钢结构在建筑幕墙工程中的应用

陈雯

摘 要：建筑幕墙是建筑物的外围护结构，是当今实现建筑外观不可或缺的装饰手段。目前建筑外观正逐渐向追求新颖、奇特、大气的方向发展，为了保证建筑外观的实现，建筑幕墙的支承钢结构形式及连接也正变得更加复杂。

关键词：钢结构；幕墙；支承体系；

中图分类号： TU391 文献标识码： A

改革开放以后，我国建筑行业获得了极大的发展，幕墙作为现代装饰的一部分在高层建筑中得到了广泛的运用。随着新材料、新工艺、新技术的发展和应用，出现了玻璃幕墙、石材幕墙、复合铝塑板幕墙、不锈钢幕墙。这些特殊材质的出现为幕墙的支承结构提出了高的要求。在幕墙系统中，支承结构是否可行，结构设计是否合理，对幕墙的安全起到决定性的影响。钢结构幕墙因为与建筑主体相联系，其对幕墙的的支持作用更为稳固。随着时代的发展，钢结构在幕墙的设计和运用中显得越来越重要。

一 概述

（一）幕墙的特点。幕墙是高层建筑的外围护结构。它是由面板与支承结构组合而成的结构体统。幕墙与主体构造之间有一定的相对位移，同时不承担主体结构的荷载和作用。

（二）幕墙的材料。

1.面板。目前所用的面板主要采用的是，玻璃、铝板和石板。

2.支承结构。由于幕墙大部应用于高层结构，因此对它的支承结构的抗拉、抗弯、弹性强度要求较高。通常采用的是铝合金横梁和立柱，为了提供较好的采光，一般在首层采用竖向布置的玻璃肋作为支承结构。

3.幕墙中的钢结构。

在大跨度和大荷载的情况下，钢材可以提供足够的抗拉强度和弹性模量，满足设计对承载力的要求。同时由于钢材构件截面尺寸较小，可以满足建筑物的审美要求。因此在高层建筑的幕墙设计中一般采用钢结构做支承。

为了满足幕墙的承载力、主体结构、支承连接的形式等要求，需要选用适合钢材型号。选用的钢材要达到设计的抗拉强度、伸长率、屈服强度。幕墙的钢结构支承常用的钢材为碳素结构钢、低合金钢以及不锈钢当幕墙支承钢结构高度超过40m时，钢构件宜采用高耐候钢，并应在其表面涂刷防腐涂料。钢构件采用冷弯薄壁型钢时，其壁厚不得小于3.5mm，强度应按实际工程验算。

（三）幕墙支承钢结构的形式

幕墙支承钢结构及其连接的形式千变万化，从力学角度考虑，大致可以分为以下几种——刚架、桁架、索杆结构或者由这三种形式组合而成的复合形式，简介如下：

（1）刚架结构。刚架结构中杆件之间采用刚接，因此结构整体刚度大，抵抗变形能力强，在幕墙中得到很广泛的应用。但是为了保证杆件之间能够很好的传递弯矩，通常节点构造比较复杂，且质量要求较高。

（2）桁架结构 。桁架结构中杆件之间采用铰接，因此杆件为二力杆，杆件内力仅为轴力，不产生弯矩，其节点构造容易实现。优点是在结构形式比较简单时，结构采用手算即可，比较方便。缺点是整体性不如刚架结构，抵抗变形性能不是太好。 （3）张拉索杆。张拉索杆体系在运用中必须要施加预应力。张拉杆索体系为支承体系的点支承幕墙，张拉杆索体系应在两个正交方向都形成稳定结构，因为拉杆和拉索是只承受拉力、不能承受压力的。只有在施加预应力后，才能形成形状不变的受力体系。幕墙支承结构中索杆体系的刚度来自截面刚度和拉索预拉力影响两部分，拉索的预 拉力会导致结构的变形，结构变形反过来会导致拉索中预拉力的损失。

二 幕墙支承钢结构的应用

（一）钢管梁、柱和拱。钢管梁、柱多用于低层建筑。层高较大时也可设置水平钢管梁拉结。在顶层可以采用拱的形式满足光照要求。

（二）桁架、网架。在很多高层建筑的中庭往往采用水平布置的桁架。也有采用带斜杆或取消斜杆的桁架。有时，为了达到审美要求，在节点处采用直接焊接的管接头，不设置节点板。网架一般采用无缝钢管杆件和螺栓球节点。桁架两端采用铰支承。深圳机场的航站楼即采用钢管直接汇交节点空间的桁架结构。站楼总高25m, 下层7m, 上层18m。主要立面采用点支幕墙, 下层用单杆支承, 上层用鱼腹式钢

管桁架支承, 幕墙面积18000㎡。航站楼二层采用18m鱼腹式钢管桁架, 弓形下弦朝向室内, 腹杆呈三角形分布。桁架间距为614m, 设置纵向钢管梁作为平面外支承和安装玻璃。

（三）张拉索杆体系。张拉索杆体系由带有预应力的拉索和拉杆组成。张拉索杆体系的拉力主要有主体结构进行承受。由侧边张拉杆索和中央受拉杆组成的自平衡体系，其拉索和拉杆的预应力是由压杆承受，不施加到主体结构上。目前，这种方式应用的范围较广。2010年世博主题馆入口采用的是点支式玻璃幕墙钢结构，所用的支持结构就是张拉索杆体系。

（四）单层索网。在刚性的边框构件中间张拉双向布置的高绞线形成单层索网，一般用于玻璃幕墙的支承模式。它的优点在于遮挡少，光照充足，视觉效果好。单层索网施工难度大，对设计要求很高，必须在高拉力、大挠度的状态下工作。例如，天津泰达市民文化中心采用的就是这种方式。建筑的幕墙部分由玻璃幕墙和钢结构构成，形成一个巨大的金字塔，高度为135m。金字塔的玻璃幕墙支承结构由双管平面桁架构成，分割成锥面图形，形成9.6m9.6m的锚定体系。北京新保利大厦也采用的是单层索网支承结构。工程东北面采用90 m68m的单层双向柔索玻璃幕墙。这样的设计理念在国内还属首次。

随着社会经济的发展和人口的不断增长，城市用地日趋紧张，迫使房屋建筑向高空及地下发展，高层建筑成为现代化城市的时代特征，幕墙装饰也随之迅猛发展。中国建筑造型艺术的革命促使中国幕墙技术迅猛发展起来，越来越多的建筑物采用钢结构作为支承体系。一般来说，建筑外立面要求越复杂的建筑物采用钢结构幕墙施工的难度越大。但是随着经济的发展，以及新工艺、新器械的使用，使大面积幕墙施工速度大幅度提高，施工效果越来越好。

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