試析支撐鋼結(jié)構(gòu)在建筑幕墻中的應(yīng)用

艾軍

【摘要】隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市建筑數(shù)量不斷增加，人們對建筑設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。幕墻設(shè)計(jì)是現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。只有幕墻體系施工良好，才能保證建筑工程的整體施工效果。支承鋼結(jié)構(gòu)不是完全獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，往往與建筑主體的混凝土結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起，設(shè)計(jì)難度較大。本文主要討論支撐鋼結(jié)構(gòu)在建筑幕墻中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】支撐鋼結(jié)構(gòu);建筑幕墻;應(yīng)用

【中圖分類號】TU228

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

1、概述

1.1幕墻的特點(diǎn)

幕墻是高層建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)。它是由面板與支撐結(jié)構(gòu)組合而成的結(jié)構(gòu)體統(tǒng)。幕墻與主體構(gòu)造之間一定的相對位移，同時(shí)不承擔(dān)主體結(jié)構(gòu)的荷載和作用。

1.2目標(biāo)的材料

（1）面板，目前所用的面板主要采用的是玻璃、鋁板和石板。

（2）支撐結(jié)構(gòu)，由于幕墻部應(yīng)用于高層結(jié)構(gòu)，因此對它的支撐結(jié)構(gòu)的抗拉、抗彎、以及對彈性強(qiáng)度的要求也比較高。一般情況下，都是選取鋁合金橫梁和立柱，為了使房屋更加透亮就需要比較好的采光條件，所以通常在首層使用豎向布置的玻璃作為支撐結(jié)構(gòu)的協(xié)助體。

（3）幕墻中的鋼結(jié)構(gòu)，在大跨度和大荷載的情況下，想要滿足對建筑設(shè)計(jì)的承載力就需要足夠大的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，鋼材就是首要選擇。而且鋼材構(gòu)件的建面面積小，不會影響建筑物的美感。所以在高層建筑的幕墻中，都會選擇鋼結(jié)構(gòu)作為幕墻設(shè)計(jì)的支撐[1]。

因?yàn)槟粔Φ某休d力和主體結(jié)構(gòu)以及支撐連接的形式等要求不同，所以在選在鋼材時(shí)要選取合適的鋼材型號。采用的鋼材要符合幕墻設(shè)計(jì)的抗拉強(qiáng)度、伸長率以及屈服強(qiáng)度。一幫情況下，幕墻的鋼結(jié)構(gòu)支撐都是采用碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼以及不銹鋼作為幕墻支撐結(jié)構(gòu)的鋼材。當(dāng)幕墻支撐結(jié)構(gòu)高度超過40m時(shí)，就要選取高耐候鋼作為幕墻支撐結(jié)構(gòu)，并且要在其表面涂刷防腐涂料。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)采用冷彎薄壁鋼時(shí)，要求鋼壁厚度不能小于3.5mm，強(qiáng)度要根據(jù)工程的實(shí)際情況進(jìn)行驗(yàn)算。

2、支撐鋼結(jié)構(gòu)在建筑幕墻中應(yīng)用的常見形式

2.1剛架結(jié)構(gòu)形式

剛架結(jié)構(gòu)形式的支撐鋼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑幕墻中有著非常廣泛的應(yīng)用。剛架結(jié)構(gòu)形式的主要特點(diǎn)是桿件之間采用剛性連接，因此其具有剛度較大、抗變形能力較強(qiáng)的優(yōu)勢。不過，為了使桿件之間具有良好的傳遞彎矩，其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造通常會比較復(fù)雜，對質(zhì)量的要求也較高[2]。

2.2桁架結(jié)構(gòu)形式

桁架結(jié)構(gòu)形式的支撐鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是桿件之間采用鉸進(jìn)行連接，所以也可以將其桿件看作是二力桿，桿件內(nèi)力只有軸力而無彎矩。桁架結(jié)構(gòu)形式的主要優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)比較簡單、參數(shù)計(jì)算方便、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)則在于整體性較差、抗變形能力較弱。

2.3索桿結(jié)構(gòu)形式

索桿結(jié)構(gòu)形式的支撐鋼結(jié)構(gòu)指的是通過張拉在索桿構(gòu)件中施加預(yù)應(yīng)力，以使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生剛度和抗變形能力[3]。由于其中所采用的索桿造型多樣化、構(gòu)件輕盈、通透性好，具有較強(qiáng)的藝術(shù)表現(xiàn)力，因此被廣泛應(yīng)用到了現(xiàn)代建筑幕墻設(shè)計(jì)當(dāng)中。不過，索桿結(jié)構(gòu)形式屬于一種幾何非線性結(jié)構(gòu)，其自身張拉力對剛度的影響較大，因此設(shè)計(jì)和施工難度均較大。

3、支撐鋼結(jié)構(gòu)在建筑幕墻中應(yīng)用的鋼材要求

為保證支撐鋼結(jié)構(gòu)在建筑幕墻中具有足夠的承載能力，在其設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)要充分考慮到建筑主體的結(jié)構(gòu)形式、荷載情況以及連接方式等各種因素，并據(jù)此選擇合適的鋼材。鋼材必須要具備足夠的抗拉強(qiáng)度、伸長率以及屈服強(qiáng)度，并且S、P的含量要達(dá)標(biāo)。部分鋼材還需經(jīng)冷彎試驗(yàn)合格。

3.1碳素結(jié)構(gòu)鋼

建筑幕墻中的支撐鋼結(jié)構(gòu)所采用的碳素結(jié)構(gòu)鋼多為Q235，其需符合《碳素結(jié)構(gòu)鋼》《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》《高耐候結(jié)構(gòu)鋼》《焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼》等中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。在應(yīng)用碳素結(jié)構(gòu)鋼之前，需對鋼材進(jìn)行有效的防腐處理，目前最常用的防腐處理方式是熱浸鍍鋅處理，其需要確保鋅膜符合《金屬覆蓋層鋼鐵制品熱鍍鋅層技術(shù)要求》中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求;還可采用氟碳噴涂方式或聚氨酯噴涂方式，其需要確保涂膜厚度≥35μm或45μm（海濱地區(qū)和空氣污染嚴(yán)重地區(qū)）。在對鋼材進(jìn)行焊接施工時(shí)，需符合《碳鋼焊條》《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》等中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。另外需注意，當(dāng)建筑幕墻中的支撐鋼結(jié)構(gòu)高度>40m時(shí)宜采用高耐候鋼;當(dāng)采用冷彎薄壁型鋼時(shí)其壁厚應(yīng)≥3.5mm。

3.2低合金鋼

低合金鋼是一種添加有最高5%含量的合金元素的鋼材，由于添加了合金元素，所以其強(qiáng)度得以大大提高。建筑幕墻中的支撐鋼結(jié)構(gòu)所采用的低合金鋼多為Q345，其需符合《合金結(jié)構(gòu)鋼》《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》《高耐候結(jié)構(gòu)鋼》《焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼》等中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。在應(yīng)用低合金鋼之前，需對鋼材進(jìn)行有效的防腐處理，處理方法基本與碳素結(jié)構(gòu)鋼相同。在對鋼材進(jìn)行焊接施工時(shí)，需符合《低合金鋼焊條》《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》等中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。同樣需注意，當(dāng)建筑幕墻中的支撐鋼結(jié)構(gòu)高度>40m時(shí)宜采用高耐候鋼;當(dāng)采用冷彎薄壁型鋼時(shí)其壁厚應(yīng)≥3.5mm。

3.3不銹鋼

建筑幕墻中的支撐鋼結(jié)構(gòu)所采用的不銹鋼多為含鎳量≥8%的奧氏體不銹鋼，其需符合《不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》《不銹鋼棒》《冷頂鍛用不銹鋼絲》等中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。在進(jìn)行鋼材性能試驗(yàn)之時(shí)，需符合《金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)萬法》等中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

4、支撐鋼結(jié)構(gòu)在建筑幕墻中應(yīng)用的參數(shù)計(jì)算

4.1強(qiáng)度驗(yàn)算

強(qiáng)度驗(yàn)算指的是對極限承載能力狀態(tài)下的構(gòu)件強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，其在計(jì)算過程中應(yīng)當(dāng)要綜合考慮各種工況和影響因素，設(shè)計(jì)值應(yīng)取最不利值。

4.2變形驗(yàn)算

不同的結(jié)構(gòu)形式具有不同的使用功能，進(jìn)而也有著不同的變形控制值。一般情況下，如果建筑幕墻中的支撐鋼結(jié)構(gòu)所采用的是剛架結(jié)構(gòu)形式或者桁架結(jié)構(gòu)形式，則其在風(fēng)荷載下的撓度限值為自身跨度的1/250;如果是懸挑結(jié)構(gòu)，則其跨度應(yīng)為2倍懸挑長度;如果是張拉結(jié)構(gòu)，則應(yīng)取其自身跨度的1/200。

4.3穩(wěn)定計(jì)算

一般應(yīng)根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》來進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算，其具體可分為兩部分進(jìn)行分析，一部分是整體穩(wěn)定分析，一部分是局部穩(wěn)定分析。如果結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，則還可利用相關(guān)軟件，通過幾何非線性屈曲進(jìn)行分析。

結(jié)語：

總之，隨著現(xiàn)代建筑幕墻體系的不斷更新，不僅提高了建筑質(zhì)量，而且提高了整體設(shè)計(jì)效果，豐富了建筑設(shè)計(jì)的內(nèi)涵。然而，支承鋼結(jié)構(gòu)在建筑幕墻中應(yīng)用較為廣泛，因此有必要把握支承鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

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