机械锚固技术在门窗安装工程中的应用及其优势分析

罗 鹏 张 庆 王仲锋 蒋文华 卢乙贤 赵 昆

（1.河南侨启建筑公司有限公司，河南 商丘 476000；2.沈阳腾越建筑工程有限公司，辽宁 沈阳 110000；3.新乡市匠仁装饰设计有限公司，河南 新乡 453000）

0 引言

门窗安装固定是保障建筑物安全性、节能性、舒适度和美观度的重要环节。门窗固定的方式也经历了从传统的木砖固定到预制混凝土固定的演变。不可否认，传统门窗安装工艺在一定程度上保障了建筑物的“两性两度”，即安全性、节能性、舒适度和美观度。然而，随着新材料、新技术、新工艺和新措施的不断出现，企业降本提效的不断升级，传统门窗安装工艺的弊端也愈发凸显。机械锚固技术作为一种新型工艺，利用锚栓和锚孔之间的摩擦作用或锁键作用形成的锚固，能够有效提升建筑物的“两性两度”，有望解决目前传统门窗安装工艺的弊端。本文探讨机械锚固技术在门窗安装工程中的应用，并分析其应用优势。

1 传统门窗安装工艺存在的问题

传统门窗安装工艺经历了从传统的木砖固定到预制混凝土固定的演变，目前仍以预制混凝土块固定为主流，然而，预制混凝土块固定的弊端在实际施工过程中也日益凸显，具体如下：

（1）技术策划需要提前：在门窗安装之前需要进行预埋混凝土块的规划，包括位置和高程的确定，否则会对后续施工进度造成影响。

（2）成本高：预制混凝土块的制作和安装成本较高，需要额外的人工和材料投入。

（3）施工周期长：预制混凝土块需要在现场进行制作和安装，施工周期相对较长，会延长工程周期。

（4）可调性差：预制混凝土块的尺寸和形状通常是固定的，无法满足不同门窗尺寸和形状的需求，可调性较差，此外预制混凝土块的形状和尺寸限制了门窗设计的灵活性，难以满足特殊设计要求[1]。

（5）不易调整和更换：一旦预制混凝土块固定，调整和更换门窗位置较为困难，对于后期的维修和改动带来不便[2]。

（6）质量不稳定：预制混凝土块的质量受到制作和运输过程中的影响，容易出现尺寸偏差、裂缝等质量问题。

（7）强度不均匀：由于预制混凝土块的制作过程中难以实现混凝土的均匀性控制，导致固定点的强度不均匀，影响门窗的稳定性和安全性。

（8）施工难度大：制作和安装预制混凝土块需要专业的施工人员和设备，对施工技术要求较高。

（9）防水性能差：预制混凝土块的连接点容易出现渗漏问题，在淋水试验中渗漏通病频发，影响门窗的防水性能。

（10）不适用于特殊场所：在地震频发区域或高风压区域等特殊地区，预制混凝土块的固定方式可能无法满足安全要求。

（11）难以调整水平和垂直度：预制混凝土块的尺寸和形状可能存在一定的偏差，难以实现门窗的水平和垂直安装。

（12）质量隐患：在粉刷前期由于预制混凝土块成品质量优劣不一，首先需要对基层进行处理，因预制混凝土块与蒸压加气块材料收缩率、吸水率的不同，不同材料接触面需施挂钢丝网，上述措施会对后期施工抹灰带来质量隐患。

2 机械锚固技术及其在门窗安装工程中的应用

2.1 机械锚固技术概述

机械锚固技术作为一种重要的工程技术手段，广泛应用于各类建筑和工程领域。该技术主要依赖于机械原理，通过特定的锚固装置和结构设计，实现对结构物的稳定固定和连接。机械锚固技术的基本原理是根据机械锁定效应，利用锚固装置与结构物之间的摩擦力、挤压力和锁紧力等力学作用，实现对结构物的稳定固定。这种固定方式不依赖于材料之间的粘结力，而是借助于锚固装置与结构物之间的机械作用，通过物理方式将锚固件嵌入基材中，形成强大的连接力，因此具有较高的可靠性和耐久性。基于此，机械锚固技术在各种建筑和工程领域得到广泛应用，包括但不限于桥梁、高层建筑、地下工程、隧道、矿山、水利工程等。在这些领域中，机械锚固技术常被用于固定钢筋、钢板、钢管等金属材料，以及混凝土、岩石等非金属材料，以确保结构物的稳定性和安全性。

2.2 钢质防火门安装

2.2.1 施工流程

弹线→基层处理→临时就位→电钻开孔→安装门框→门框与墙体空隙填充→门套线安装→门扇及五金安装→校正。

2.2.2 操作步骤及要求

（1）弹线定位：根据设计图纸上标注的门的尺寸、标高和方向等信息，在相应的墙面上标出门框的位置，并进行标注。这样可以明确门的位置和尺寸，方便后续门的安装和施工。

（2）基层处理：在安装之前，首先需要检查门洞口的尺寸是否符合钢质防火门、公区钢制防火门的尺寸要求，如果不符合，需要进行剔凿或抹灰处理，以确保门洞口的尺寸符合钢质防火门、公区钢制防火门的尺寸要求。同时，如果门洞口存在偏位、不垂直或不方正等问题，也需要进行相应的处理，以确保门的安装位置和方向正确，避免因门洞问题导致门的安装不稳定或使用不便。

（3）临时就位：利用木楔子临时将铝合金门放置洞口内，利用水平仪确定连接点位置。

（4）电钻开孔：根据放好的定位，手持电钻搭配16mm的梅花钻头，依次进行钻孔且不得少于三个连接点。

（5）安装门框：待检查门框垂直、左右缝隙一致、上下位置一致均满足要求后，利用镀锌锚板的一侧连接门框，另一侧打入已开孔的专用膨胀锚栓（规格为100mm×12mm）。

（6）门框与墙体空隙填充：门框周围空隙使用胶枪填塞发泡剂，打满打严。如果有多出来的发泡胶，在发泡剂固化前及时地用手按进去，固化后多余发泡剂按要求切割平整。

（7）门套线安装：待门套后塞口填充料固化后开始安装门套线。

（8）门扇及五金安装：确保门扇安装正确，至关重要的是正确安装门扇和五金配件，使门间隙均匀，门可以轻松平稳地打开，而不会太紧，太松或反弹。防火门在安装完毕后，等待消防验收前，必须确保在防火门门框上正确安装上部钉挂防火门框标识牌。

2.3 木门安装

2.3.1 施工流程

弹线→基层处理→打眼塞木楔→门框就位→门框与墙体空隙填充→门套线安装→门扇及五金安装→校正。

2.3.2 操作步骤及要求

（1）弹线定位：根据设计图纸上标注的门的尺寸、标高和方向等信息，在相应的墙面上标出门框的位置，并进行标注。这样可以明确门的位置和尺寸，方便后续门的安装和施工。

（2）基层处理：在安装之前，首先需要检查门洞口的尺寸是否符合室内木门、公区木质防火门的尺寸要求，如果不符合，需要进行剔凿或抹灰处理，以确保门洞口的尺寸符合室内木门、公区木质防火门的尺寸要求。同时，如果门洞口存在偏位、不垂直或不方正等问题，也需要进行相应的处理，以确保门的安装位置和方向正确，避免因门洞问题导致门的安装不稳定或使用不便。

（3）打眼塞木楔：根据放好的线打眼安装木楔，间距不大于600mm，按照拼装好的门框进行洞口复尺，过长的木楔采用切割机进行切除[7]。

（4）门框就位：门框就位洞口后，经校正合格后，采用射钉的方式连接木楔固定门框，确保每边均有不少于3个连结点并紧凑固定。

（5）门框与墙体空隙填充：门框周围空隙使用胶枪填塞发泡剂，打满打严。如果有多出来的发泡胶，在发泡剂固化前及时地用手按进去，固化后多余发泡剂按要求切割平整。

（6）门套线安装：待门套后塞口填充料凝固后开始安装门套线。

（7）门扇及五金安装、校正：确保门扇安装正确，至关重要的是正确安装门扇和五金配件，使门间隙均匀，门可以轻松平稳地打开，而不会太紧，太松或反弹。

2.4 室内铝合金门窗安装

2.4.1 施工流程

弹线→基层处理→临时就位→电钻开孔→门框就位→门框与墙体空隙填充→门套线安装→门扇及五金安装→校正。

2.4.2 操作步骤及要求

（1）弹线定位：根据设计图纸上标注的门的尺寸、标高和方向等信息，在相应的墙面上标出门框的位置，并进行标注，从而明确门的位置和尺寸，方便后续门的安装和施工。

（2）基层处理：在安装之前，首先需要检查门洞口的尺寸是否符合铝合金门的尺寸要求，如果不符合，需要进行剔凿或抹灰处理，以确保门洞口的尺寸符合铝合金门的尺寸要求。同时，如果门洞口存在偏位、不垂直或不方正等问题，也需要进行相应的处理，以确保门的安装位置和方向正确，避免因门洞问题导致门的安装不稳定或使用不便。

（3）临时就位：利用木楔子临时将铝合金门放置洞口内，利用水平仪确定连接点位置。

（4）电钻开孔：根据放好的定位，手持电锤搭配10mm的梅花钻头（钻头直径与膨胀锚栓直径一致），依次进行钻孔且不得少于三个连接点[8]。

（5）门框就位：待检查铝合金门垂直、左右缝隙一致、上下位置一致均满足要求后，利用机械膨胀螺栓直接连接固定门框，另一侧依次打入已开孔的膨胀锚栓（规格为M8×100mm）。

（6）门框与墙体空隙填充：门框周围空隙使用胶枪填塞发泡剂，打满打严。如果有多出来的发泡胶，在发泡剂固化前及时地用手按进去，固化后多余发泡剂按要求切割平整。

（7）门套线安装：待门套后塞口填充料固化后开始安装门套线。

（8）门扇及五金安装：确保门扇安装正确，至关重要的是正确安装门扇和五金配件，使门间隙均匀，门可以轻松平稳地打开，而不会太紧，太松或反弹。

3 机械锚固技术实验验证

在机械锚固技术应用方案中，以最不利于安装的GFM-1022-A1.5（甲级）-1 钢制防火门为例，防火门门扇宽度为1000mm、高度为2200mm，门扇内填充密度为300kg∕m³的膨胀珍珠岩板，门扇内部结构为0.8mm厚钢板+膨胀珍珠岩板+0.8mm 冷轧钢板，门框用1.2mm 的冷轧钢板折弯、拼焊而成，门扇实际尺寸为866mm × 2120mm × 50mm，经计算得到防火门的重量约为95kg[9]。

3.1 膨胀螺栓拉拔锚固力分析

在实际工程施工中，蒸压加气块墙体门窗安装采用膨胀螺栓固定的情况屡见不鲜，但是门窗安装膨胀螺栓拉拔强度试验的强制标准中，没有蒸压加气混凝土墙体的相关试验要求。

考虑到基层墙体是蒸压加气块，结合螺栓在各类基层墙体中抗拉拔承载力标准值试验方法（JG∕T366-2012），对专用膨胀锚栓（规格为100mm×12mm）进行门窗安装膨胀螺栓拉拔强度试验。实测锚固力见表2所示。

表2 实测锚固力

锚栓抗拉承载力计算：

K=2.6，锚栓样本数为5个时取3.4

锚栓样本数为10个时取2.6

样本数=10

样本和=2.25+2.17+2.16+2.21+2.24+2.31+2.21+2.27+2.19+2.24=22.25

算术平均值F平均=样本和∕10=2.23

变异系数V=标准偏差∕算术平均值F平均=0.046∕2.22=0.021

单个锚栓抗拉承载力标准值=算术平均值F平均(1-K×变异系数V)=2.23×（1-2.6×0.021）=2.10kN

3.2 膨胀螺栓剪力分析

在现有的标准、规范上没有对蒸压加气块墙体上膨胀螺栓的抗剪要求，故参考混凝土结构后锚固技术规程（JGJ145-2013）进行剪力分析。加气块专用膨胀螺栓碳素合金钢的力学性能指标[9]见表3所示，碳素合金钢材料以最不利条件考虑，fyk按表3取值为180N∕mm2，抗剪受力简图见图1所示。

图1 抗剪受力简图

表3 碳素合金钢的力学性能指标

由图1可得，本节点受力情况属于无杠杆臂的纯剪。

单颗锚栓钢材破坏受剪承载力标准值：

V=0.5×锚栓屈服强度标准值（N∕mm2）×锚栓应力截面面积（mm2）= 0.5 × fyk × A = 0.5 × 180 × 3.14 × 6 ×6 = 10.17kN

即单个锚栓抗拉承载力= 2.10kN＞0.95kN、单颗锚栓钢材破坏受剪承载力= 10.17kN＞0.95kN，满足要求。

4 机械锚固技术在门窗工程中的应用优势

4.1 经济效应评价

机械锚固技术在门窗工程中的应用，主要材料替换情况见表4所示，辅助材料节约见表所示，安装工艺调整见表6所示。

表4 主要材料替换费用明细（m³/元）

表5 辅助材料节约费用明细（m³/元）

表6 安装工艺调整费用明细（m³/元）

综合表4～表6内容，取消预制混凝土块采用专用螺栓固定门窗可能会带来以下经济效应：

（1）成本节约：使用专用螺栓固定门窗可以简化安装过程，减少施工时间和人力成本。相比于传统的预制混凝土块安装方式，螺栓固定门窗在预制混凝土块安装上节约了346.1m³∕元、墙面抹灰施挂钢丝网施工上节约了19.72m2∕元，简化施工工艺费用上节约了27.11m2∕元。

（2）提高效益：由于螺栓固定门窗的安装过程更加高效，可以缩短工期，加快工程的交付速度，这将有助于提高项目的效益，减少资金的占用时间，提前实现投资回报。

（3）增加市场竞争力：采用新的门窗安装方式，可以提高建筑项目的灵活性和多样性，将有助于满足不同客户的需求，提升产品的市场竞争力，扩大市场份额。

4.2 社会效应评价

取消预制混凝土块改为专用螺栓固定门窗，具有以下社会效应：

（1）安装便利性：相较于预制混凝土块，使用专用螺栓进行门窗固定可以简化安装过程。螺栓可以直接固定在墙体上，无需预先施工，安装过程更加简单和快速，有助于减少施工时间和人力成本、提高施工效率，缩短工期，加快工程的交付速度。

（2）灵活性：使用专用螺栓固定门窗可以提供更大的灵活性。螺栓可以根据具体情况进行调整和调节，以适应不同尺寸和形状的门窗，这将使得门窗的安装更加灵活，能够满足不同的设计需求和变化的建筑结构。

（3）维护和更换便利性：使用专用螺栓固定的门窗，如果需要进行维护或更换，可以更加方便。螺栓可以相对容易地拆卸和重新安装，减少维护和更换过程中对建筑结构的干扰和损害。这将有助于降低维护和更换的成本和工作量。

（4）降低施工噪音和扰民程度：相较于预制混凝土块，使用螺栓固定门窗的安装过程可能会产生较少的噪音和振动，减少对周围环境和居民的干扰，提高施工的社会接受度。

4.3 环境效应评价

取消预制混凝土块改为专用螺栓固定门窗，产生以下环境效应：

（1）减少混凝土使用：取消预制混凝土块的使用，减少了对混凝土资源的需求。混凝土生产对环境有一定的影响，如能源消耗和二氧化碳排放等。因此，减少混凝土使用可以降低建筑活动对环境的负面影响。

（2）降低建筑废弃物产生：取消预制混凝土块的使用，减少了建筑废弃物的产生。混凝土废弃物的处理和处置对环境造成一定的压力，如土地占用和资源浪费等。因此，减少建筑废弃物的产生可以减轻对环境的负担。

（3）节约能源：相较于预制混凝土块的制造和运输过程，使用螺栓固定门窗可以减少能源的消耗。这有助于降低建筑活动对能源的需求，减少对环境的能源压力。

5 结束语

综上所述，基于传统门窗固定工艺施工过程中出现的问题，结合国家规范及相关标准提出的技术要求，机械锚固技术在门窗工程中应用既能满足门窗固定，耐久性达到500h无异常的的技术要求，又能保障加气块墙体及后续抹灰的质量，节约了施工作业的人力、材料、机具的费用、提高了作业效率，整个安装工艺在工程建设中显著实现了降本提效。此外，还能减少对预制混凝土块的连续开孔工序，降低了作业难度及对周边环境的影响，更确保了作业中的安全文明施工。另外，减少对混凝土使用的依赖，在门窗的安装工艺选择上更加地灵活和便捷。总而言之，基于现有的资源配置，可用资金和技术支持，机械锚固技术在门窗工程中应用能够产生更大的经济效益、社会效益和环境效益，具有较大的借鉴意义和推广价值。