幕墙设计中的一些问题五钢结构

幕墙设计的一些问题

(五)

钢结构设计中国建筑科学研究院赵西安2012幕墙钢结构设计

幕墙钢结构问题的由来幕墙钢结构目前出现许多有争议的问题，遍及各地。剪不断，理还乱，这些问题是怎么出来的呢？

这是一个历史遗留问题。

问题出自JGJ

133-2001。规范是16年前编的，那时候幕墙行业共识是：不采用钢结构。所以规范只对铝合金结构作出了规定。JGJ133-2001编在16年前，

是针对铝合金建筑幕墙编制的133规范编制于上一个世纪1996~99年间，当时从事幕墙工程的不是建筑公司，而是军转民的飞机制造公司，因熟悉铝合金制品而形成了幕墙这一行业。所以当时业内共识是幕墙只用铝合金型材，当时幕墙的标准名称为“铝合金建筑幕墙”、“铝合金玻璃幕墙”。1993年编制102-96规范时，建筑行业人士坚持取消了“铝合金”三个字，但对采用钢型材没有达成共识。102、133是针对铝型材编的。1990年代幕墙只用铝合金骨架

标准名称为“铝合金幕墙”所有技术文件、规范都局限于铝合金

上世纪，幕墙是铝合金型材的一统天下；2000年以后，钢结构大量在幕墙中使用，来得突然，幕墙规范中没有相应的规定。有些工程只好照搬幕墙规范中对铝型材的规定来做钢结构，矛盾、问题不断出现。钢结构设计的基本依据钢结构设计的基本依据是国家标准《钢结构设计规范》GB50017。幕墙钢结构是钢结构的一部分，其设计也应遵照执行；幕墙规范编制、修订，有关钢结构的条文，要与之一致。幕墙钢结构的设计依据是GB500171996年黑体字的说法和现在不同

1993~1998年编制JGJ102和133时，对“强制性条文”黑体字的说法是“强调、着重、提醒、注意”，并没有一票否决、违法的含义。不知道甚么时候就变成了现在这个“规范就是法律”的解释。我们也是有口难辩，很后悔当初用了黑体字，现在“被”强制。今后黑体字只能写“构件承载力要大于外荷载”这一类绝对真理。所有构造、作法、尺寸等等都不能用黑体字。而且黑体字不要超过5%。第一个问题题：是不是一定定要竖向层层层分段，，水平三米米一段？回答：不一一定要切得得这么碎。。切碎是设计计最省事的的办法尺寸越小，，温度的影影响就小，，这是尽人人皆知的常常识。把构构件切碎，，弄成短短短的，当然然就不用费费心去做温温度应力计计算，不用用专门考虑虑抗温度变变化措施。。由于最初初做幕墙的的不是建筑筑结构行业业，而是飞飞机制造行行业，所以以历史地形形成了通通通切断的行行业习惯。。对付温度影影响不一定定要断开断开是一种种方法，但不是唯一一方法解决温度的的影响可以以有两条途途径：1构件断开，，支点自由由，结构随随温度变形形，减少或或消除温度度应力。称称为“有变变形，无应应力”2构件连续，，支点约束束，结构温温度变形受受到限制，，甚至不准准变形，温温度应力由由钢结构自自己的强度度承受。称称为“有应应力，无变变形”解决温度变变化问题的的两种办法法两种处理方方法的例子子有温度变形形，无温度度应力常规幕墙的的骨架；老老式低速铁铁路的铁轨轨（长度13.2米）；用许许多温度缝缝分开的厂厂房；带活活动接头的的管道；约束温度变变形，承受受温度应力力巨型航空母母舰；巨型型油轮；大大型油罐；；超大跨公公共建筑；；超高层建建筑；核反反应堆；大大容量炼铁铁高炉；高高速铁路的的超长钢轨轨（长度一一般超过1000米，甚至几几百公里无无缝隙）；；大量焊接接钢结构建建筑；结构钢有能能力承受温温度应力Q235强度设计值值215N/mm2Q345强度设计值值315N/mm2在完全固定定，不能变变形的情况况下，温度度每变化1度，钢构件件中产生的的温度应力力为：2.4N/mm2通常，幕墙墙骨架连接接在主体结结构上，温温度变化时时，支座随随主体结构构位移，钢钢骨架受到到变形约束束很小，温温度应力远远小于这个个按支座固固定考虑的的数值。铝的膨胀系系数为混凝凝土的三倍倍

温度变变形相差悬悬殊，每层层留伸缩缝缝是合理的的钢材和混凝凝土的膨胀胀系数相近近钢材材：1.2X10-5/C混凝土：1.0X10-5/C所以，钢筋筋混凝土结结构才有可可能应用。。钢幕墙结构构和钢主体体结构、钢钢幕墙结构构和混凝土土主体结构构膨胀系数数相同或相相近温度变化时时幕墙钢结结构的温度度应力接近近于零断不断，怎怎么断，由由设计者决决定全部砍断，，传统做法法，肯定可可行。但是增加许许多连接节节点，费工工费料。加长杆件，，减少断口口，可以节节省工料，但要从从计算和构构造上加以以考虑。全部不断，，必须计算算温度和位位移产生的应力，，分析结构构的变形耐耐受能力，采取措措施确保结结构安全。。第二个问题题：幕墙钢结构构可以焊接接吗？回答：完全全可以。GB50017是幕墙钢结结构

设计计的基本依依据《钢结构设计计规范》GB50017是钢结构设设计的依据据，当然也也是幕墙钢钢结构设计计的依据。。幕墙钢结构构是钢结构构的一部分分，既然钢钢结构可以以焊接，那那为什么加加上“幕墙墙”两个字字，就不能能焊接呢？？GB50017幕墙钢结构构属于钢结结构，所以以其设计依依据是《钢结构设计计规范》。幕墙规范的的修订也应应符合GB50017。JGJ133-2001规定铝型材材不用焊接接，是因为为当时技术术水平不高高JGJ133-2001是对铝合金金结构编制制的，但5.6.6条关于铝梁梁、柱只用用螺接的规规定仅仅反反映了当时时的技术水水平—铝型材现场场焊接有困困难。现行《铝合金结构构设计规范范》GB50429-2007明确铝合金金建筑结构构可以焊接接，并给出出了焊接的的相应规定定。幕墙铝型材材设计应符符合GB50429的规定GB50429规定了对铝铝合金焊接接的要求既然规定了了铝型材都都可以焊接接，钢结构构本来就名名正言顺可可以采接，，幕墙的钢钢横梁、钢钢立柱当然然可以焊接接。一、焊接是是钢结构的的基本连连接方式二、JGJ133-2001是

上一个个世纪的历历史产物5.6.6条是针对铝铝型材规定定的编写5.6.6条的时候，，幕墙还没没有采用钢钢型材做梁梁柱，全用用铝合金型型材。所以以自然认为为梁柱连接接就必须用用螺栓。因因为在90年代现场进进行铝的焊焊接还很困困难，螺栓栓是传递大大的内力的的唯一手段段。当时谁也没没有预计到到21世纪钢结构构会大量进进入幕墙中中。与时俱进，，JGJ102—2003已经修改2000年以后，大大型公共建建筑大量兴兴建，钢结结构在幕墙墙中广泛应应用。原规规范已不适适应钢结构构的要求，，矛盾日益益显著。2001年修订JGJ102-96时，已经在在规范中对对钢结构作作出规定。。其中就包包括钢梁柱柱连接可以以焊接的规规定。1996年编制的JGJ133-2001：（铝型材））要用螺栓栓连接。2001年修订的JGJ102-2003：（铝型材））可以用螺螺栓连接（（也可以不不用，改用用焊接）；；（钢型材材）可不用用螺栓连接接，可以用用焊接。133规范修订，，5.6.6条已经修改改目前，133规范修订进进入送审阶阶段。修订订后明确规规定钢横梁梁与钢立柱柱可以采用用焊接。按照规范执执行中，““同一问题题的规定，，以最新规规定执行””的从新原原则，在新新的133规范颁布前前，可按102规范中钢结结构可以焊焊接的规定定执行。JGJ133《《送审稿》实际上，从从90年代开始，，幕墙已经经采用焊接接钢结构。。广东公安指指挥中心一一九九九六年建成成全部钢钢骨架焊接接石材幕墙焊焊接钢骨架架三、实践践表明幕幕墙钢结结构焊焊接没有有任何问问题焊接钢结结构有优优良的抗抗震性能能幕墙的振振动台抗抗震试验验有意采采用焊接接钢骨架架，使得得振动的的侧向位位移能达达到1/60~1/50，这样大大的位移移已远远远超出建建筑物在在大地震震下的可可能位移移。所有有地震试试验表明明：在9度~10度地震下下，产生生如此大大的位移移，焊接接钢骨架架完好，，具有良良好的抗抗震性能能。焊接钢骨骨架完全全可以在在幕墙中中使用。。石材幕墙墙振动台台试验侧侧移移达1/50幕墙焊接接钢骨架架早在133规范颁布布之前就就已经使使用，至至今近20年，经历历了强台台风和大大地震的的考验我国的幕幕墙工程程从1993年至今，，钢横梁梁与钢立立柱、钢钢角码与与连接钢钢板的焊焊接已经经用了十十多年，，效果良良好。许许多工程程还经历历了大地地震或多多次强台台风的考考验。工程实践践证明钢钢骨架采采用焊接接是很好好的连接接方式。。九十年代代末的焊焊接大争争论1998年前后，，成都市市许多幕幕墙采用用了钢横横梁和钢钢立柱，，而且采采用焊接接。这些些已建成成的幕墙墙，拆还还是不拆拆，引起起激烈的的争论。。最后还还争到了了北京，，在会议议上双方方都拍了了桌子。。在搞钢结结构的技技术人员员的支持持下，这这些幕墙墙幸存了了下来。。它们静静静地度过过了十年年，谁都都没有预预计会有有2008年5月12日……谁也没有有料到十十年后，，2008年5月12日它们经经受了大大地震的的考验，，用事实实回答了了钢结构构能不能能焊接的的大争论论。汶川大地地震幕墙墙经受了了考验地震区规规定的设设防烈度度为6、7度。地震中，，幕墙工工程在烈烈度7、8、9度下，不不管螺栓栓还是焊焊接，只只要主体体结构在在，幕墙墙就在，，而且完完好。九十年代代幸存下来来的焊接钢钢结构幕幕墙经受受了这次次大地震震的考验验，客观观事实证证明了幕幕墙完全全可以采采用焊接接钢结构构。绵阳(9度)石材幕墙墙完好焊接钢结结构不但但抗震，，而且抗抗风从九十年年代至今今,沿海地区区的建筑筑幕墙许许多采用用焊接钢钢结构,虽经多次次强台风风袭击,从未因骨骨架焊接接而出现现安全问问题.实践表明明:钢横梁与与立柱焊焊接完全全可以满满足幕墙墙抗风要要求.采用焊接接钢结构构的幕墙墙，经受受了台风风和地震震的实际际考验。。实践是检检验真理理的唯一一标准，，所以现现行规范范就要修修改补充充。四、现在在大量幕幕墙钢结结构采采用用焊接世博会阳阳光谷世博会的的中轴线线长1000米，宽110米，称为为世博轴轴。世博轴上上有六个个朝天玻玻璃大喇喇叭，直直径80~96米，高42米，叫阳阳光谷。。这些巨型型玻璃幕幕墙的支支架，是是全焊接接方钢管管结构。。阳光谷6个阳光谷谷是倒喇喇叭形玻玻璃采光光顶，最最大直径径96米，高41.5米。单层网壳壳钢结构构。方钢钢管，三三向布置置，三角角形网格格。焊接接节点。。阳光谷玻玻璃幕墙墙支承钢钢结构采用全焊焊接方钢钢管单层层网壳幕墙钢结结构螺接接可以用用、焊焊接也也没有问问题。理论和工工程实践践都证明明了，幕幕墙钢结结构可以以采用螺螺栓连接接，也可可以采用用焊接。。设计人人员可根根据工程程的情况况和自己己的工艺艺习惯选选用。也也可以螺螺接和焊焊接混合合使用。。天津中中船重重工146米花花岗岩钢横梁与与钢立柱柱一端焊焊接，一一端螺接接。广东图书书馆新馆馆凹凸石石材幕墙墙焊接钢骨骨架我们可以以列举很很多工程程实例，，说明幕幕墙钢结结构采用用焊接是是安全可可靠的。。可是，谁谁有能举举出哪怕怕一个例例子，说说明仅仅仅是由于于采用了了焊接，，幕墙钢钢结构就就出了安安全问题题呢？没有，没没有一个个工程是是由于没没有采用用螺栓连连接，钢钢结构就就出问题题的。实践是检检验真理理的唯一一标准从1996年幕墙钢钢结构开开始采用用焊接，，到今天天已经过过去了16年。16年的实践践告诉我我们，幕幕墙钢结结构采用用焊接连连接是没没有问题题的。客观实践践已经得得出了结结论幕墙钢结结构如同同其他钢钢结构一一样，可可以采用用螺栓连连接，也也可以采采用焊接接，还可可以两者者混合使使用。世界是多多样的，，解决问问题的方方法也应应该是多多样的。。一定要保保证现场场焊接的的施工质质量焊接施工工应符合合现行标标准JGJ81的规定。。焊工必须须持证上上岗。焊缝应均均匀饱满满，不得得断开、、漏焊。。不应有有气泡、、夹渣、、裂缝。。做好焊缝缝防锈。。做好防火火措施。。上下柱并并不是必必须连接接上下柱之之间并不不是非连连接不可可，连接接与否、、连接方方式完全全取决于于设计考考虑和采采用的计计算简图图。通常采用用多跨铰铰接梁的的计算模模式，上上下柱之之间是铰铰接点，，要保证证上下位位移一致致，可传传递剪力力，应连连接。如果设计计按简支支考虑，，按简支支梁计算算，则可可以不连连接，只只须留留出间隙隙。实体墙上上的幕墙墙可以按按分段设设置横梁梁和立柱柱，各自自单独计计算，各各自单独独受力，，这时各各段之间间也可不不连。按铰接多多跨梁设设计，上上下柱应应连接按单跨简简支梁设设计，上上下柱可可不连接接按简支梁梁设计，，上下柱柱不连接接按分层简简支梁设设计的立立柱，上上下不连连接按多跨铰铰接梁设设计的立立柱，用用铝横梁梁作外部部连接；；附加4X40mm铝排也起起连接作作用芯柱连接主要要用于铝铝型材JGJ133-2001中关于型型材用芯芯柱连接接的规定定是针对对铝型材材的。该该规范是是在1996~2000年间编制制的，当当时幕墙墙基本上上只用铝铝型材，，一般不不考虑用用钢型材材。铝型材开开模方便便，又是是高精度度和超高高精度产产品，可可以做到到紧密滑滑动配合合。因此此用芯柱柱是恰当当的。2000年以后，，钢型材材大量使使用，JGJ133-2001的规定就就不适应应钢型材材了。钢钢型材大大量是开开口断面面，无法法插芯；；钢型材材不能随随便定尺尺寸，轧轧辊不能能随便改改，无法法紧密配配合；精精度做不不到高精精级，滑滑动不了了，或者者空隙很很大，芯芯柱晃动动。新问题要要有新办办法对钢型材材还照搬老规规定，还还硬要按JGJ133-2001的规定执执行，必必定要要出问题题。钢型材有有钢型材材的特点点，要针针对具体体情况具具体选选用连接接方式。。只要达达到两个个要求就就可以了了：保证证上下柱柱位移一一致；能能传递剪剪力。通常，可可采用型型钢或钢钢板作为为连接板板，一端端焊接或或用圆孔孔螺栓；；另一端端用长圆圆孔螺螺栓。当当然，如