蘇 江

頂棚也被稱為天棚或天花板[1]，是位于樓層和屋頂下方的裝飾結(jié)構(gòu)。按照飾面與基層的關(guān)系，它可以分為直接式頂棚和懸吊掛式頂棚2 大類。懸吊掛式頂棚通常簡稱為吊頂，其裝修面板與屋面板或樓板之間留有距離。這個空腔可以隱藏設(shè)備管線和結(jié)構(gòu)，同時使頂棚在空間高度上產(chǎn)生變化，形成立體感，增強裝飾效果?；谶@些特點，吊頂被廣泛應(yīng)用。吊頂主要由吊筋、龍骨架和面層3 部分組成[1]。

頂棚的優(yōu)化設(shè)計一直是房屋裝修工程從業(yè)者研究的熱門課題[1-6]，也是本文的研究對象。

1 裝飾面板與龍骨的連接方法

裝飾面板與龍骨的連接是室內(nèi)裝修的一個重要環(huán)節(jié)，采用合適的連接方法可以確保裝飾面板的結(jié)構(gòu)安全。

裝飾面板與龍骨的連接方法有多種[2-6]，舉例分析如下：

1）機械固定法。機械固定法是通過螺絲或釘子將裝飾面板與龍骨固定在一起的方法。這種連接方式適用于輕質(zhì)材料，如聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）、鋁合金、鋁塑板等，需要保證螺絲或釘子的長度和規(guī)格與板材匹配。機械固定法連接簡單，成本較低，但如果螺絲或釘子規(guī)格不當或安裝不牢固，會導(dǎo)致裝飾面板掉落或龍骨變形。

2）夾緊連接法。夾緊連接法是通過特殊的夾子將裝飾面板夾在龍骨上的方法。這種連接方式適用于較重的材料，如石膏板、鋼龍骨等，該方法能保證裝飾面板的平整度和結(jié)構(gòu)安全性。夾緊連接法需要選擇合適的夾子，夾緊的力度也需要掌握好，過緊會導(dǎo)致面板變形，過松則會導(dǎo)致面板松動。

3）磁吸連接法。磁吸連接法是通過裝飾面板和龍骨上的磁鐵吸附在一起的方法。這種連接方式適用于輕質(zhì)材料，如鋁扣板、木質(zhì)裝飾面板等。磁吸連接法操作簡便，不需要使用工具，較美觀，但是磁吸力度較小，不適用于長時間受力。

4）懸掛連接法。懸掛連接法是通過龍骨和吊鉤將裝飾面板吊起來的方法。這種連接方式適用于較重的材料，如大理石、玻璃等。懸掛連接法需要考慮龍骨和吊鉤的承重能力，且安裝時需要使用專業(yè)工具，成本較高。

需要注意，每種連接方法都有其適用范圍和使用注意事項，選擇合適的連接方法需要根據(jù)裝飾面板的材質(zhì)、重量和使用環(huán)境綜合考慮。

綜上，現(xiàn)有各種裝飾面板與龍骨的連接方式都存在問題，主要表現(xiàn)在容易松動、震落、不美觀、安裝施工難度大、施工工期長、不耐久。此外，現(xiàn)有此類設(shè)計缺乏關(guān)于結(jié)構(gòu)性能的完備分析計算。為解決這些問題，本文設(shè)計了一種快速安裝且能抗震的頂棚結(jié)構(gòu)并進行系統(tǒng)性的結(jié)構(gòu)分析計算。該頂棚快速安裝構(gòu)造設(shè)計有降低造價、縮短工期和提高質(zhì)量等重要作用。

2 構(gòu)造設(shè)計及安裝工藝簡述

鉸鏈將龍骨梁、龍骨吊桿及卡塊鉸接在一起，詳見帶插口式安裝結(jié)構(gòu)房屋吊頂部件示意圖（圖1）。

圖1 帶插口式安裝結(jié)構(gòu)房屋吊頂部件示意圖（來源：作者自繪）

帶插口式安裝結(jié)構(gòu)吊頂?shù)墓ぷ髟頌轫斉镲椕姘迮cT 字形卡接桿是一個整體，下面簡稱為工形飾面板，與之配合的是龍骨梁插口部件。龍骨梁插口部件由與龍骨吊桿鉸接在一起的孔口龍骨梁和卡塊組成。工作時鉸接于龍骨梁上的2 個卡塊卡住T 字形卡接桿上的卡帽，以阻止工形飾面板下落，達到固定頂棚飾面板的目的。

帶插口式安裝結(jié)構(gòu)吊頂?shù)陌惭b方法如圖2 所示，先將龍骨梁、龍骨吊桿及卡塊鉸接在一起，再將龍骨吊桿上端安裝在別的龍骨上或直接連接在樓板上。將工形飾面板往上頂以便T字形卡接桿插入龍骨梁的插口，繼續(xù)往上頂使卡塊往上轉(zhuǎn)動，直至卡帽底面高于卡塊，然后卡塊將在自重作用下自動往下轉(zhuǎn)動，直至回落到初始位置，接著往下緩慢放下工形飾面板，即安裝完畢。安裝過程極其便捷。

圖2 帶插口式安裝房屋吊頂防震結(jié)構(gòu)安裝過程示意圖（來源：作者自繪）

龍骨梁的插口能阻止工形飾面板沿龍骨梁的橫向移動而滑落，這樣設(shè)計的頂棚具防震功能，結(jié)構(gòu)安全可靠。

3 構(gòu)件主要尺寸的影響因素及主要尺寸設(shè)計

3.1 安裝過程的幾何約束的影響

帶插口式安裝房屋吊頂防震構(gòu)造設(shè)計原理參照圖2，用兩種方法計算滑塊上鉸鏈中心至A點的距離r如下：

方法1，利用滑塊的尺寸進行計算，可得：

3.2 強度、剛度的影響

參考圖1，假設(shè)各構(gòu)件在垂直于紙面方向的厚度為h0，CE桿橫截面為矩形g×h0，許用拉應(yīng)力為[σ]，桿帽許用擠壓應(yīng)力為[σbs]，許用切應(yīng)力為[τ]，鉸鏈處插銷剪切許用應(yīng)力[τl]。

參照圖1 并根據(jù)連接件的擠壓強度計算方法，可得鉸鏈處孔徑d：

式中：F為整體式頂棚板的重力。

由鉸鏈處擠壓強度確定各構(gòu)件在垂直于紙面方向的厚度h0：

注意，如果插銷的許用擠壓應(yīng)力小，則上述卡塊的[σbs，b]須用插銷的許用擠壓應(yīng)力替換。

參照圖1，由拉伸強度、剪切強度可確定CE桿橫截面寬度g和桿帽厚度e，則分別為：

由擠壓強度確定桿帽接觸寬度b：

注意，如果卡塊的許用擠壓應(yīng)力小，則上述[σbs]須用卡塊的許用擠壓應(yīng)力替換。

卡塊受力圖如圖3 所示，假定卡塊重力可忽略不計，依據(jù)連接件的剪切強度確定計算方法。

圖3 卡塊受力圖（來源：作者自繪）

由卡塊剪切強度確定卡塊的高度可得：

由龍骨梁剛度確定卡塊底面接觸長度。由于卡塊承受到水平力H的作用，桿帽的分布壓力引起繞F點的力偶可被平衡掉，因此A處鉸作用在卡塊上的力可忽略不計。

圖4 中龍骨梁的俯視圖如圖1 和圖2 所示，從俯視圖可看出，龍骨梁的橫截面寬度在2 小段長范圍內(nèi)有所變大，從而梁的彎曲剛度也將變大。然而，依據(jù)梁的彎曲變形理論，小段內(nèi)橫截面變化對于撓度和轉(zhuǎn)角大小的影響極小，因而可忽略不計。于是，在分析龍骨梁在豎向平面內(nèi)的平面彎曲變形時，龍骨梁可簡化為等截面直梁進行計算，而不會對結(jié)果精準度產(chǎn)生多大影響。按照梁的彎曲變形理論計算[7-10]，得：

圖4 龍骨梁計算模型（來源：作者自繪）

由θB≤[θ]及彎曲變形理論[7]，可得式（12）：

下面確定工形飾面板豎向位移、卡接桿長度，將式（5）代入式（6）后，不等式換成等式，即：

再將式（13）所得結(jié)果代入式（9）、式（10），取等號：

將式（12）取等號后，再將式（14）代入，可得：

將式（14）、式（15）和式（16）代入式（3）、式（4）得：

在式（18）中：

4 結(jié)語

本文提出帶插口式安裝結(jié)構(gòu)吊頂防震構(gòu)造，既進行了構(gòu)造設(shè)計，又進行了分析計算?；趯姸?、剛度和安裝過程的幾何約束分析，解剖了構(gòu)造設(shè)計、安裝工藝、關(guān)鍵部位強度對設(shè)計參數(shù)的影響。通過T 字形卡接桿與龍骨梁插口部件的配合，實現(xiàn)了工形飾面板的快速安裝和防震功能，結(jié)構(gòu)安全可靠。本文的創(chuàng)新點是：吊頂安裝構(gòu)造的插口式防震設(shè)計，安裝過程的極限位置分析，簡化計算模型的構(gòu)建及其強度、剛度行為分析。該設(shè)計具有降低造價、縮短工期和提高質(zhì)量等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于各種室內(nèi)頂棚安裝。該設(shè)計的推廣應(yīng)用將有助于推動建筑技術(shù)的工業(yè)化發(fā)展，提升室內(nèi)裝飾的安全性并縮短施工工期。