幕墙设计中的一些问题：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2014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JGJ133-2001。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：•是不是一定要竖向层层分段，水平三米一段？•回答：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。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两种处理方法的例子•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13.2米）；用许多温度缝分开的厂房；带活动接头的管道；•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1000米，甚至几百公里无缝隙）；大量焊接钢结构建筑；结构钢有能力承受温度应力•Q235强度设计值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1度，钢构件中产生的温度应力为：•2.4N/mm2•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。铝的膨胀系数为混凝土的三倍温度变形相差悬殊，每层留伸缩缝是合理的•钢材和混凝土的膨胀系数相近•钢材：1.2X10-5/C•混凝土：1.0X10-5/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、钢幕墙结构和混凝土主体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•断不断，怎么断，由设计者决定•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。第二个问题：幕墙钢结构可以焊接吗？回答：完全可以。GB50017是幕墙钢结构设计的基本依据•《钢结构设计规范》GB50017是钢结构设计的依据，当然也是幕墙钢结构设计的依据。•幕墙钢结构是钢结构的一部分，既然钢结构可以焊接，那为什么加上“幕墙”两个字，就不能焊接呢？GB50017•幕墙钢结构属于钢结构，所以其设计依据是《钢结构设计规范》。•幕墙规范的修订也应符合GB50017。JGJ133-2001规定铝型材不用焊接，是因为当时技术水平不高•JGJ133-2001是对铝合金结构编制的，但5.6.6条关于铝梁、柱只用螺接的规定仅仅反映了当时的技术水平—铝型材现场焊接有困难。•现行《铝合金结构设计规范》GB50429-2007明确铝合金建筑结构可以焊接，并给出了焊接的相应规定。幕墙铝型材设计应符合GB50429的规定GB50429规定了对铝合金焊接的要求•既然规定了铝型材都可以焊接，钢结构本来就名正言顺可以采接，幕墙的钢横梁、钢立柱当然可以焊接。一、焊接是钢结构的基本连接方式•二、JGJ133-2001是上一个世纪的历史产物•5.6.6条是针对铝型材规定的•编写5.6.6条的时候，幕墙还没有采用钢型材做梁柱，全用铝合金型材。所以自然认为梁柱连接就必须用螺栓。因为在90年代现场进行铝的焊接还很困难，螺栓是传递大的内力的唯一手段。•当时谁也没有预计到21世纪钢结构会大量进入幕墙中。与时俱进，JGJ102—2003已经修改•2000年以后，大型公共建筑大量兴建，钢结构在幕墙中广泛应用。原规范已不适应钢结构的要求，矛盾日益显著。•2001年修订JGJ102-96时，已经在规范中对钢结构作出规定。其中就包括钢梁柱连接可以焊接的规定。•1996年编制的JGJ133-2001：•（铝型材）要用螺栓连接。•2001年修订的JGJ102-2003：•（铝型材）可以用螺栓连接（也可以不用，改用焊接）；（钢型材）可不用螺栓连接，可以用焊接。133规范修订，5.6.6条已经修改•目前，133规范修订进入送审阶段。修订后明确规定钢横梁与钢立柱可以采用焊接。•按照规范执行中，“同一问题的规定，以最新规定执行”的从新原则，在新的133规范颁布前，可按102规范中钢结构可以焊接的规定执行。JGJ133《送审稿》•实际上，从90年代开始，幕墙已经采用焊接钢结构。广东公安指挥中心一九九六年建成全部钢骨架焊接••石材幕墙焊接钢骨架三、实践表明幕墙钢结构焊接没有任何问题•焊接钢结构有优良的抗震性能•幕墙的振动台抗震试验有意采用焊接钢骨架，使得振动的侧向位移能达到1/60~1/50，这样大的位移已远远超出建筑物在大地震下的可能位移。所有地震试验表明：在9度~10度地震下，产生如此大的位移，焊接钢骨架完好，具有良好的抗震性能。•焊接钢骨架完全可以在幕墙中使用。石材幕墙振动台试验侧移达1/50•幕墙焊接钢骨架早在133规范颁布之前就已经使用，至今近20年，经历了强台风和大地震的考验•我国的幕墙工程从1993年至今，钢横梁与钢立柱、钢角码与连接钢板的焊接已经用了十多年，效果良好。许多工程还经历了大地震或多次强台风的考验。•工程实践证明钢骨架采用焊接是很好的连接方式。九十年代末的焊接大争论•1998年前后，成都市许多幕墙采用了钢横梁和钢立柱，而且采用焊接。这些已建成的幕墙，拆还是不拆，引起激烈的争论。最后还争到了北京，在会议上双方都拍了桌子。•在搞钢结构的技术人员的支持下，这些幕墙幸存了下来。•它们静静地度过了十年，谁都没有预计会有2008年5月12日……•谁也没有料到十年后，2008年5月12日它们经受了大地震的考验，用事实回答了钢结构能不能焊接的大争论。汶川大地震幕墙经受了考验•地震区规定的设防烈度为6、7度。•地震中，幕墙工程在烈度7、8、9度下，不管螺栓还是焊接，只要主体结构在，幕墙就在，而且完好。•九十年代幸存下来的焊接钢结构幕墙经受了这次大地震的考验，客观事实证明了幕墙完全可以采用焊接钢结构。•绵阳(9度)•石材幕墙完好•焊接钢结构不但抗震，而且抗风•从九十年代至今,沿海地区的建筑幕墙许多采用焊接钢结构,虽经多次强台风袭击,从未因骨架焊接而出现安全问题.实践表明:钢横梁与立柱焊接完全可以满足幕墙抗风要求.•采用焊接钢结构的幕墙，经受了台风和地震的实际考验。•实践是检验真理的唯一标准，所以现行规范就要修改补充。四、现在大量幕墙钢结构采用焊接•世博会阳光谷•世博会的中轴线长1000米，宽110米，称为世博轴。•世博轴上有六个朝天玻璃大喇叭，直径80~96米，高42米，叫阳光谷。•这些巨型玻璃幕墙的支架，是全焊接方钢管结构。阳光谷•6个阳光谷是倒喇叭形玻璃采光顶，最大直径96米，高41.5米。•单层网壳钢结构。方钢管，三向布置，三角形网格。焊接节点。•阳光谷玻璃幕墙支承钢结构采用全焊接方钢管单层网壳•幕墙钢结构螺接可以用、焊接也没有问题。•理论和工程实践都证明了，幕墙钢结构可以采用螺栓连接，也可以采用焊接。设计人员可根据工程的情况和自己的工艺习惯选用。也可以螺接和焊接混合使用。天津中船重工146米花岗岩•钢横梁与钢立柱一端焊接，一端螺接。广东图书馆新馆凹凸石材幕墙焊接钢骨架•我们可以列举很多工程实例，说明幕墙钢结构采用焊接是安全可靠的。•可是，谁有能举出哪怕一个例子，说明仅仅是由于采用了焊接，幕墙钢结构就出了安全问题呢？•没有，没有一个工程是由于没有采用螺栓连接，钢结构就出问题的。实践是检验真理的唯一标准•从1996年幕墙钢结构开始采用焊接，到今天已经过去了16年。16年的实践告诉我们，幕墙钢结构采用焊接连接是没有问题的。客观实践已经得出了结论•幕墙钢结构如同其他钢结构一样，可以采用螺栓连接，也可以采用焊接，还可以两者混合使用。•世界是多样的，解决问题的方法也应该是多样的。一定要保证现场焊接的施工质量•焊接施工应符合现行标准JGJ81的规定。•焊工必须持证上岗。•焊缝应均匀饱满，不得断开、漏焊。不应有气泡、夹渣、裂缝。•做好焊缝防锈。•做好防火措施。•上下柱并不是必须连接•上下柱之间并不是非连接不可，连接与否、连接方式完全取决于设计考虑和采用的计算简图。•通常采用多跨铰接梁的计算模式，上下柱之间是铰接点，要保证上下位移一致，可传递剪力，应连接。•如果设计按简支考虑，按简支梁计算，则可以不连接，只须留出间隙。•实体墙上的幕墙可以按分段设置横梁和立柱，各自单独计算，各自单独受力，这时各段之间也可不连。按铰接多跨梁设计，上下柱应连接按单跨简支梁设计，上下柱可不连接•按简支梁设计，上下柱不连接按分层简支梁设计的立柱，上下不连接按多跨铰接梁设计的立柱，用铝横梁作外部连接；附加4X40mm铝排也起连接作用芯柱连接主要用于铝型材•JGJ133-2001中关于型材用芯柱连接的规定是针对铝型材的。该规范是在1996~2000年间编制的，当时幕墙基本上只用铝型材，一般不考虑用钢型材。•铝型材开模方便，又是高精度和超高精度产品，可以做到紧密滑动配合。因此用芯柱是恰当的。•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。新问题要有新办法•对钢型材还照搬老规定，还硬要按JGJ133-2001的规定执行，必定要出问题。•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。•修订后的新JGJ133将采用上述规定。JGJ102-2003已经修改•6.3.3…..开口型材上柱与下柱之间可采用等强型材