单元式幕墙外装饰条施工技术创新探究

2021-10-15张心彬

建筑施工 2021年5期

张心彬

上海金冠幕墙股份有限公司上海 201104

建筑立面采用玻璃幕墙作外围护结构并配以铝板装饰条的形式越来越多。同时，单元式幕墙由于其施工方便、节能环保的特点，近年来得到了迅速推广。目前，单元式幕墙外装饰条施工时大量采用焊接形式。卢星存等[1]研究表明，虽然幕墙连接件焊接残余应力不会影响整体结构的应力分布、刚度和承载力，但在焊缝周围60 mm范围内，残余应力最大值接近材料的屈服强度。沈隽等[2]在对单元板连接的大型外装饰条所产生的侧向荷载及弯矩进行计算时，得出焊接产生的焊缝会对幕墙系统产生较大影响的结论，并认为采用焊接形式时焊缝需保证结构要求。祝伟等[3]认为幕墙施工中的焊缝应饱满平滑，不得有夹渣、裂纹。范晶[4]在工程实践中得出结论：除非为呈现特定的外观效果，幕墙工程施工时应尽量减少焊缝数量和焊缝长度，以提高工程质量。郑春等[5]在某幕墙工程装饰条施工要点中指出，钢方管及角钢进行焊接时要考虑焊接偏差，避免累积，以确保装饰线条尺寸准确。

基于大装饰条在安装施工中的难点，设计团队开发出一种新型的第二支点安装系统。该系统采用全螺栓连接，三维可调，可有效消除安全隐患，安装效果可靠，且提升了结构偏差吸收能力，从而减少了成品损坏现象。该系统在上海某超高层建筑外装饰条施工过程中得到成功应用，解决了由于装饰条巨大、操作空间狭小、风压大等导致的焊接难度大、返工率高、周期长等技术难题。

1 幕墙结构第二支点安装系统研究

1.1 现行第二支点安装系统

现行大装饰条第二支点安装方式都是将转接件通过焊接直接安装在主结构上[6]，现有技术单元体第二支点安装竖剖、横剖节点如图1所示。

图1 现有技术竖剖、横剖节点

该技术存在以下几点不足：

1）现场大量采用焊接，焊接质量较难控制。

2）焊接时操作空间狭小，且为仰焊，对工人技术水平要求较高，焊接质量很难把控；装饰条外挑较长，侧向受力较大，存在较大的安全隐患，且不利于成品保护。

3）现场大量采用焊接，安装间隙较小，极易烫伤已安装的铝材及玻璃，造成不可修复的破坏。

4）安装精度要求较高。焊接完成后左右无法调节，因此对钢件定位要求较高。

5）在工程施工过程中，易出现诸多问题，直接导致施工周期延长，影响工程进度。

1.2 新型第二支点安装系统

根据工程特点创新研发了第二支点安装系统（图2），其通过在结构钢梁外侧面焊接固定平板。该平板设有竖向的通槽，通槽面向结构钢梁的侧面焊接有哈芬槽，使其开口与通槽对正，哈芬槽内设有能滑动的T形螺栓。平板外侧面设有水平的连接横梁，该连接横梁两侧面与平板通过L形的转接件固定连接。转接件的2个侧面相互垂直，第一侧面通过T形螺栓与平板固定连接，第二侧面通过固定螺栓与连接横梁固定连接，两垂直侧面端部设有三角形加强肋。

图2 创新技术三维

为便于三维调节，第一侧面设有横向的第一长孔，T形螺栓位于该第一长孔内。连接横梁设有竖向的第二长孔，第二侧面设有横向的第三长孔，固定螺栓分别穿过该第二长孔和第三长孔。为在调节后能够牢靠地固定位置，第一长孔和第三长孔周圈均设有竖向的锯齿，T形螺栓末端和固定螺栓末端均设有带竖向锯齿的垫片。该创新技术的竖剖、横剖节点如图3所示。

图3 创新技术竖剖、横剖节点

由于哈芬槽（图4）与平板结合设计并预制在主体钢结构上，且均布横梁左右两侧，因此能承受较大的侧向荷载。竖向哈芬槽与T形螺栓的齿牙咬合关系可以实现螺栓的上下调节，同时避免竖向滑动。转接件采用双向拉齿，可实现左右、前后调节，进而达到三维可调的目的。同时，哈芬槽与平板预制在钢结构上可对钢结构本身起到局部加强的作用，满足了幕墙结构受力及连接要求。此外，哈芬槽还具有防侧移功能，可实现临时定位功能，使螺栓在未拧紧的情况下，仍可实现定位。超高层建筑大装饰条悬挑长，外挑达1 000 mm，第二支点的连接处侧向风荷载大，标准值为5.23 kPa。为能够承受较大风压，转接件采用钢材质，同时在侧向增加2块肋板，以加强抗弯性能。

图4 创新技术哈芬槽（紫色）

当现场安装单元体时，可在安装单元体前，就将第二支点的钢转接件进行临时安装定位。单元体安装就位后，由于第二支点三维可调，使得安装较为方便。在大型装饰条的安装中，为保证整体装饰条的结构强度，现有施工技术一般是在与主体结构连接部位采用全部焊接的工艺，但焊接时的高温极易将安装完成的铝材及玻璃烫伤，造成不可修复的破坏。因此，在焊接空间狭小的不利条件下，创新的第二支点安装系统相较于现有施工技术而言，由于全部采用螺栓连接，故能够避免现场的大量焊接工作，大大提高了现场施工的安全性，改善了施工条件。同时，新型第二支点安装系统的三维可调功能可有效地控制安装质量，消除安全隐患，提升吸收结构偏差的能力，减少对成品的破坏。

2 工程实施案例

2.1 背景介绍

上海前滩中心办公楼项目建筑高度280 m，共55层，幕墙总面积约55 000 m2。在55层屋顶层，层高4.5 m，幕墙面积8 000 m2，玻璃单元1 152樘，每层144樘，装饰条2 500延米，层间设100 mm厚防火岩棉。主要幕墙系统为单元式幕墙与屋顶层异形铝板装饰条（框架）系统，结构支撑形式为单跨支点承载。幕墙形式为横明竖隐单元式玻璃幕墙，外挑竖向遮阳装饰线条，装饰线条为异形装饰条（图5）。

图5 55层屋顶层异形装饰条

2.2 现场施工方法

异形铝板装饰条龙骨固定的第二支座需要现场焊接，在如此狭小的层间位置进行焊接施工，难度很高，且很容易烫坏已安装好的单元体板块，存在较大的施工难度和安全隐患。

新型第二支点连接系统的安装方法为：在建筑主体上预留安装横向的工字形结构钢梁，在该结构钢梁内侧对称安装2个带有竖向哈芬槽的平板，并将该哈芬槽内的T形螺栓通过该平板的竖向通槽伸出，将L形转接件的第一侧面通过T形螺栓与平板固定连接，再将用于连接装饰条的连接横梁的两侧面分别与2个连接件的第二侧面通过固定螺栓连接。在施工过程中，单元挂接后只需穿螺栓即可，避免了此位置的现场焊接工作，如图6所示。

图6 新型连接技术应用

2.3 强度校核分析

该建筑结构形式为框架核心筒结构，建筑高度279.85 m，地面粗糙度类型为C类，抗震设防烈度为7度，主体结构设计使用年限50年，基本风压0.55 kPa，基本雪压0.20 kPa。计算软件采用PTC_Mathcad_15.0_M045_CHS。连接螺栓为3-M16不锈钢螺栓A2-70，支座钢埋板设计采用Q345钢板，考虑到扭矩作用，将其等效为水平作用力，支座连接设计采用3-M20的8.8级T形螺栓。

螺栓校核：转接件与钢梁连接螺栓设计采用两列3-M16不锈钢A2-70，此处螺栓主要承受扭剪作用。经计算，单个螺栓承受剪力39.882 kN，螺栓抗剪设计承载力为41.605 kN，应力比为0.959，因此螺栓剪力校核满足要求；单个螺栓承受Y轴拉力74.844 kN，单个螺栓承受X轴剪力4.217 kN ，螺栓抗拉设计承载力为98 kN，应力比为0.766，因此单个螺栓的拉、剪复合验算满足要求。

2.4 试验检测分析

对安装完成的单元体试件进行物理性能检测，选取板块中某一根外装饰条，长度约4 500 mm，宽度约1 000 mm，进行风墙模拟测试以及耐撞击测试（图7、图8）。

图7 风墙模拟测试

图8 耐撞击测试

风墙模拟测试中的风墙高度约4 500 mm，宽度约1 200 mm，风墙模拟风速为40 m/s，外装饰条侧面承受风压作用，风口距试样约2.5 m，持续时间为15 min。测试结果显示，外装饰条无永久变形，无任何损坏，无异响，满足要求。

装饰条耐撞击测试按室外3级标准，撞击物体是总质量为（50±0.1） kg的软体重物，由2个轮胎、2个重块和其他连接件组成，轮胎内压力为（0.35±0.02） MPa。室外侧的最大撞击降落高度按700、1 100、1 800 mm逐级增加，最大撞击能量800 N·m，观察并记录试件的状况并测试试件的残余变形。试验结果显示，撞击力消失后，样品未发生永久变形，撞击力未导致样品零部件脱落，满足要求。