2014-幕墙规范的新解读.doc

幕墙规范的新解读 （ 6 ）幕墙钢结构设计的一些问题赵西安（中国建筑科学研究院 北京 100013） 一、 钢结构的分段问题1 铝型材骨架应当分段铝型材立柱层层分段，横梁与立柱通过螺栓铰接，这是常规的做法铝型材骨架这种做法，是为了减少温度变化时在骨架中产生的温度应力，这对铝合金型材是必要的，因为：1） 铝的温度线胀系数为 2.35X10-5/oC，远远大于钢材的线账系数 1.2X10-5/oC ， 更远大于混凝土的线胀系数 1.0X10-5./oC无论铝型材骨架固定在钢结构上还是固定在混凝土结构上，温度变化时都要产生很大的变形差，从而出现很大的温度应力2） 铝合金的弹性模量为 0.7X105MPa，在端部不可位移时，温度变化 1oC 将在铝型材中产生 1.6MPa 的应力；温度变化 50OC，温度应力将达到 80MPa而铝合金的强度较低，难以承受如此大的温度应力因此，铝合金骨架采用分段的方式来减少温度变化的影响是合理的JGJ 102 和 JGJ 133新版本规定了铝合金横梁的长度每段不超过 9m；立柱每段长度不超过 12m2 分段不是解决温度问题的唯一`方法2.1 解决温度问题的两种方法钢骨架是不是也要按照铝合金骨架的方式来做呢，是不是一定要竖向分段，水平也分段？我们的回答是：不一定要切得这么碎。

切碎是设计最省事的办法，尺寸越小，温度的影响就小，这是尽人皆知的常识把构件切碎，弄成短短的，当然就不用费心去做温度应力计算，不用专门考虑抗温度变化措施由于最初做幕墙的不是建筑结构行业，而是飞机制造行业，所以历史地形成了通通切断的行业习惯对付温度影响不一定要断开，断开是一种方法，但不是唯一方法解决温度的影响可以有两条途径：1） 构件断开，支点自由，结构随温度变形，减少或消除温度应力这称为“ 有变形，无应力”；2） 构件连续，支点约束，结构温度变形受到限制，甚至不准变形，温度应力由钢结构自己的强度承受称为“有应力，无变形”解决温度变化问题的两种办法在实际中都有应用：1） 有温度变形，无温度应力：常规幕墙的骨架；老式低速铁路的铁轨（长度 13.2m） ；用许多温度缝分 开的厂房；带活动接头的管道； 2） 约束温度变形，承受温度应力：巨型航空母舰；巨型油轮；大型油罐；超大跨公共建筑；超高层建筑；核 反应堆；大容量炼铁高炉；高速铁路的超长钢轨（长度一般超过 1000m，甚至几百公里无缝隙） ；大量焊接钢结构2.2 钢结构有能力承受温度应力结构钢 Q235 强度设计值为 215N/mm2；Q345 强度设计值 315 N/mm2。

在完全固定，不能变形的情况下，温度每变化 1 oC，钢构件中产生的温度应力为 2.4 N/mm2即使温度变化 50oC，也就产生 120N/mm2 的温度应力，远小于钢的强度设计值况且，通常幕墙骨架连接在主体结构上，温度变化时，支座随主体结构位移，钢骨架受到变形约束很小，温度应力远小于这个按支座固定考虑的数值 实际上， 钢材和混凝土的膨胀系数相近：钢 材：1.2 X 10-5 / oC混凝土：1.0 X 10-5 /o C所以，钢筋混凝土结构才有可能应用钢幕墙结构和钢主体结构、钢幕墙结构和主体钢结构或主体混凝土结构膨胀系数相同或相近，温度变化时幕墙钢结构的温度应力接近于零实际工程钢结构往往不分段，或者不会分段太密如国家大剧院，215mX145m，全部焊成一个刚性的“ 大碗”，无分缝；鸟巢，296mX310m，钢构件全部刚性连接成为整体，没有缝；深圳湾体育馆，两馆一场由连续曲面覆盖，屋面支承结构为双向单层网壳，长 530 m，连续不分缝高层建筑同样如此，世界最高的哈里法塔，高度度 828 米；上海三座高楼：金茂大厦 420 米，环球金融 495 米，上海中心 635m 。

总不能把它们统统切成三米一段吧？主体钢结构不分段，幕墙钢结构同样可以不分段北京凤凰传媒中心玻璃幕墙的支承钢结构长度达 200m，连续焊接不分段（图 1） 中国建筑科学研究院办公楼的室外电梯，夹层玻璃方钢管框架支承，立柱 90m 高，连续焊接不分段，无接头，多年使用没有问题(图 2)图 1 北京凤凰传媒中心，幕墙钢结构（细圆管）200m 长不分段，与主结构（粗方管）也焊接在一起 图 2 中国建研院办公楼外部电梯，钢管立柱高 90m 连续不分段2.3 幕墙钢结构是否分段由设计者自己决定幕墙钢结构与主体钢结构或主体混凝土结构相连接，两者温度变形相同或相近，温度应力很小；钢材强度很高，完全可以承受温度应力所以断与不断都不成问题，怎么做都可以，断与不断，由设计者自行决定：全部砍断，传统做法，肯定可行，但是增加许多连接节点，费工费料加长杆件，减少断口，可以节省工料，但温度问题要从计算和构造上加以考虑全部不断，必须计算温度和位移产生的应力，分析结构的变形耐受能力，采取措施确保结构安全二、 钢立柱分段后上下柱的连接1 上下柱是否连接取决于立柱计算图形1.1 按铰接多跨梁设计的立柱应加以连接立柱如果上下连通不分段，那就不存在上下柱连接的问题。

上下柱的连接是因为分段而产生设计计算时如果将立柱作为铰接多跨梁设计，接头部位就是一个铰节点，铰节点应满足两个条件：接头处上下柱的水平位移相等；接头应能传递水平剪力这就要求：1） 连接部件应与上下柱紧密接触，连接可靠，没有空隙，不产生上下柱的相对水 平位移；2） 连接部件应有足够承载能力，可以承受立柱的水平剪力1.2 按分层简支梁设计的立柱可以不连接如果立柱按层分段，各自按分段简支梁设计，每段立柱在上下端各设一个连接点与主体结构连接，那么各段立柱就是独立工作，上下柱之间就可只留空隙，可以不加连接（图 3） 图 3 上下立柱各设单独支点，按简支梁设计，可以不加连接2 用芯柱连接的条文是针对铝型材规定的JGJ133-2001 中关于上、下柱连接闭口截面应采取芯柱连接的规定是针对铝型材立柱而言的因为该规范于 1998~2000 年期间编制，当时幕墙绝大部分都是采用闭口截面铝型材，基本上不用钢型材铝型材容易开模，可以按照实际采用的立柱截面，随时开模生产对应的芯柱铝型材，而且铝型材采用高精级和超高精级，可以做到内外柱紧密滑动配合芯柱连接用于铝型材立柱的连接是合理的。

3 钢型材立柱不宜采用芯柱连接2000 年以后，钢型材大量使用，JGJ133-2001 的规定就不适应钢型材了钢型材大量是开口断面，无法插芯；钢型材不能随便定尺寸，轧辊不能随便改，无法紧密配合；精度做不到高精级，滑动不了，或者空隙很大，芯柱晃动按照我国型钢标准，方钢管外柱和内芯之间一定会有 2mm 间隙，插芯接头保证不了位移相同，能传递剪力的基本要求从型钢表可以看出，在幕墙立柱方钢管的常用断面范围内，大一型号的方钢管外轮廓尺寸比小一型号的方钢管大 10mm，而方钢管壁厚均为4mm，这就是产生 2mm 空隙的原因例如用 80X50X4 方管立柱，套 70X40X4 方管芯柱，必然四周都有 2mm 空隙图 4 图纸上芯柱画得与外柱紧密接触，实际有空隙 有些工程方钢管立柱套用铝型材芯柱连接的做法，大钢管套小钢管，但无法像铝立柱那样做到外柱与芯柱滑动紧密配合内外方钢管怎么也有大大小小的空隙，接头晃来晃去，不得不在芯柱上补焊小钢板，再用铣床削平，非常麻烦，而且很难安装（图 4） 北京美联国际中心立柱方钢管用方钢管芯柱连接，芯柱长度 250 毫米受钢管型号限制，外柱选用 160mmX80mmX6mm，内腔为 148mmX68mm；芯柱146mmX66mmX6mm，前后左右都有 2mm 空隙。

由于芯柱留下较大空隙，要用焊钢板填充（图 6） 图 5 在芯柱上加焊钢垫板 图 6 北京美联国际的钢柱接头，可见垫板2000 年以后，钢型材在幕墙中应用越来越多，钢型材尺寸偏差大，闭口方钢管内置方钢管芯柱难以做到滑动紧密配合，而实际工程中还大量采用槽钢、工字钢，这些开口型材无法采用芯柱连接新问题要有新办法，因此 JGJ 102 规范和 JGJ 133 规范对于钢立柱的连接作了相应的规定对于立柱，芯柱不再是唯一的连结方式，还可以采用型钢和钢板连接，只要达到铰节点处上下柱位移一致，能承受水平剪力就可以了4 钢型材立柱可以用钢板或型钢连接钢型材有钢型材的特点，要针对具体情况具体 选用连接方式只要达到两个要求就可以了：保证上下柱位移一致；能传递剪力通常，可采用型钢或钢板作为连接板，一端焊接或用圆孔螺栓；另一端用长圆孔 螺栓当然，如果能做到配合良好，管材也可以用芯管连接用钢板或钢型材连接，下端可以是焊接或圆孔螺栓连接，上端通常用竖向长圆孔螺栓连接（图 7、图 8） 图 7 甘肃移动大厦钢板接头 图 8 广州合银大厦方钢管立柱用角钢连接广州合银大厦石材幕墙高度 190 米。

方钢管立柱用角钢夹住，下端焊接，上端螺栓滑动连接；或者钢立柱下端圆孔螺栓，上端长圆孔螺栓钢板连接不仅用于幕墙钢结构，甚至连超高层建筑的巨型钢柱都可以用钢板连接5 实体墙面上钢立柱的上、下柱连结在实体墙面上钢立柱上、下柱之间如作为铰结，也可采用型钢、钢板连接，只要上、下柱位移一致，连接件可以承受水平剪力至于具体连接的形式可以多种多样在实体墙面上，支座可以加密，位置也可以灵活安排因此也可以将横梁、立柱分段设置，左右梁间、上下柱间留 15mm 空隙，支座布置在空隙旁边，梁柱悬臂段很短，这时也可以留空而不加连接留空不连接时，各梁段、柱段独立进行计算分析三、 钢结构的防锈措施1 钢结构防锈必须充分注意幕墙采用钢结构支承必须注意防锈问题否则长期使用之后，钢构件腐蚀严重，尤其是在滨海地区和酸雨严重的地区有些幕墙的支承钢结构没有重视防锈问题，完工几年后，结构构件锈蚀极其严重，要修补非常困难（图 9、图 10） 图 9 沈阳火炬创业园幕墙钢结构生锈 图 10 鄂尔多斯机场钢结构生锈有些工程采用方钢管，这种闭口型材的内表面难以进行防锈，时间一长，就会因内壁生锈而流黄水，污染面板所以，如果内壁没有采取防锈措施，就要封闭两端的开口。

图 11 小方管内壁镀锌可不封口 图 12 方管内壁无防腐措施又不封闭，生锈流黄水3 防锈方法可以有多种多样钢结构防腐措施可以有多种思路， 规范要求“采取防腐措施 ”， 规范没有要求钢结构一定要镀锌镀锌是一种方法，但不是只有镀锌一种方法 钢结构镀锌是有效的防锈方法，如广州合银大厦 2001 年停工，部分面板未安装，大部板缝未打胶，10 年开敞停工十年后，2011 年准备复工，检查时发现，镀锌钢构件保持完好，焊缝保持良好，不锈钢螺栓良好，只有部分垫板锈蚀，防火岩棉的钢托板已经锈蚀镀锌是一种方法，但不是唯一的方法钢材镀锌是防锈的有效方法，但是还有许多其他防锈方法：涂富锌防锈漆；涂船用防锈漆；喷涂氟碳防腐层；采用氧化铁保护层耐候钢板 卢森堡是炼钢高技术国家，世博会卢森堡馆的屋面、墙面和地面都是铁锈保护层耐候钢板，卢森堡馆像“生锈废铁堆”， “生锈铁板”的铁板上贴着告示，请观众不要擦掉铁锈，这层铁锈是防腐蚀层只要这铁锈层保持完好，钢板就不会继续生锈（图 13） 澳大利亚馆外幕墙用铁锈色钢板，则是一种铁锈色的防锈涂料开始为浅褐色，随时间推移，渐渐加深，最后成为深铁锈色（图 14） 。

图 13 上海世博会卢森堡馆氧化铁防锈层钢板 图 14 澳大利亚馆氧化铁防锈涂料，颜色逐渐变深青岛光大银行 1999 年建成半钢化中空玻璃，单铝板，新疆红。