摘 要：横梁和立柱的连接设计直接决定着幕墙的安全性。目前，大多数幕墙设计师都未能对幕墙结构中横梁与立柱连接的力学分析展开深入的研究。基于此，文中对结构力学以及数学论证过程进行了严密的分析，并且进一步研究了横梁和立柱连接的受力模型。
关键词：幕墙结构；横梁与立柱连接；力学研究；扭转中心
1 前言
连接计算始终属于幕墙计算中的难点。其中，横梁与立柱连接计算属于构成幕墙连接计算的主要部分。横梁和立柱连接计算的核心计算模型属于螺栓群的抗剪和抗扭。通常情况下，剪力在螺栓群内都是按均分配的，扭矩所引起的各个螺栓的剪力大小同螺栓到螺栓群扭转中心的距离成正比，然而难点在于如何对螺栓群的扭转中心进行确定。
2 扭转中心的力学和几何性质分析
要想明确扭转中心对应螺栓群的具体位置，首先就应该掌握扭转中心的力学和几何性质。扭转中心作为抗剪螺栓群的几何性质点同螺栓群的受力不存在任何关系，因此，可以假定抗剪螺栓群只受到扭矩的作用，为了使螺栓群发挥出抵御扭矩的作用，立柱型材壁会对各个螺栓产生一个同螺栓和扭转中心连线相垂直的剪力，并且剪力的大小同螺栓以及扭转中心的距离是成正比的。针对横梁作结构力学分析，将扭矩及数个剪力作用在横梁上，通过受力平衡方程可以得出，螺栓群的各个螺栓的剪力矢量和是零，只有符合此条件才可以确保横梁保持静力平衡[1]。
3 螺栓的受力分析
连接横梁与立柱时，螺栓可以从抗剪和抗拉这两方面来进行校核。
3.1 螺栓抗剪计算
螺栓抗剪受力图如下所示：
图1
图中：RG1表示幕墙面板自重；RG2表示幕墙横梁自重；RW表示风荷载、地震作用；eG1表示幕墙面板重心到螺栓中心的距离；eG2表示幕墙横梁重心到螺栓中心的距离；Ew表示幕墙横向分格线到螺栓中心的距离；C表示螺栓中心间距。
3.2 螺栓的横向受力计算
螺栓水平方向承受风荷载和地震荷载RW，单个螺栓受力：
VW=RW/2
3.2.1 螺栓垂直方向的直接受力计算
螺栓垂直方向所承受幕墙组件的重力为RG1+RG2，单个螺栓的垂直受力为VG=(RG1+RG2)/2。
3.2.2 螺栓由于荷载偏心而产生的剪力计算
横向，水平力风荷载和地震荷载作用线所对应的螺栓中心存在偏心的现象，产生了逆时针扭矩T1=q×e1；
垂直方向，垂直力幕墙组件的自重作用线对应的螺栓中心也存在偏心的现象；
面板重力作用线对应的螺栓中心包括eG1的偏心，形成逆时针扭矩T2；
图2
横梁重力作用线对应的螺栓中心包括eG2的偏心，形成逆时针扭矩T3。
由于横向力与垂直力对应的螺栓均形成逆时针扭矩，因此T1、T2、T3可以叠加成T=T1+T2+T3。
4 幕墙结构中横梁和立柱的连接设计
4.1 横竖插接式
首先，横梁所承受的正风荷载和负风荷载都直接传给了夹持横梁的立柱，然而横梁角码和同立柱连接的螺钉连接组合仅承受玻璃板块与横梁的重力。交变荷载对螺纹连接造成的威胁最大。在长时间的交变荷载作用下，如果未对螺纹采取有效的防护措施，就较易导致其失效。然而，此种立柱夹持横梁的结构由于螺纹连接未承受风荷载，因此，其具有较好的安全可靠性与抵抗风荷载的能力。其次，横梁承受玻璃的偏心压力之后一定会出现扭矩，为了保证横梁可以有效的对抗此扭矩，不出现偏转，应该注意下述事项：首先，横梁和立柱的连接部位要具有充分的强度来限制横梁的位置；其次，横梁自身具有充足的抗扭截面模量。此种立柱夹持横梁的结构，横梁和立柱之间进行了充分的接触，横梁与立柱具有较好的强度，在横梁和立柱相接触的部分区域并未产生较大的变形，横梁角码也未承担扭矩，从而有利于防止横梁整体发生偏转[2]。另外，其横梁的闭腔结构的抗扭截面模量大大超过了开腔横梁，并且也具有较好的对抗扭转的能力。再次，横梁和立柱之间存在非常大的空隙能够对温差所引起的热胀冷缩进行吸收。由于横梁和横梁角码之间具有较小的摩擦力，因此，其无法产生摩擦噪音。最后，横梁浮搁在横梁角码上，在地震平面产生变形的过程中能够随意摆动，具有吸收地震的作用。
4.2 通槽螺栓式
4.2.1 螺纹连接失效的问题
此种结构的螺栓在热应力的作用下，如果未采取有效的预防脱落措施，就较易失效。上文中已经提及到了风荷载作用下螺纹连接较易失效的问题，然而，相比较而言，热应力要更难防范，而且其所起到的作用不容忽视。
4.2.2 噪音扰人的问题
噪音的产生需要充足的动能。由于横梁与角码之间存在压力，因此，会产生静摩擦力。起初，温差所产生的热应力并不具备较强的抵抗静摩擦力的能力，随着温差的逐渐增大，此种力量变得愈发强烈。最终可能大于抵抗静摩擦力的临界值，突然出现相对滑动，在具有相应的接触面积以及表面粗糙的前提下，产生摩擦噪声。然而，噪声的强度主要由以下几种要素来决定：压力，刚性接触面积，表面摩擦系数[3]。同时，减少噪音的主要手段为：减轻横梁和角码间存在的压力、刚性接触面积以及表面摩擦系数。
5 结束语
综上所述，横梁与立柱连接计算属于构成幕墙连接计算的主要部分。横梁在重力、风荷载以及地震荷载的作用下可以等同于一个垂直集中力和一个横向集中力作用在横梁上，横梁再利用抗剪螺栓群将这两种力传给立柱，然而作用在横梁的垂直方向的力和横向集中力不完全经过螺栓群的扭转中心可能会发生偏心扭矩。因此，一定要重点对幕墙结构中横梁与立柱连接的力学结构进行深入研究。
