一种大型铝合金窗新型的设计结构与工程应用

易 斌 沈新福

规划设计 Planning and design

一种大型铝合金窗新型的设计结构与工程应用

易 斌1沈新福2

（1.中铁25局集团第六工程公司，广西 柳州 545000；2.柳州铁道职业技术学院，广西 柳州 545000）

针对大型铝合金窗施工，采用型钢与铝合金型材组合的方法提高其强度，既满足荷载要求和建筑设计要求，也经济可行，建筑外立面装饰效果佳。通过结构原理分析、计算及验算，并运用到实际工程中，同时把握好施工技术要点，取得良好工程效果。

钢铝组合法；构造设计；结构计算；技术要点

0 引言

在某沿海地区火车站站房建筑施工中，设计图要求候车厅铝合金窗单樘尺寸达到了9000mmX7050mm，施工总面积约1200m2。由于该地区为多台风沿海城市，当地基本风压值高达0.7KN/m2，且窗体高度较大。若采用传统90系列铝合金窗型材进行制作安装，则不能满足受力要求。若采用铝合金幕墙型材施工，则大大增加了工程造价。

为此，施工方与建设单位和设计院共同商议，提出了一种大型铝合金窗加固方法。即采用型钢与铝合金型材组合的方法，既满足荷载要求和建筑设计要求，又经济可行，且完成后的建筑外立面效果也好。也可以称之为“新型钢铝组合法”。

正文

那么，这种新型组合方式是怎样一种构造呢？其设计思路，来源于综合两种材料及截面构造的优点，发挥各自特长，利用钢结构骨架的刚度较大、铝合金型材的装饰性较好的特性，组成一种独特的大型铝合金窗结构形式。

1 构造设计

1.1 构造概况

骨架结构采用14#工字钢及40X40X5mm角钢制作，外边包饰铝合金型材，即：方管料100X100X1.2mm。在此基础上，再按照常规方法安装90系列铝合金窗。详见图1。

Figure 1：Facade window frame diagram

1.2 设计立柱

本设计方案中，主要构件为类似幕墙的立柱。采用14#工字钢制作，结构按照下端固定、上端铰支的形式，使其具有一定的自由度，能够适应温度及外界环境变化而引起的变形。详见图2。

Figure 2：A-A Column section

1.3 设计横梁

本设计的水平方向结构构件，为类似幕墙的横柱。采用40X40X5mm角钢及50X10mm扁钢拼接而成，按简支梁构件进行计算。详见图3。

Figure 3：B-B The beam profile

1.4 设计节点

全窗的上节点设计为滑动铰支结构。先用10mm厚钢板夹住窗上混凝土梁，再用125X125X8mm角钢与工字钢用不锈钢螺栓连接，工字钢及角钢均铣长孔槽。

全窗的下节点及左右两侧横梁端部节点，均设计为固定支座结构形式，采用10mm厚预埋钢板及125X125X8mm角钢焊接，将工字钢及拼接横梁固定。详见图4。

Figure 4：Post up and down nodes

2 结构计算

可按照图1中abcd四点，选取一个计算单元，包括一根立柱及三根横梁，计算面积为7.05mmX1.8mm=12.69mm2。具体计算过程如下：

2.1 荷载计算

根据《建筑结构荷载规范》，风荷载标准公式为：

2.1.1风荷载标准值

Wk=δzxμsxμzxW0

其中，δz——阵风风压系数，按规范取2.25

μs——风荷载体型系数，按建筑物设计为竖直幕墙，取1.5

μz——风压高度变化系数，按建筑物高度21m，取0.9

W0——基本风压值，按建筑物所处地区（以沿海城市为例），查表取0.70kn/m2

代入上式，则Wk=1.1X1.5X0.9X0.7=1.04 KN/m2

所以，风荷载设计值W=1.4X1.04=1.46KN/m2

2.1.2工字钢立柱所受竖向荷载G、弯矩M

（1）竖向荷载G=G玻+ G铝+ G钢+ G梁

其中，玻璃重量G玻=比重25.6kg/m3X厚度0.006mX7.05mX1.8m=1.95 kg

铝材重量G铝=单位重量9.5kg/m3X7.05mX1.8m= 120.6 kg

14#工字钢重量G钢=单位重量16kg/m3X7.05m= 112.8 kg

横梁重量G梁=单位重量2X2.977 kg/m3X1.8m X3=32.2 kg

（2）弯矩M

14#工字钢截面特性，查表得：

净面积A0=21.5cm2，Ix=712 cm4，Wx=102 cm3，i0=5.76 cm

代入上式，则G=1.95+112.8+32.2+120.6=267.5 kg=2.67KN

2.1.3立柱所受均布风荷载Q=WxB

其中，W——风压设计值,计算得1.46KN/m2

B——铝合金窗分格宽度1.8m

代入上式，则Q=1.46 KN/m2X1.8m=2.63KN

按荷载规范中的简支梁均布荷载弯矩公式计算，则立柱所受弯矩M=QxL2x1/8

代入数据，则M=2.63KNx7.05mx1/8=16.34KN.m

2.2 结构验算

2.2.1立柱所受压应力计算

按两端铰支座计算。见图5。

Figure 5：The stress analysis diagram and Bending moment diagram

则有压应力公式σ=G/ΦX A0+M/ Wx

其中，G——竖向荷载，已计算得2.67KN=2670N

Φ——轴心受压稳定系数，查表得0.146

A0——立柱净截面积，查表得21.5cm2=2150 mm2

Wx——X方向（即竖直方向）净截面抵抗矩，查表得102cm3

代入上式，

则σ=2670/0.146X2150+16340000/120000=168.7 N/ mm2＜183 N/ mm2

即A3钢允许设计强度值(查结构设计规范)

故立柱强度验算合格。

2.2.2立柱挠度验算

按建筑荷载规范挠度公式（两端绞支），则U=5/384xQxL2/ExIx

其中，

L——立柱长度，取7.05m

Q——立柱受均布荷载，由WXB=1.04X1.8=1.87KN/m

E——A3钢的弹性模量，查钢结构荷载规范，取2.06x105

Ix——竖直方向惯性矩，查钢结构荷载规范，取712x104mm4

代入上式， U=5/384x1.87x106x7050x7050/2.06x105x712x104=41mm

则U/L=41/7050=0.0058

参照玻璃幕墙技术规范JGT102-96，可取允许挠度值U0=1/8=0.0056

考虑到铝合金型材及零星角钢的组合作用因素，可以认为挠度满足要求。

2.2.3立柱整体稳定性验算

按钢结构荷载规范公式，立柱应力σ=G/A≤ΦXf

其中，

G——竖向荷载，已计算得2.67KN=2670N

A——工字钢截面积，已查表得21.5cm2

f——工字钢设计强度值，已查表得215 N/mm2

Φ——按钢结构荷载规范，长细比λ=L/I,则竖直方向长细比λ= Lx/ I=705/5.76=122,查表得Φ=0.416

代入上式，Φxf=0.416x215=89.44 N/mm2

立柱应力σ= G/A=2670/2150=1.24 N/mm2＜89.44 N/mm2

则稳定性验算合格。

2.2.4玻璃挤压应力计算

按玻璃幕墙技术规范JGT102-96公式计算：

挤压应力δt1=E[αx△T-(2C-dc)/b]

其中，

E——玻璃弹性模量，查表取0.72x105

α——线膨胀系数，查表取1.0x10-5

△T——年温度变化系数，按幕墙规范取80oC

C——玻璃边缘与边框间的空隙，取2.5 mm

dc——施工误差，可取3mm

b——玻璃长边尺寸，取1.8m

代入上式，经计算得负值(计算式略)，则表示玻璃无温度挤压应力存在。

2.2.5玻璃强度验算

取玻璃计算尺寸为1.8mx1.76m。

按玻璃幕墙规范，风荷载作用下的应力δwk=6xΦxWxa/t2

其中，

Φ——弯曲系数，按边长比a/b=1.76m/1.8m=0.977,查表取0.065

W——风荷载计算值，已计算得1.46KN/m2

a——玻璃短边长，取1.76m

t——玻璃厚度，取6mm

代入上式，δwk=6x0.065x0.00146x1.76x1.76/6x6=48.99N/mm2＜84 N/mm2

此数值即玻璃设计强度值(玻璃幕墙规范查得)

3 施工技术要点

通过以上计算，验证了此加固方法的理论正确。在构造设计中，所涉及材料及施工工艺均成熟可靠，保证了此加固方法的施工可行性。

在此基础上，为了保证施工质量，采取以下技术措施：

3.1 型钢安装工艺措施

除了按照钢结构施工规范要求外，重点在于严格控制各构件的加工和安装精度，参照机械加工精度要求工人完成相关施工任务。注意焊接工艺，采用点焊成形，然后对称焊接，最大限度保证钢骨架不翘曲且变形在允许范围内。严格按照钢结构施工验收规范验收。

3.2 铝合金安装工艺措施

外包铝合金方管锯割成槽形，再将铝材与角钢铆接，具体要求参照机械加工精度有关要求，保证铝合金型材外包饰准确。骨架内的铝合金安装工艺按照铝合金门窗安装规范要求执行。

3.3 玻璃安装措施

由于玻璃设计尺寸较大，因此吊装难度也较高，玻璃采用捆绑法吊装，保证了施工安全。施工过程中，应在玻璃槽口内，垫相应尺寸的橡胶条，并将玻璃四周进行倒角磨边处理，防止玻璃产生局部集中应力导致开裂破坏。

3.4 密封胶技术措施

密封胶采用优质耐候硅酮胶，严格按照玻璃幕墙技术规范要求进行注胶施工，保证注胶宽度和厚度，且不得有漏胶或者少胶现象。施工前，由具备专业资质的机构进行兼容性试验和耐久性试验，并出具试验报告。

3.5 金属防腐措施

作为大型公共建筑，这些大型铝合金窗必须保证结构耐用可靠。因此，作为重要的结构钢骨架，必须进行有效的防腐处理。采用一种具有屏蔽防腐与阴极防腐双重保护功能的新防护材料，可以在一般条件下进行涂覆，同时获得像油漆般的屏蔽防腐和镀锌般的阴极防腐，又被称为冷镀锌。这类涂料涂覆在钢铁表面后，介质渗透涂层接触到金属表面下就会形成膜下的电化学腐蚀。

4 结束语

此技术在实际工程已应用并竣工多年，经受了当地高温多雨的严酷考验和多次台风袭击的抗击，均安然无恙，证明了该技术的可靠性与耐久性，同时也节约了工程投资，是一种值得在大型公共建筑中推广的铝合金窗加固施工技术。

[1]冶金工业部主编，《钢结构设计规范》GBJ17-88，北京，中国计划出版社出版，1989.7.1

[2]住房和城乡建设部主编，《建筑结构荷载规范》GB5009-2012，北京，中国建筑工业出版社，2012.10.1

[3]广东省建设厅主编，《铝合金门窗工程设计、施工及验收规范》DBJ15-30-2002，广东， 2002.10.18

[4]住房和城乡建设部主编，《铝合金门窗工程技术规范》JGJ214-2010，北京，中国建筑工业出版社，2010.7.20

[5]王海，铝合金门窗的结构与设计计算，《工业建筑》ISSN:1000-8993，1983年第3期上,1983

[6]夏仁宝，浅谈当前建筑铝合金窗设计,施工中存在的一些问题，《浙江建筑》1998年第2期，1998

易斌（1967.11- ），男，汉族，江苏常州人，本科，教授级高级工程师，中铁25局集团第六工程公司，研究方向：建筑结构与安装技术。

沈新福（1975.11- ），男，汉族，广西全州人，在职研究生，高级工程师、二级建筑师， 研究方向：建筑设计。

TU7

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1007-6344（2021）01-0295-03