如何保证塑料门窗抗风压安全性能
唐惠
每一年台风季节，全国都会发生几次建筑窗户被吹落的问题，铝合金、塑料各种材料的窗都有涉及。因事关广大业主生命财产的安全，所以一旦发生即被大量传播刷屏，引发民众对窗户安全问题的高度关注。 为什么居民的门窗会如此“脆弱”，经受不起大风的考验？究竟什么原因导致如此事件的呢？ 1 存在问题 我们从技术层面来分析探讨此类事件发生的原因。以2017年山东禹城及2015年河南洛阳两个事件为例，其实从这两起事件的发生得到的信息来看有很多共同点。 1) 两起事件都是发生在对抗风压要求比较高的高层建筑，其中禹城有一户是在15楼。 2) 两起事件中损坏的窗户都是窗型尺寸比较大的拼樘窗，拼樘料需要足够强度的增强衬钢来保证整窗的抗风压强度安全。 3) 两起事件都涉及到了塑料门窗中很关键的材料衬钢，虽然没有禹城事件的现场照片，但我们无论是从业主的采访中，还是当地监理部门的报告中都谈到了衬钢的问题。 4) 安装固定的方式的可靠性问题，洛阳事件从现场图片看门窗安装用5mm塑料涨栓固定，固定间距过大，加强拼樘料没采用任何衬钢加强措施，更无法与建筑墙体生根连接。 5) 洛阳事件中型材实测可视面壁厚仅2.0mm，国家标准GB/T28887《建筑用塑料窗》中规定窗用型材可视面最小实测壁厚为2.5mm，明显属于非标产品，门窗焊接处未清理干净焊缝夹杂物，导致现场框扇角部焊接强度不够而斯裂。
图1 图2
综合来看，此类门窗被风吹落事件，是由于门窗在材料选用、加工安装没有按国家标准进行抗风压性能强度设计，致使强度不足而导致。 2 门窗抗风压强度 抗风压性能的定义：指关闭着的外窗在风荷载作用下不发生损坏和功能障碍的性能要求：外门窗在性能分级指标值风压作用下，主要受力杆件相对（面法线）挠度符合规定要求。风压作用过后，门窗不应出现使用功能障碍和损坏。国家标准《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》GB/T7106中建筑外窗抗风压性能分级表见表1。
表1 建筑外窗抗风压性能分级 单位为千帕
门窗的抗风压强度取决于门窗杆件承受荷载作用力抵抗弯曲变形的能力：抗弯刚度=E*I（弹性模量*惯性矩），即构件的材质和截面。弹性模量E (N/mm2)为材料材质抵抗弹性变形的能力，是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，在一定应力作用下，其值越大发生弹性变形越小。惯性矩I (cm4)为材料截面形状抵抗弯曲变形“惯性”能力的参数，取决于截面几何形状 、作用力方向（Ix，Iy）。风荷载作用于垂直于门窗结构的Y轴方向，对X轴产生变形，因此计算时取Ix值。
图3 由于塑料型材的弹性模量低，不同材料的弹性模量见表2，衬钢的弹性模量约是PVC的95倍，因此当塑料型材的长度超过一定值或者要达到某一特定的风压值时，须采用经过防锈处理增强型钢来满足强度要求。门窗所直接承受的荷载必须有效的传递到墙体并吸收掉，门窗受荷载杆件强度必须能够承载规定的荷载，而不会产生永久变形或被破坏，在设计荷载限值范围内的变形是允许的。而国家标准中也明确规定：增强衬钢必须满足工程设计规范要求，并根据门窗的抗风压强度、挠度计算结果来确定衬钢的规格，且窗不小于1.5mm，门不小于2.0mm。如果窗框的固定螺钉间距超过极限尺寸600mm， 那么必须计算固定螺钉的抗剪切强度。 表2 不同材质材料的弹性模量值
3 静力计算 那么，如何来计算门窗抗风压强度、挠度所需的衬钢的规格，在国家标准GB/T 28887《建筑用塑料窗》附录B中有计算方法，即通过计算受力杆件在风荷载作用下的均布、集中荷载对受力杆件产生挠度的变形量来确定门窗的抗风压强度。杆件挠度值采用柔性镶嵌单层玻璃时f=L/100，柔性镶嵌双层玻璃时f=l/150，且最大挠度不超过15mm。 风荷载标准值可依照国家标准GB 50009《建筑结构荷载规范》计算确认。或由设计院提供指定的风荷载值，但最小取值不小于1000Pa，高层建筑一般要求抗风压等级不低于4级即不低于2500 Pa。
图4 杆件受风荷载作用发生挠度变形
目前欧洲的计算校核方式是通过计算近似简化为简支梁上呈矩形、梯形或三角形的均布荷载，来确定受风荷载或自重荷载杆件所需安全惯性矩，其计算方式相对简单方便。 3.1 杆件荷载安全惯性矩值计算公式:
荷载分布，外窗各框料间构成的受荷单元所受的力通过平分角度传递到相应的构件，在每个受荷单元的四角各作45度斜线，使其与平行于长边的中线相交，把受荷单元分成4块，形状为三角形或矩形，每块所承受的风荷载传给其相邻的构件，每个受荷单元短边的一半就是荷载宽度B 。注意中竖梃、横梁及组合中的拼管等承受构件两边的荷载。
图 5 荷载分布及宽度 公式计算有点复杂。其实我们可以有一种比较简单的方法，通过查表来确定在设计风荷载作用下受力杆件满足抗风压强度所需的安全度惯性矩。 3.2 确定标准风压。 通过设计师获得设计要求风压值，或根据建筑所在城市的50年一遇的基本风压、建筑高度及地面粗糙度通过查阅风荷载标准值图集获得，见表3。如：禹城市50年一遇基本风压450Pa，高度50米C类地区墙角部位2.0系数，查表得风荷载值为1950Pa，低于高层建筑抗风压要求4级2500 Pa，则按2500Pa 计算。 表3 风荷载标准值图集
3.3 确定杆件长度及荷载宽度 根据窗型设计尺寸确定受力杆件长度L， 荷载宽度B1、B2。 因没有禹城受损门窗的洞口尺寸及相关数据，我们根据受损窗型大小估算举例：洞口尺寸宽度3200mm*高度2000mm，采用两个宽度1600mm*高度2000mm窗左右对拼。那么拼接部位受力杆件长度L=2000mm，荷载宽度B1=B2=1600/2=800mm。
图6 3.4 查表计算 L=2000mm，B=800mm查阅所需的安全度惯性矩Ix=4.5，组合窗拼接杆件等受两边B1+B2的荷载，而B1=B2，则惯性矩Ix=4.5+4.5=9 cm4。表中惯性矩为1000Pa风荷载时的值，实际风荷载值按高层建筑4级，风荷载值取-2500Pa，则Ix=9*2.5=22.5 cm4。 表4 1000Pa时挠度f=L/150 时不同杆件长度L对应不同荷载宽度所需惯性矩
3.5 配置拼接加强衬钢 禹城市C类地区安装高度50米，洞口尺寸宽度3200mm*高度2000mm，采用两个宽度1600mm*高度2000mm窗左右对拼，按设计要求4级抗风压强度计算，满足抗风压强要求的拼接杆件衬钢惯性矩要求为22.5 cm4。规格80mm*6mm厚度扁钢的惯性矩Ix=25.6cm4，此拼接处需要采用规格80mm*6mm厚度扁钢衬钢拼接才能满足2500Pa抗风压强度安全要求。如1600*2000mm窗户中有中梃，采用同样步骤确定杆件长度L和荷载宽度B来计算中梃衬钢所需安全惯性矩。衬钢惯性矩一般门窗系统公司均会提供，简单矩形材料惯性矩计算公式：I=a*b3/12。 表5 常用拼接用增强扁钢惯性矩Ix
4 门窗安装 门窗安装的好坏将对门窗的整体性能产生巨大影响，门窗安装设计时必须将所有作用在门窗上的荷载转移到承重墙体。 4.1 合适的固定方式 固定件必须把门窗所承受的荷载有效的传递到墙体上。窗户所受的所有荷载，应包括构成窗户所有材质（包括玻璃）的自重，当地的风荷载和建筑物所受的其它活动荷载等。根据墙体的具体结构和材质及要求，选用合适的紧固件。对于砖墙，严禁采用射钉，因射钉易把砖体击碎，失去固定作用。膨胀式螺钉主要承受抗弯和抗剪力，不能承受重力，，安装膨胀螺栓时，膨胀螺栓安装处窗框与墙体之间需用垫块垫牢，防止膨胀螺栓造成框局部拉弯变形。 紧固件安装的关键数据： 1）额定的抗剪切强度； 2）框架与墙体间的最大距离: 最大长度 da； 3）最小锚固深度 hv； 4）固定螺丝边缘距离； 5）钻孔直径 d 和深度 td。
图7 4.2 加强拼接的固定 为充分安全地将荷载转移到建筑墙体上，拼接用的增强型钢必须固定在建筑墙体上，并且增强型钢不能被夹紧，可以使用活动支撑方式来平衡与墙体之间的相对运动。JGJ103-2008《塑料门窗工程技术规程》规定6.2.10 要求，安装组合窗时，拼樘料与洞口的连接应与混凝土过梁或柱子的连接，拼樘料应与连接件搭接，搭接量应不小于30mm。 图8 正确的拼樘料与墙体连接方式 5 总结 塑料门窗系统在德国使用已经超过60年，现在依旧占据门窗市场的60%以上的份额。高品质高性能的门窗系统安全是一切的基础，而对于抗风压强度绝不能凭感觉凭经验来应付，尤其是高层建筑更要谨慎，应该通过科学的计算来确认，并通过合适的安装方式让门窗性能得以实现。做好塑料门窗，我们需要工匠精神，让我们为塑料门窗事业一起努力！ |
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—— 基本风压。
L = 
E = 
B = 
