一種大型鋁合金窗新型的設(shè)計結(jié)構(gòu)與工程應(yīng)用

易 斌 沈新福

規(guī)劃設(shè)計 Planning and design

一種大型鋁合金窗新型的設(shè)計結(jié)構(gòu)與工程應(yīng)用

易 斌1沈新福2

（1.中鐵25局集團(tuán)第六工程公司，廣西 柳州 545000；2.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545000）

針對大型鋁合金窗施工，采用型鋼與鋁合金型材組合的方法提高其強(qiáng)度，既滿足荷載要求和建筑設(shè)計要求，也經(jīng)濟(jì)可行，建筑外立面裝飾效果佳。通過結(jié)構(gòu)原理分析、計算及驗(yàn)算，并運(yùn)用到實(shí)際工程中，同時把握好施工技術(shù)要點(diǎn)，取得良好工程效果。

鋼鋁組合法；構(gòu)造設(shè)計；結(jié)構(gòu)計算；技術(shù)要點(diǎn)

0 引言

在某沿海地區(qū)火車站站房建筑施工中，設(shè)計圖要求候車廳鋁合金窗單樘尺寸達(dá)到了9000mmX7050mm，施工總面積約1200m2。由于該地區(qū)為多臺風(fēng)沿海城市，當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓值高達(dá)0.7KN/m2，且窗體高度較大。若采用傳統(tǒng)90系列鋁合金窗型材進(jìn)行制作安裝，則不能滿足受力要求。若采用鋁合金幕墻型材施工，則大大增加了工程造價。

為此，施工方與建設(shè)單位和設(shè)計院共同商議，提出了一種大型鋁合金窗加固方法。即采用型鋼與鋁合金型材組合的方法，既滿足荷載要求和建筑設(shè)計要求，又經(jīng)濟(jì)可行，且完成后的建筑外立面效果也好。也可以稱之為“新型鋼鋁組合法”。

正文

那么，這種新型組合方式是怎樣一種構(gòu)造呢？其設(shè)計思路，來源于綜合兩種材料及截面構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)揮各自特長，利用鋼結(jié)構(gòu)骨架的剛度較大、鋁合金型材的裝飾性較好的特性，組成一種獨(dú)特的大型鋁合金窗結(jié)構(gòu)形式。

1 構(gòu)造設(shè)計

1.1 構(gòu)造概況

骨架結(jié)構(gòu)采用14#工字鋼及40X40X5mm角鋼制作，外邊包飾鋁合金型材，即：方管料100X100X1.2mm。在此基礎(chǔ)上，再按照常規(guī)方法安裝90系列鋁合金窗。詳見圖1。

Figure 1：Facade window frame diagram

1.2 設(shè)計立柱

本設(shè)計方案中，主要構(gòu)件為類似幕墻的立柱。采用14#工字鋼制作，結(jié)構(gòu)按照下端固定、上端鉸支的形式，使其具有一定的自由度，能夠適應(yīng)溫度及外界環(huán)境變化而引起的變形。詳見圖2。

Figure 2：A-A Column section

1.3 設(shè)計橫梁

本設(shè)計的水平方向結(jié)構(gòu)構(gòu)件，為類似幕墻的橫柱。采用40X40X5mm角鋼及50X10mm扁鋼拼接而成，按簡支梁構(gòu)件進(jìn)行計算。詳見圖3。

Figure 3：B-B The beam profile

1.4 設(shè)計節(jié)點(diǎn)

全窗的上節(jié)點(diǎn)設(shè)計為滑動鉸支結(jié)構(gòu)。先用10mm厚鋼板夾住窗上混凝土梁，再用125X125X8mm角鋼與工字鋼用不銹鋼螺栓連接，工字鋼及角鋼均銑長孔槽。

全窗的下節(jié)點(diǎn)及左右兩側(cè)橫梁端部節(jié)點(diǎn)，均設(shè)計為固定支座結(jié)構(gòu)形式，采用10mm厚預(yù)埋鋼板及125X125X8mm角鋼焊接，將工字鋼及拼接橫梁固定。詳見圖4。

Figure 4：Post up and down nodes

2 結(jié)構(gòu)計算

可按照圖1中abcd四點(diǎn)，選取一個計算單元，包括一根立柱及三根橫梁，計算面積為7.05mmX1.8mm=12.69mm2。具體計算過程如下：

2.1 荷載計算

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)公式為：

2.1.1風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值

Wk=δzxμsxμzxW0

其中，δz——陣風(fēng)風(fēng)壓系數(shù)，按規(guī)范取2.25

μs——風(fēng)荷載體型系數(shù)，按建筑物設(shè)計為豎直幕墻，取1.5

μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按建筑物高度21m，取0.9

W0——基本風(fēng)壓值，按建筑物所處地區(qū)（以沿海城市為例），查表取0.70kn/m2

代入上式，則Wk=1.1X1.5X0.9X0.7=1.04 KN/m2

所以，風(fēng)荷載設(shè)計值W=1.4X1.04=1.46KN/m2

2.1.2工字鋼立柱所受豎向荷載G、彎矩M

（1）豎向荷載G=G玻+ G鋁+ G鋼+ G梁

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

鋁材重量G鋁=單位重量9.5kg/m3X7.05mX1.8m= 120.6 kg

14#工字鋼重量G鋼=單位重量16kg/m3X7.05m= 112.8 kg

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

（2）彎矩M

14#工字鋼截面特性，查表得：

凈面積A0=21.5cm2，Ix=712 cm4，Wx=102 cm3，i0=5.76 cm

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

2.1.3立柱所受均布風(fēng)荷載Q=WxB

其中，W——風(fēng)壓設(shè)計值,計算得1.46KN/m2

B——鋁合金窗分格寬度1.8m

代入上式，則Q=1.46 KN/m2X1.8m=2.63KN

按荷載規(guī)范中的簡支梁均布荷載彎矩公式計算，則立柱所受彎矩M=QxL2x1/8

代入數(shù)據(jù)，則M=2.63KNx7.05mx1/8=16.34KN.m

2.2 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

2.2.1立柱所受壓應(yīng)力計算

按兩端鉸支座計算。見圖5。

Figure 5：The stress analysis diagram and Bending moment diagram

則有壓應(yīng)力公式σ=G/ΦX A0+M/ Wx

其中，G——豎向荷載，已計算得2.67KN=2670N

Φ——軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)，查表得0.146

A0——立柱凈截面積，查表得21.5cm2=2150 mm2

Wx——X方向（即豎直方向）凈截面抵抗矩，查表得102cm3

代入上式，

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

即A3鋼允許設(shè)計強(qiáng)度值(查結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范)

故立柱強(qiáng)度驗(yàn)算合格。

2.2.2立柱撓度驗(yàn)算

按建筑荷載規(guī)范撓度公式（兩端絞支），則U=5/384xQxL2/ExIx

其中，

L——立柱長度，取7.05m

Q——立柱受均布荷載，由WXB=1.04X1.8=1.87KN/m

E——A3鋼的彈性模量，查鋼結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，取2.06x105

Ix——豎直方向慣性矩，查鋼結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，取712x104mm4

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

則U/L=41/7050=0.0058

參照玻璃幕墻技術(shù)規(guī)范JGT102-96，可取允許撓度值U0=1/8=0.0056

考慮到鋁合金型材及零星角鋼的組合作用因素，可以認(rèn)為撓度滿足要求。

2.2.3立柱整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

按鋼結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范公式，立柱應(yīng)力σ=G/A≤ΦXf

其中，

G——豎向荷載，已計算得2.67KN=2670N

A——工字鋼截面積，已查表得21.5cm2

f——工字鋼設(shè)計強(qiáng)度值，已查表得215 N/mm2

Φ——按鋼結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，長細(xì)比λ=L/I,則豎直方向長細(xì)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

立柱應(yīng)力σ= G/A=2670/2150=1.24 N/mm2＜89.44 N/mm2

則穩(wěn)定性驗(yàn)算合格。

2.2.4玻璃擠壓應(yīng)力計算

按玻璃幕墻技術(shù)規(guī)范JGT102-96公式計算：

擠壓應(yīng)力δt1=E[αx△T-(2C-dc)/b]

其中，

E——玻璃彈性模量，查表取0.72x105

α——線膨脹系數(shù)，查表取1.0x10-5

△T——年溫度變化系數(shù)，按幕墻規(guī)范取80oC

C——玻璃邊緣與邊框間的空隙，取2.5 mm

dc——施工誤差，可取3mm

b——玻璃長邊尺寸，取1.8m

代入上式，經(jīng)計算得負(fù)值(計算式略)，則表示玻璃無溫度擠壓應(yīng)力存在。

2.2.5玻璃強(qiáng)度驗(yàn)算

取玻璃計算尺寸為1.8mx1.76m。

按玻璃幕墻規(guī)范，風(fēng)荷載作用下的應(yīng)力δwk=6xΦxWxa/t2

其中，

Φ——彎曲系數(shù)，按邊長比a/b=1.76m/1.8m=0.977,查表取0.065

W——風(fēng)荷載計算值，已計算得1.46KN/m2

a——玻璃短邊長，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

此數(shù)值即玻璃設(shè)計強(qiáng)度值(玻璃幕墻規(guī)范查得)

3 施工技術(shù)要點(diǎn)

通過以上計算，驗(yàn)證了此加固方法的理論正確。在構(gòu)造設(shè)計中，所涉及材料及施工工藝均成熟可靠，保證了此加固方法的施工可行性。

在此基礎(chǔ)上，為了保證施工質(zhì)量，采取以下技術(shù)措施：

3.1 型鋼安裝工藝措施

除了按照鋼結(jié)構(gòu)施工規(guī)范要求外，重點(diǎn)在于嚴(yán)格控制各構(gòu)件的加工和安裝精度，參照機(jī)械加工精度要求工人完成相關(guān)施工任務(wù)。注意焊接工藝，采用點(diǎn)焊成形，然后對稱焊接，最大限度保證鋼骨架不翹曲且變形在允許范圍內(nèi)。嚴(yán)格按照鋼結(jié)構(gòu)施工驗(yàn)收規(guī)范驗(yàn)收。

3.2 鋁合金安裝工藝措施

外包鋁合金方管鋸割成槽形，再將鋁材與角鋼鉚接，具體要求參照機(jī)械加工精度有關(guān)要求，保證鋁合金型材外包飾準(zhǔn)確。骨架內(nèi)的鋁合金安裝工藝按照鋁合金門窗安裝規(guī)范要求執(zhí)行。

3.3 玻璃安裝措施

由于玻璃設(shè)計尺寸較大，因此吊裝難度也較高，玻璃采用捆綁法吊裝，保證了施工安全。施工過程中，應(yīng)在玻璃槽口內(nèi)，墊相應(yīng)尺寸的橡膠條，并將玻璃四周進(jìn)行倒角磨邊處理，防止玻璃產(chǎn)生局部集中應(yīng)力導(dǎo)致開裂破壞。

3.4 密封膠技術(shù)措施

密封膠采用優(yōu)質(zhì)耐候硅酮膠，嚴(yán)格按照玻璃幕墻技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行注膠施工，保證注膠寬度和厚度，且不得有漏膠或者少膠現(xiàn)象。施工前，由具備專業(yè)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行兼容性試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)，并出具試驗(yàn)報告。

3.5 金屬防腐措施

作為大型公共建筑，這些大型鋁合金窗必須保證結(jié)構(gòu)耐用可靠。因此，作為重要的結(jié)構(gòu)鋼骨架，必須進(jìn)行有效的防腐處理。采用一種具有屏蔽防腐與陰極防腐雙重保護(hù)功能的新防護(hù)材料，可以在一般條件下進(jìn)行涂覆，同時獲得像油漆般的屏蔽防腐和鍍鋅般的陰極防腐，又被稱為冷鍍鋅。這類涂料涂覆在鋼鐵表面后，介質(zhì)滲透涂層接觸到金屬表面下就會形成膜下的電化學(xué)腐蝕。

4 結(jié)束語

此技術(shù)在實(shí)際工程已應(yīng)用并竣工多年，經(jīng)受了當(dāng)?shù)馗邷囟嘤甑膰?yán)酷考驗(yàn)和多次臺風(fēng)襲擊的抗擊，均安然無恙，證明了該技術(shù)的可靠性與耐久性，同時也節(jié)約了工程投資，是一種值得在大型公共建筑中推廣的鋁合金窗加固施工技術(shù)。

[1]冶金工業(yè)部主編，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GBJ17-88，北京，中國計劃出版社出版，1989.7.1

[2]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部主編，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB5009-2012，北京，中國建筑工業(yè)出版社，2012.10.1

[3]廣東省建設(shè)廳主編，《鋁合金門窗工程設(shè)計、施工及驗(yàn)收規(guī)范》DBJ15-30-2002，廣東， 2002.10.18

[4]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部主編，《鋁合金門窗工程技術(shù)規(guī)范》JGJ214-2010，北京，中國建筑工業(yè)出版社，2010.7.20

[5]王海，鋁合金門窗的結(jié)構(gòu)與設(shè)計計算，《工業(yè)建筑》ISSN:1000-8993，1983年第3期上,1983

[6]夏仁寶，淺談當(dāng)前建筑鋁合金窗設(shè)計,施工中存在的一些問題，《浙江建筑》1998年第2期，1998

易斌（1967.11- ），男，漢族，江蘇常州人，本科，教授級高級工程師，中鐵25局集團(tuán)第六工程公司，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)與安裝技術(shù)。

沈新福（1975.11- ），男，漢族，廣西全州人，在職研究生，高級工程師、二級建筑師， 研究方向：建筑設(shè)計。

TU7

A

1007-6344（2021）01-0295-03