浅谈幕墙钢结构

浅谈幕墙钢结构

张荣杰

张荣杰

广州江河幕墙系统工程有限公司

摘要：

幕墙钢结构支撑是幕墙行业最常用的方法之一，比如：采光顶，雨篷，立面钢结构幕墙，索网幕墙。涉及到的结构形式有，网架结构，网壳结构等等。毫无疑问，幕墙钢结构关系后续的施工和建筑的使用，所以必须引起设计方的重视。在本文中，笔者结合自身的工作实际，探讨了当前幕墙钢结构设计中相应技术方法和措施。

关键词：幕墙钢结构；结构设计；问题；对策

幕墙钢结构可以分为：1，平面结构体系，如：梁式体系、框架式体系、拱式体系等；2，空间结构体系，如：网加急网壳结构、悬索结构，膜结构等等。

平面钢架结构作为在幕墙中经常用于幕墙的主要支撑构件，构件以受弯为主。应用较为广泛，主要存在的问题问构件连接出刚性不足和实际计算模型不符。

梁式结构：特点是不产生水平推力（可支撑在墙壁、砖石或者混凝土柱上）而且制作和安装都比较简单。结构形式：1.跨度较小时，可采用实腹式梁（常用工字形式截面）2.跨度在50~70m及更大的时候，采用桁架形式（吊顶与下弦设空隙）桁架外型及腹杆系取决于跨度，屋面形式和吊顶结构桁架高跨比一般为1/8~1/6（注：跨度大于50m是，运输超限）常用梯形桁架；屋面坡度大时，宜用平行弦；吊顶可作弧线型（设拉杆）。

框架结构：特点与梁式相比，框架结构可降低建筑高度，结构上比梁式结构竞价。横向框架布置（跨度大于60是，应增大框架间距，常会导致复杂布置），纵向框架布置（跨度较小时特别有利，可向外悬挑，用于机库等），挡跨度在50~60m时，常用双铰实腹式框架（常用工字型截面）减轻基础负担，结构可外露，横梁高度可取跨度的1/20~1/12设置预应力拉杆减少中弯矩，横梁高度可取跨度的1/40~1/30,当跨度较大是，常用双铰格构是框架，跨度超过100m时，宜采用无铰格构是框架，格构式框架的横梁高跨比宜在跨度1/20~1/12范围选取，格构式框架立柱的宽宜取其横梁的节间长度（卸载效应），折线弓形框架接近于拱形结构的力学性能，常用于高度相对较大（跨度约40~50m，高度约15~20m）的建筑横梁高度和立柱宽度皆在跨度的1/25~1/15范围选取。

拱式结构：拱式结构屋盖受力合理，比梁式结构和框架屋盖结构经济（跨度超过80m是尤为显著），跨度为40~60m时，拱间距可取6~10m，无檩型钢檩条。跨度达100m时，宜采用相距3~6m的拱对，拱对间距为9~15m。拱式结构有；1，双铰拱（最常见，制作安装方便，较经济，温度应力低）；2，无铰拱（最经济，须设强支座，温度应力高）。也可以分为实腹式和格构式。

关于幕墙钢结构的分缝，温度：

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，远远大于钢材的膨胀系数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，线膨胀系数大，以及铝型材自身强度较低的因素决定了铝合金骨

架采用层层分段的方式来减少温度变化的影响是合理的。

二幕墙钢骨架可不分段

幕墙钢骨架可不分段的原因如下：

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：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。

用钢量做为考核钢结构体系是否合理的一个重要指标，在判定钢结构体系是否合理时有重要的参考意义。

1、按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:2002的适用范围规定：

(1)主要承重结构为单跨或多跨实腹门式刚架；

(2)具有轻型屋盖和轻型外墙；

(3)无桥式吊车或有起重量不大于20t的A1～A5（轻中级）工作级桥式吊车或3t悬挂式起重机；（这里对单梁吊车没有限制，这主要因为单梁吊车起重量一般在5t以内，采用进口电动葫芦可以达到10t，如天起的LD型，因此对单梁吊规范未加限制）也就是说具有轻型屋盖（包括吊车起重量20t以内）和轻型外墙（也可以有条件地采用砌体外墙，如《门规》第4.4.3条规定不同的抗震设防地区采取不同的外墙）的单层实腹门式刚架结构，属于轻型钢结构。这里的轻型主要是指围护是用轻质材料，主要构件截面是由中厚度（指6-12mm厚）钢板焊成的H形变截面构件。由此目前的轻钢含义主要是指符合本规定的实腹门式刚架结构。

2、除上述门式刚架结构外，按照主要受力构件的截面组成来区分，还有以下结构形式也应该属于轻钢结构：

（1）由冷弯薄壁型钢做成的结构；

（2）由圆管、方管、矩形管等做成的结构；

（3）由以上各种构件组合做成的结构。

包括国家建设部正在讨论的《低层轻型钢结构装配式住宅技术要求》（讨论稿），表明低层钢结构装配式住宅也包含在轻钢结构范畴内。

3、根据一些参考值：如每平米含钢量（45-50Kg/m2为限值），主要构件截面形式（H形、矩形、圆形等）、钢板厚度（以12mm为限值）、最大构件重量（控制在3t内），最大跨度（一般在36m内），结构形式（如门式刚架或相近结构），厂房的檐高（控制在12m内），结构开间（控制在9m内）等，以上这些数据在判断厂房是否属于轻钢时可以提供帮助。在目前的结构设计中，需要对钢结构的用量，引起足够多重视。幕墙维护结构一般都是轻钢结构,这是因为幕墙一般承受的荷载以风荷载和地震荷载为主，自重荷载比较这些荷载而言相对较小，因此无论从各方面来看，一般的幕墙的围护钢结构均应划归为轻钢结构。

目前常用的钢结构厂房的用钢量如下：

轻钢有吊车一般钢含量在35-40kg/m2;

轻钢无吊车一般钢含量在25-30kg/m2;

重型钢钢结构有吊车一般钢含量在80-100kg/m2;

重型钢钢结构无吊车一般钢含量在60-80kg/m2

4.两个方向跨度较大，支承条件有限，可以考虑网架结构受力形式，一般用钢量能控制在40~60kg/m2，跨度小的情况用钢量会更小些，将近30m的跨度根据以往工程的统计用钢量大约在25kg/m2。

带装饰翼立柱受力性能

装饰翼在幕墙结构中的应用较多，传统计算方法所得带竖向装饰翼立柱的应力远大于其设计强度，与实际工程应用情况不符。通过试验研究和数值模拟可知，不考虑玻璃面板的支撑作用，立柱在侧向荷载作用下的变形结果较大，这是因为单独考虑装饰翼的情形下的结果，忽视了整体板块的效应。实际上带装饰翼的板块在受力时，单元板块可以看做是装饰翼的一个“基础”，而不是现在的只是考虑立柱单独承受装饰翼的荷载。考虑单元板块整

体受力效应后，其变形显著减小；试验结果与有限元分析结果吻合较好。

实际工程中，横梁、立柱和玻璃面板形成了整体刚度较好的框架，装饰翼在侧向荷载作用下，将力传递到整个板块上。

现有的计算方法的考虑为幕墙竖向装饰翼通过螺钉固定在幕墙立柱上，当装饰翼构件受到侧向风荷载作用时，装饰翼本身的受力类似于悬臂构件，同时将风荷载传递到幕墙立柱上，进而将荷载传递给主体结构。传递到幕墙立柱上的力使幕墙立柱承受扭矩和沿截面弱轴方向的弯矩。

带玻璃面板

为充分考虑玻璃在受力中的作用，建立带玻璃面板的立柱有限元分析模型，计算结果可以看到单元体立柱的侧向变形极小，仅为0.14mm；竖向装饰翼的最大侧向变形为8.01mm；二者均远小于不带玻璃面板的有限元分析结果。此时装饰翼相当于固定在一个刚度很大的基础上，单元体幕墙即相当于这个刚度很大的基础，此时装饰翼产生的变形为装饰翼自身的结构变形。由于玻璃面板是通过结构胶与铝合金立柱和横梁连接为整体的，所以有必要分析结构胶的应力，在侧向风荷载作用下结构胶所承受的应力很小，最大应力只有0.02MPa，几乎可以忽略，说明结构胶完全可以将玻璃面板、铝合金立柱和横梁连接为整体，自身的应力水平相对较低。

主要结论

（1）传统计算方法所得立柱应力远大于其设计强度，与实际工程应用情况不符；

（2）不考虑玻璃面板的支撑作用，立柱在侧向荷载作用下的变形结果较大，考虑玻璃面板的支撑作用后，其变形显著减小，可忽略不计；考虑或不考虑玻璃面板的支撑作用，试验结果与有限元数值模拟结果均符合较好；（3）实际工程中，横梁、立柱和玻璃面板形成了一整体刚度较好的框架，装饰翼在侧向荷载作用下，将力传递到整体结构上而非仅传递到铝合金立柱上，进行受力分析时应将整体结构作为竖向装饰翼的固定端，仅分析装饰翼本身的结构强度和装饰翼与立柱的连接强度；在设计中应对装饰翼和立柱的连接部位进行加强。4）由于是单元板块整体受力，立柱型材是否采用闭口形式，对立柱抗扭作用不明显；由于装饰翼扭转引起的立柱和玻璃之间的结构胶应力增加不明显。（5）通过我们大量的工程实践，以及有限元的分析计算，即使对于带大装饰翼的立柱，只闭合立柱前腔即能满足实际工程的需要。目前带装饰翼立柱的设计的主要问题是和立柱连接的连接板经常会出现松动现象。理论依据带竖向装饰翼开腔立柱应用，JH进行了带350mm装饰翼的开腔U100试验，有限元分析和试验验证结合，证明开腔立柱单元体依靠整体刚性来抵抗竖向装饰翼上侧向荷载产生的扭矩和弯矩。设计时，应把主要精力放在装饰翼和立柱的连接上。

钢结构节点（刚接，铰接）

由于幕墙中的钢结构连接节点，一般情况下受力较小，因此节点的刚度不易引起设计者的注意。但对于受力较大的节点，要引起足够的重视。实际工程中已经出现由于节点刚性程度考虑不足导致结构变形和实际理论计算相差较大的情形。本次讲座将以两个工程为实例讲解幕墙中的钢结构节点刚性程度的大小对钢结构的影响。钢结构连接节点的三个主要性能指标，极限抗弯承载力，初始转动刚度，节点极限转动能力。钢架中的节点可以按其刚度分为刚性，半刚性或铰接节点，节点的初始转动刚度是节点刚度分类的主要标准。以门式钢架连接的节点为例进行一些概念上的普及。当幕墙钢结构受到较大的荷载时，需要采取适当的构造措施，保证节点的刚性能达到设计要求。示例一，某工程悬挑雨篷扰动情况下变形过大原因初步分析根据现场情况反应，雨篷安装完成后，据现场工人反应，在摇晃悬挑梁前端时，发现前端变形过大。下图为凯德广场斜雨篷，最大位置的悬挑6300mm左右。一个人在雨篷的最前端用手施加荷载，发现雨篷有比较大的晃动，有30mm左右。而实际理论计算只有不到1mm。由于钢构件结构连接的刚度无法很好保证的问题，即实际计算模型假定为刚接，可能设计节点为铰接。直接会影响到雨篷的刚度进而影响到其震动频率，因此我们将这对不同的钢构件连接情况，进行频率分析。并根据最不利情况的振动模态，进行时程分析。在给定的荷载下（中部两个挑梁前端均施加500N的荷载），挑梁前端最大变形为0.63m，计算与现场实测严重不符。

在指定高强螺栓节点的刚度后，由模型分析结果可见钢结构变形远高于此前分析结果，节点刚度远达不到理想刚接的程度。高强螺栓连接节点的端板在加厚到30mm以后，节点刚度提高，可以有效地减小钢结构变形。计算值与实验值仍然存在20mm的差异，这20mm的差异可能来自于多重原因，PMU试验中，钢结构加工精度不足，螺栓预紧力不足，并存在缺失螺栓的问题。端板连接现场存在肉眼可见的缝隙。在实际施工中要对钢结构加工和施工过程严格把控，确保工程质量。主要原因还是目前的这种连接形式很难达到全刚性的要求，在设计时候需要引起注意，把节点发生转动的情形考虑进去。

结束语：

幕墙钢结构是幕墙行业不方可分割的一部分，应该把幕墙钢结构设计放在首位加以研究。建筑结构时间方面的变化越来越多，也必须高度重视，合理的结构设计不仅对设计者本身提高了信誉、积累了财富，同时也为建设项目节省投资、缩短工期、提高经济效益起着重要的作用。

参考文献：

【1】工程结构设计基本术语标准GBT50083-2014

【2】建筑结构可靠度设计统一标准GB50068-2001

【3】建筑结构荷载规范GB50009-2012

【4】钢结构设计规范GB50017-2003

【5】玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-2003

【5】铝合金结构设计规范GB50429-2007