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幕墙钢结构设计的两个问题
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//www.lgmi.com 发表日期：2013/11/26 15:17:19
兰格钢铁 |
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第一部分幕墙钢结构的焊接问题
一、JGJ133-2001规范编制的时代背景
《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133-2001颁布于2001年，编制于1996~1997年，是上一个世纪九十年代的产物，距离今天已经有十六年的历史了。理解和应用JGJ133规范，不能离开JGJ133-2001编制当时的历史背景和技术水平。
我国从上个世纪八十年代开始出现幕墙，九十年代初形成幕墙行业。但是最初进入这一行业的并不是建筑公司，而是飞机制造公司。当时幕墙公司几乎全是军转民的飞机制造厂，它们熟悉铝合金材料，但对钢结构比较陌生。当时幕墙主要应用于办公楼和酒店，层高一般3m~4m，采用铝合金型材完全可以满足受力要求。因此幕墙行业的共识是幕墙只用铝合金结构，不采用钢结构。当时幕墙的普遍称呼是“铝合金建筑幕墙”、“铝合金玻璃幕墙”。
1993~1995年编制《玻璃幕墙工程技术规范》102-96期间，经过努力，终于去掉了“铝合金”三个字，但是在幕墙中采用钢结构并没有被行业的大多数人接受。因此JGJ102-96和JGJ133-2001两本规范就是针对铝合金结构编制的，仅仅因为连接件不能不涉及钢材，所以才列入一些有关钢材的内容。正因为如此，规范许多条文的规定不适用于钢结构。
十六年前的技术条件下，铝合金结构现场焊接还很难实现;而螺栓和螺钉连接对飞机制造厂来说轻车熟路，非常习惯。所以JGJ102-96、JGJ133-2001两本规范很自然规定“横梁应通过角码、螺钉或螺栓与立柱连接”。这对当时的铝合金结构是万无一失的可靠作法，自然得到幕墙厂家的肯定。
十六年过去了，客观现实已经发生了巨大变化，完全不同于上一个世纪的情况。但是JGJ133规范很长一段时间没有修订，已经远远不适应于当前的技术水平，也不适应当前幕墙工程大量应用钢结构的现实情况。
二、《钢结构设计规范》是幕墙钢结构设计的基本依据
既然JGJ102-96、JGJ133-2001规范版本是针对铝合金结构编制的，不完全适用于钢结构。幕墙钢结构既然是钢结构的一类，其设计的基本依据就应该是现行国家标准《钢结构设计规范》GB50017-2003。
《钢结构设计规范》GB50017适用于主体钢结构和围护钢结构。幕墙钢结构是钢结构的一部分，是处于《钢结构设计规范》的适用范围。
GB50017规范对普遍适用的钢结构焊接作出了详细明确的规定，幕墙钢结构是钢结构的一部分，当然可以采用焊接。时代在发展，技术在进步。十五年前铝合金结构现场难以焊接的问题现在已经不再是不可解决的困难。新颁布的《铝合金结构设计规范》GB50429对铝合金结构的焊接作出了明确的规定。现在，即使是铝合金型材也不是非要螺栓连接不可，也可以采用焊接了。
三、幕墙钢结构采用焊接已经有十多年历史
规范JGJ133-2001是在1996年开始编制的，由于它是针对铝合金型材编制，所以没有涉及钢结构如何设计的问题。于是九十年代有一些工程不接受规范JGJ133-2001的约束，直接按照《钢结构设计规范》JGJ17-87的规定，设计和建造了钢结构支承的幕墙，而且是采用焊接。
1996~1998年间，笔者参与了广州的广东省公安厅、广东省交通大厦、广东省建设银行大厦幕墙工程，其石材幕墙部分均采用了焊接钢结构。至今已经十多年过去，中间还经历了多次强台风的考验，使用情况一直良好。
最令人难忘的是发生在1998年的关于幕墙采用焊接钢结构的大辩论。四川成都地区在九十年代初期已经采用焊接钢结构建造了大批铝板和石材幕墙，1998年《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133进入送审阶段，送审稿传到四川后，根据第5.6.6条关于应采用螺栓连接的规定，省里有关部门下令全部拆除钢横梁立柱焊接的已建幕墙，这引起成都市有关部门的激烈反对，双方展开了长时间的争论。钢横梁与钢立柱能不能焊接，现有大批幕墙要不要拆除成为针锋相对的焦点问题。最后论战到了北京，会议上双方都说服不了对方。在从事钢结构的技术人员的劝和下，这批幕墙幸存了下来，静静地度过了整整十年。谁也没有想到，1998年双方都不服的“技术诉讼”，终于在十年后由2008年汶川大地震给出了判决。
汶川地震中，钢结构支承的石材幕墙无一破坏，无论是焊接还是螺接钢结构都经受了强烈地震的考验。
四、实践证明幕墙完全可以采用焊接钢结构
幕墙钢结构采用焊接不仅符合《钢结构设计规范》的规定，而更重要的是，十多年的科学试验和工程经验都表明：幕墙钢结构不许采用焊接是毫无道理的。实践是检验真理的唯一标准。
十多年来，我国已建的采用焊接钢结构支承的铝板和石材幕墙，从未因采用焊接钢结构而发生过安全事故;广州、深圳等地的这类工程甚至经历了多次12级到14级强台风的吹袭而完好无损。
十年来，国内进行过多次石材幕墙的振动台试验，仅笔者参与的实验就有五个。为了挑战极限，支承结构都采用了柔性的焊接钢结构，试验地震加速度大大超过设防烈度7、8度，达到相当于9度，甚至10度。幕墙试件的位移角达到1/70~1/50。在这样的位移下，实际房屋的主体结构早已倒塌;而而幕墙试件的焊接钢结构和面板都保持完好。这些振动台试验结果表明：幕墙采用焊接钢结构完全可以满足抗震要求。
2008年5月12日发生了汶川大地震，成都地区的幕墙经历了空前的大考验。1998年备受争议、但幸运地得以保存达十年之久的焊接钢结构幕墙，如同那些螺接钢结构幕墙一样，在7度区的成都、8度区的德阳、9度区的都江堰、绵阳都保持完好。震害调查表明：采用焊接钢结构的金属和石材幕墙具有优良的抗震性能。
经历了如此大范围、如此严酷的考验，在实践这个真理的标准面前，还有什么理由不许幕墙采用焊接钢结构呢?
五、现在大量幕墙工程采用焊接钢结构
进入二十一世纪，钢结构大量应用于幕墙骨架，焊接自然成为许多工程支承钢结构的连接方式。
2009年建成的青岛大剧院石材幕墙4万平方米，外形复杂多变，装饰线脚和造型非常多，全部钢骨架采用焊接。2008年建成的广州新白云机场，候机楼的点支玻璃幕墙由方钢管梁柱支承，不但梁柱本身焊接，而且幕墙整个骨架直接焊在主结构上。
2007年建成的北京首都机场T3航站楼，玻璃幕墙双夹胶中空，板块尺寸3.6mX1.8m，由跨度为10.8m的钢铝组合梁支承。钢梁通过焊接牛腿连接到幕墙的竖向钢桁架。同样宁夏银川机场候机楼的玻璃幕墙由方钢管横梁和立柱组成的焊接结构支承。
不仅大型公共建筑，而且许多高层建筑的幕墙也采用焊接钢结构。天津地铁大厦洞石幕墙高达175m，采用了焊接钢骨架。中国建筑科学研究院办公楼的观光电梯高90m，处于室外环境，方钢管一通到顶，不分段;梁柱全部焊接;与主体结构也是焊接，整个结构没有一个螺栓。
2011年新建的广东图书馆采用花岗岩石板凹凸不平墙面，形成这非平面幕墙骨架的钢结构，采用焊接。
2010年上海世博会的世博轴上有6个玻璃的阳光谷，为高度41.5m、直径90m~97m的大喇叭花，玻璃幕墙和采光顶总面积达31500m2。采用全焊接方钢管单层网壳结构。三向布置的方钢管杆件30738根，长度1.0m~3.5m，截面高度180mm~550mm;大部分采用焊接箱形6牛腿节点，少量采用实心铸钢6牛腿节点;杆件与节点构件采用全熔透一级焊缝连接。
2010年正在施工的北京凤凰传媒中心是一座面包圈形的钢结构，主要承重结构是梯形截面的钢箱梁，为长达200米的空间双曲线，幕墙钢结构为圆钢管爬梯形双曲空间骨架。幕墙爬梯形钢骨架在工厂预先焊在主结构的梯形截面曲梁上，分段运到工地安装，焊接为整体。
世界最大面积的铜板幕墙—成都博物馆，外形为不规则多晶体，支承结构为全焊接方钢管。
上述如此大型、如此复杂的幕墙钢结构都能采用全焊接，还有什么幕墙钢结构不能焊接呢?
应该说，幕墙的钢横梁和钢立柱可以采用螺栓或螺钉连接;也可以采用焊缝连接;还可以部分节点用螺栓连接，而另外部分节点用焊接。设计者可以根据工程特点和自己的习惯灵活选用。
六、幕墙规范新版本相应条文已经修改
规范是成熟经验的总结，只有在工程中广泛采用、技术成熟的内容才能列入规范的条文。因此，总是先有实践，后有规范。实践已经向前推进了，规范就必须进行修订。
正因为老规范的规定不是为钢结构编制的，许多规定不适用于钢结构。所以修改老的幕墙规范是大势所趋。《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003已经将原规定“横梁应通过角码、螺钉或螺栓与立柱连接”修改为“横梁可通过角码、螺钉或螺栓与立柱连接”，意味着钢横梁与钢立柱“可不”用螺栓连接，可以采用焊接。“应”改为“可”，一字之差为幕墙钢结构采用焊接打开了口子。
JGJ133规范和JGJ102规范的新版本已经进行新的修订。修订后的条文将统一表达为：“钢结构可以采用焊缝连接、螺栓或螺钉连接，也可以部分节点采用焊缝连接、部分节点采用螺栓或螺钉连接。焊缝连接的设计应符合现行国家标准《钢结构设计规范》GB50017和《冷弯薄壁型钢结构设计规范》GB50018的规定;焊接的施工应符合现行行业标准《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81的规定。”
七、小结
1.JGJ133-2001第5.6.6条的规定是针对铝合金型材编制的，是16年前历史的产物，许多针对铝合金结构的规定不能直接套用到钢结构中。
2.焊接是钢结构的基本连接方法，同样也是幕墙钢结构的基本连接方法。幕墙钢结构的设计应遵照《钢结构设计规范》GB50017规定和幕墙规范新版本的规定执行。其连接可以采用螺栓、焊缝或者两者在同一工程中混合使用。
3.已建工程的经验和多次振动台试验结果，以及2008年汶川大地震的考验，都表明了幕墙采用焊接钢结构是没有问题的。
4.目前，许多大型公共建筑和大量的高层建筑的幕墙工程都在采用焊接钢结构。
5.JGJ102和JGJ133的新版本对幕墙钢结构的焊接问题已经做出了明确的规定，设计和施工应按规定执行。
第二部分幕墙钢结构的分段问题
一、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，铝合金骨架采用层层分段的方式来减少温度变化的影响是合理的。
二、分段不是解决温度问题的唯一`方法
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，是不是一定要竖向层层分段，水平三米一段?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。
1.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315N/mm2。在完全固定，不能变形的情况下，温度每变化1oC，钢构件中产生的温度应力为2.4N/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：1.2X10-5/oC
混凝土：1.0X10-5/oC
对杭州东站25m巨柱的温度应力进行过两次实测，幕墙支承钢结构最大温度应力发生于70mm竖向钢管，数值仅为45N/mm2，远小于钢管的强度设计值215N/mm2。
所以，钢筋混凝土结构才有可能应用。幕墙钢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。
铝合金结构则不同，其温度变形远大于混凝土和钢材，连接到主体结构上时，无法变形协调。铝结构连接到钢结构、混凝土结构时，应该适当分段。
韩国首尔仁川机场幕墙就是一个最典型的例子，幕墙玻璃由铝立柱和钢立柱共同支承，钢立柱与主体钢结构直接连接。由于铝材变形远远大于钢材，与钢立柱无法协调，所以铝立柱分段;而钢立柱与主体钢结构变形相同，所以钢立柱不必分段。
三、大量幕墙钢结构不分段
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530m，连续不分缝(图22~图24)。
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32)。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。
四、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。 |
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