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：：是不是一定要要竖向层层分分段，水平三三米一段？回答：不一定定要切得这么么碎。切碎是设计最最省事的办法法尺寸越小，温温度的影响就就小，这是尽尽人皆知的常常识。把构件件切碎，弄成成短短的，当当然就不用费费心去做温度度应力计算，，不用专门考考虑抗温度变变化措施。由由于最初做幕幕墙的不是建建筑结构行业业，而是飞机机制造行业，，所以历史地地形成了通通通切断的行业业习惯。对付温度影响响不一定要断断开断开是一种方方法，但不是唯一方方法解决温度的影影响可以有两两条途径：1构件断开，支支点自由，结结构随温度变变形，减少或或消除温度应应力。称为““有变形，无无应力”2构件连续，支支点约束，结结构温度变形形受到限制，，甚至不准变变形，温度应应力由钢结构构自己的强度度承受。称为为“有应力，，无变形”解决温度变化化问题的两种种办法两种处理方法法的例子有温度变形，，无温度应力力常规幕墙的骨骨架；老式低低速铁路的铁铁轨（长度13.2米）；用许多多温度缝分开开的厂房；带带活动接头的的管道；约束温度变形形，承受温度度应力巨型航空母舰舰；巨型油轮轮；大型油罐罐；超大跨公公共建筑；超超高层建筑；；核反应堆；；大容量炼铁铁高炉；高速速铁路的超长长钢轨（长度度一般超过1000米，甚至几百百公里无缝隙隙）；大量焊焊接钢结构建建筑；结构钢有能力力承受温度应应力Q235强度设计值215N/mm2Q345强度设计值315N/mm2在完全固定，，不能变形的的情况下，温温度每变化1度，钢构件中中产生的温度度应力为：2.4N/mm2通常，幕墙骨骨架连接在主主体结构上，，温度变化时时，支座随主主体结构位移移，钢骨架受受到变形约束束很小，温度度应力远小于于这个按支座座固定考虑的的数值。铝的膨胀系数数为混凝土的的三倍

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

设计的基基本依据《钢结构设计规规范》GB50017是钢结构设计计的依据，当当然也是幕墙墙钢结构设计计的依据。幕墙钢结构是是钢结构的一一部分，既然然钢结构可以以焊接，那为为什么加上““幕墙”两个个字，就不能能焊接呢？GB50017幕墙钢结构属属于钢结构，，所以其设计计依据是《钢结构设计规规范》。幕墙规范的修修订也应符合合GB50017。JGJ133-2001规定铝型材不不用焊接，是是因为当时技技术水平不高高JGJ133-2001是对铝铝合金金结构构编制制的，，但5.6.6条关于于铝梁梁、柱柱只用用螺接接的规规定仅仅仅反反映了了当时时的技技术水水平—铝型材材现场场焊接接有困困难。。现行《铝合金金结构构设计计规范范》GB50429-2007明确铝铝合金金建筑筑结构构可以以焊接接，并并给出出了焊焊接的的相应应规定定。幕墙铝铝型材材设计计应符符合GB50429的规定定GB50429规定了了对铝铝合金金焊接接的要要求既然规规定了了铝型型材都都可以以焊接接，钢钢结构构本来来就名名正言言顺可可以采采接，，幕墙墙的钢钢横梁梁、钢钢立柱柱当然然可以以焊接接。一、焊焊接是是钢结结构的的基本本连连接方方式二、JGJ133-2001是上上一个个世纪纪的历历史产产物5.6.6条是针针对铝铝型材材规定定的编写5.6.6条的时时候，，幕墙墙还没没有采采用钢钢型材材做梁梁柱，，全用用铝合合金型型材。。所以以自然然认为为梁柱柱连接接就必必须用用螺栓栓。因因为在在90年代现现场进进行铝铝的焊焊接还还很困困难，，螺栓栓是传传递大大的内内力的的唯一一手段段。当时谁谁也没没有预预计到到21世纪钢钢结构构会大大量进进入幕幕墙中中。与时俱俱进，，JGJ102——2003已经修修改2000年以后后，大大型公公共建建筑大大量兴兴建，，钢结结构在在幕墙墙中广广泛应应用。。原规规范已已不适适应钢钢结构构的要要求，，矛盾盾日益益显著著。2001年修订订JGJ102-96时，已已经在在规范范中对对钢结结构作作出规规定。。其中中就包包括钢钢梁柱柱连接接可以以焊接接的规规定。。1996年编制制的JGJ133-2001：（铝型型材））要用用螺栓栓连接接。2001年修订订的JGJ102-2003：（铝型型材））可以以用螺螺栓连连接（（也可可以不不用，，改用用焊接接）；；（钢钢型材材）可可不用用螺栓栓连接接，可可以用用焊接接。133规范修修订，，5.6.6条已经经修改改目前，，133规范修修订进进入送送审阶阶段。。修订订后明明确规规定钢钢横梁梁与钢钢立柱柱可以以采用用焊接接。按照规规范执执行中中，““同一一问题题的规规定，，以最最新规规定执执行””的从从新原原则，，在新新的133规范颁颁布前前，可可按102规范中中钢结结构可可以焊焊接的的规定定执行行。JGJ133《《送审稿稿》实际上上，从从90年代开开始，，幕墙墙已经经采用用焊接接钢结结构。。广东公公安指指挥中中心一一九九九六年年建成成全全部钢钢骨架架焊接接石材幕幕墙焊焊接钢钢骨架架三、实实践表表明幕幕墙钢钢结构构焊焊接没没有任任何问问题焊接钢钢结构构有优优良的的抗震震性能能幕墙的的振动动台抗抗震试试验有有意采采用焊焊接钢钢骨架架，使使得振振动的的侧向向位移移能达达到1/60~1/50，这样样大的的位移移已远远远超超出建建筑物物在大大地震震下的的可能能位移移。所所有地地震试试验表表明：：在9度~10度地震震下，，产生生如此此大的的位移移，焊焊接钢钢骨架架完好好，具具有良良好的的抗震震性能能。焊接钢钢骨架架完全全可以以在幕幕墙中中使用用。石材幕幕墙振振动台台试验验侧侧移移达1/50幕墙焊焊接钢钢骨架架早在在133规范颁颁布之之前就就已经经使用用，至至今近近20年，经经历了了强台台风和和大地地震的的考验验我国的的幕墙墙工程程从1993年至今今，钢钢横梁梁与钢钢立柱柱、钢钢角码码与连连接钢钢板的的焊接接已经经用了了十多多年，，效果果良好好。许许多工工程还还经历历了大大地震震或多多次强强台风风的考考验。。工程实实践证证明钢钢骨架架采用用焊接接是很很好的的连接接方式式。九十年年代末末的焊焊接大大争论论1998年前后后，成成都市市许多多幕墙墙采用用了钢钢横梁梁和钢钢立柱柱，而而且采采用焊焊接。。这些些已建建成的的幕墙墙，拆拆还是是不拆拆，引引起激激烈的的争论论。最最后还还争到到了北北京，，在会会议上上双方方都拍拍了桌桌子。。在搞钢钢结构构的技技术人人员的的支持持下，，这些些幕墙墙幸存存了下下来。。它们静静静地地度过过了十十年，，谁都都没有有预计计会有有2008年5月12日……谁也没没有料料到十十年后后，2008年5月12日它们们经受受了大大地震震的考考验，，用事事实回回答了了钢结结构能能不能能焊接接的大大争论论。汶川大大地震震幕墙墙经受受了考考验地震区区规定定的设设防烈烈度为为6、7度。地震中中，幕幕墙工工程在在烈度度7、8、9度下，，不管管螺栓栓还是是焊接接，只只要主主体结结构在在，幕幕墙就就在，，而且且完好好。九十年年代幸存下下来的焊接接钢结结构幕幕墙经经受了了这次次大地地震的的考验验，客客观事事实证证明了了幕墙墙完全全可以以采用用焊接接钢结结构。。绵阳(9度)石材幕幕墙完完好焊接钢钢结构构不但但抗震震，而而且抗抗风从九十十年代代至今今,沿海地地区的的建筑筑幕墙墙许多多采用用焊接接钢结结构,虽经多多次强强台风风袭击击,从未因因骨架架焊接接而出出现安安全问问题.实践表表明:钢横梁梁与立立柱焊焊接完完全可可以满满足幕幕墙抗抗风要要求.采用焊焊接钢钢结构构的幕幕墙，，经受受了台台风和和地震震的实实际考考验。。实践是是检验验真理理的唯唯一标标准，，所以以现行行规范范就要要修改改补充充。四、现现在大大量幕幕墙钢钢结构构采采用焊焊接世博会会阳光光谷世博会会的中中轴线线长1000米，宽宽110米，称称为世世博轴轴。世博轴轴上有有六个个朝天天玻璃璃大喇喇叭，，直径径80~96米，高高42米，叫叫阳光光谷。。这些巨巨型玻玻璃幕幕墙的的支架架，是是全焊焊接方方钢管管结构构。阳光谷谷6个阳光光谷是是倒喇喇叭形形玻璃璃采光光顶，，最大大直径径96米，高高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，如如果能做做到配合合良好，，管材也也可以用用芯管连连接。修订后的的新JGJ133将采用上上述规定定。JGJ102-2003已经修