同数量的锁闭点该如何确定其力学模型以及在此基础上的计算方法。笔者在此着重讨论2点锁闭和3点锁闭情况下在同样大小荷载作用下受力的区别及计算方法。

下面介绍一下2点锁的受力状态，2点锁是在门窗执手侧的边梃上具有2个锁闭点，我们把锁闭点视为支座，执手侧边梃视为主受力杆件，其受力图可以用图2表示；此结构可视为单跨外伸梁。其特点是门窗开启扇执手侧边梃安装一根传动锁闭器，而且传动锁闭器上具有2个锁点，与边梃相对应的框上安装与锁点相对应的锁座，1个锁点与1个锁座形成一个锁闭点。通常情况下，端部锁点距离边梃端部为110mm～250mm，简化力学模型见图2。

下面介绍一下3点锁的受力状态，3点锁是在门窗执手侧的边梃上安装3个锁闭点的传动锁闭器，我们把锁闭点同样视为支座，执手侧边梃视为主受力杆件，其力学模型可以用图3表示；此结构可视为2跨连续外伸梁。其特点是：门窗开启扇执手侧边梃安装一根传动锁闭器，而且传动锁闭器上具有3个锁点，与边梃相对应的框上安装与锁点相对应的锁座。通常情况下，端部锁点距离边梃端部为110mm～250mm，简化力学模型见图3。

4.多点锁闭系统五金选择

多点锁闭系统五金安装在窗扇的边梃上，这样边梃就好比一根具有2个以上约束的连续梁，通常情况下，针对塑料门窗产品：窗扇高度在600～900mm内，建议采用2点锁；窗扇高度在900～1200mm内，建议采用3点锁，窗扇高度在1201～1500mm采用4点锁；当然这只是初步配置方案，具体的锁闭点数量的确定还需要根据风荷载设计值进行受力分析计算来确定具体的五金配置方案。

5. 2点锁计算方法

2点锁计算方法比较简单，我们可把边梃视为具有两个支座的外伸梁，此结构属于静定结构，计算并不复杂，只要具有材料力学方面的知识就可以完成。首先我们确定力学模型，见图4，下面计算2点锁的支座反力，即锁闭点水平方向的剪切力。

由门窗开启扇五金构造可知，两端锁点距离边梃最外端的距離相等，故：

假设风荷载设计值Wk=4500N/m2，开启扇的宽高为：700mm×1200mm，锁闭点分布情况见图1，L=1200mm，L1=150mm，L2=150mm； 将以上数据带入公式得：

RBy=675N

因RAy=RBy，所以RAy=675N

所以：锁闭点受到的剪切力为675N。

6. 3点锁计算方法

3点锁计算方法较2点锁计算方法复杂得多，我们可把边梃视为具有三个支座连续的外伸梁，这个结构属于超静定结构，计算过程较2点锁复杂，计算者必须具备一定的结构力学知识的学习方可完成。首先我们确定力学模型，见图5，A、B、C视为锁闭点，下面计算3点锁支座反力。endprint

假设A点的支座反力为RA；B点的支座反力为RB；C点的支座反力为RC；用力法求解支座反力RC，即锁闭点水平方向的剪切力：

解：1.选择基本体系：

2.力法基本方程：

3.计算系数和自由项：

做单位弯矩图M1和荷载弯矩图MP

1）首先，求解

2）其次，求解

假设风荷载设计值Wk=4500N/m2，开启扇的宽高为：700mm×1200mm，锁闭点分布情况见图3，L=1200mm，L1=150mm，L2=150mm，L3=500mm ，L4=400mm，将以上数据带入公式，得：X1=553.7N即：RC=553.7N。

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

7.對比分析

通过以上计算可知，2点锁和3点锁受力情况是具有本质上的区别——2点锁传动锁闭器的锁闭点受力大小是相同的，而3点锁的传动锁闭器的锁闭点受力大小是完全不同的。不难看出，3点锁与2点锁采用的力学模型不同，3点锁采用的是解决超静定结构问题中的力法，通过计算发现3点锁的传动锁闭器其中间的锁点受力最大，前提是端部锁点距离扇梃最外边缘距离不能大于扇高度的八分之一。由此可知，锁闭点分布情况不同，那么所受到的力值大小也并不相同，所以进行锁闭点受力分析计算时应按照最大力值确定锁点数量，而并非根据平均值来确定锁闭点数量。那么现在对比一下，传统五金配置的计算方法如下：

WK - 风荷载设计值；

W –窗扇宽度；

H –窗扇高度；

n –锁闭点数量。

由以上公式可以看出：首先，根据风荷载设计值计算出窗扇承受的集中力；其次，根据集中力大小除以单个锁闭点许用设计值，从而得到锁闭点数量；这样的计算方法过于理想化，主观地认为每个锁闭点受力大小相同，事实上每个锁闭点所承受的力值并不相同，最大力值和最小力值可能相差几十牛顿甚至几百牛顿，如果我们按照以上的公式进行计算，那么五金配置并不合理，存在安全隐患；通过选择另一种力学模型计算，不难发现导则中的计算方法存在很大缺陷，过去一些人误认为每个锁闭点受到的力值是相同的，然而通过分析计算得知并非如此，每个锁闭点受力大小实际上是不同的，具体相差多少要看锁点分布情况，所以进行五金配置时应根据受力最大的锁闭点的力值来确定锁闭点的数量，换句话说，就是所有锁闭点中力值最大的锁闭点不能大于锁闭点许用设计值，而并非所有锁闭点受力平均值不大于锁闭点许用设计值。

8.结束语

建筑门窗五金件对门窗而言是至关重要的，那么如何理解其构造及工作原理以及如何正确应用却是值得我们业内同仁关注和探讨的。只有深刻认识和理解建筑门窗五金配件才能正确加以应用。目前，针对建筑门窗五金多点锁闭系统在风荷载作用下的计算方法各生产厂家也是仁者见仁，智者见智，关键因素在于我们没有统一的应用标准。正因如此，各个厂家对门窗开启扇在风荷载作用下的受力分析所采用的力学模型也因此不同，进而导致门窗五金配置上的差异，这样就会造成锁闭点数量上的缺失而影响门窗开启扇在受到较大风荷载时的安全性。笔者呼吁行业内尽快完善关于门窗多点锁闭系统五金应用方面的行业规范，只有对其进行标准化，行业内建筑门窗五金件多点锁闭系统的应用在计算方法上才能统一。

参考文献

[1] 张少实. 新编材料力学.机械工业出版社，2002.

[2] 国振喜 张树义. 实用建筑结构静力计算手册.机械工业出版社，2009.

[3] 刘世奎. 结构力学.清华大学出版社，2008.

【中图分类号】TU532.65

【文献标识码】A

【文章编号】1671-3362（2017）10-0047-04