一、铝型材骨架应当分段
铝型材立柱层层分段,横梁与立柱通过螺栓铰接,这是常规的做法。铝型材骨架这种做法,是为了减少温度变化时在骨架中产生的温度应力,这对铝合金型材是必要的,因为:
1) 铝的温度线胀系数为2.35X10-5/oC,远远大于钢材的线账系数1.2X10-5/oC ,更远大于混凝土的线胀系数1.0X10-5./oC。无论铝型材骨架固定在钢结构上还是固定在混凝土结构上,温度变化时都要产生很大的变形差,从而出现很大的温度应力。
2) 铝合金的弹性模量为0.7X105MPa,在端部不可位移时,温度变化1oC将在铝型材中产生1.6MPa的应力;温度变化50OC,温度应力将达到80MPa。而铝合金的强度较低,难以承受如此大的温度应力。
因此,铝合金骨架采用层层分段的方式来减少温度变化的影响是合理的。
二、分段不是解决温度问题的唯一`方法
1. 解决温度问题的两种方法
钢骨架是不是也要按照铝合金骨架的方式来做呢,是不是一定要竖向层层分段,水平三米一段?我们的回答是:不一定要切得这么碎。
切碎是设计最省事的办法,尺寸越小,温度的影响就小,这是尽人皆知的常识。把构件切碎,弄成短短的,当然就不用费心去做温度应力计算,不用专门考虑抗温度变化措施。由于最初做幕墙的不是建筑结构行业,而是飞机制造行业,所以历史地形成了通通切断的行业习惯。
对付温度影响不一定要断开,断开是一种方法,但不是唯一方法。解决温度的影响可以有两条途径:
1) 构件断开,支点自由,结构随温度变形,减少或消除温度应力这。称为“有变形,无应力”;
2) 构件连续,支点约束,结构温度变形受到限制,甚至不准变形,温度应力由钢结构自己的强度承受。称为“有应力,无变形”。
解决温度变化问题的两种办法在实际中都有应用:
1) 有温度变形,无温度应力:
常规幕墙的骨架;老式低速铁路的铁轨(长度13.2m);用许多温度缝分开的厂房;带活动接头的管道;
2) 约束温度变形,承受温度应力:
巨型航空母舰;巨型油轮;大型油罐;超大跨公共建筑;超高层建筑;核反应堆;大容量炼铁高炉;高速铁路的超长钢轨(长度一般超过1000m,甚至几百公里无缝隙);大量焊接钢结构。
2. 钢结构有能力承受温度应力
结构钢Q235 强度设计值为215N/mm2;Q345 强度设计值 315 N/mm2。在完全固
定,不能变形的情况下,温度每变化 1 oC,钢构件中产生的温度应力为2.4 N/mm2。即使温度变化50oC,也就产生120N/mm2的温度应力,远小于钢的强度设计值。况且,通常幕墙骨架连接在主体结构上,温度变化时,支座随主体结构位移,钢骨架受到变形约束很小,温度应力远小于这个按支座固定考虑的数值。
实际上,钢材和混凝土的膨胀系数相近:
钢材:1.2 X 10-5 / oC
混凝土:1.0 X10-5 /o C
对杭州东站25m巨柱的温度应力进行过两次实测,幕墙支承钢结构最大温度应力发生于70mm竖向钢管,数值仅为45N/mm2,远小于钢管的强度设计值215N/mm2。
所以,钢筋混凝土结构才有可能应用。幕墙钢结构和主体钢结构或主体混凝土结构膨胀系数相同或相近,温度变化时幕墙钢结构的温度应力接近于零。实际工程钢结构往往不分段,或者不会分段太密。
铝合金结构则不同,其温度变形远大于混凝土和钢材,连接到主体结构上时,无法变形协调。铝结构连接到钢结构、混凝土结构时,应该适当分段。
韩国首尔仁川机场幕墙就是一个最典型的例子,幕墙玻璃由铝立柱和钢立柱共同支承,钢立柱与主体钢结构直接连接。由于铝材变形远远大于钢材,与钢立柱无法协调,所以铝立柱分段;而钢立柱与主体钢结构变形相同,所以钢立柱不必分段。
三、大量幕墙钢结构不分段
如国家大剧院,215mX145m,全部焊成一个刚性的“大碗”,无分缝;鸟巢,296mX310m,钢构件全部刚性连接成为整体,没有缝;深圳湾体育馆,两馆一场由连续曲面覆盖,屋面支承结构为双向单层网壳,长 530 m,连续不分缝(图22~图24)。
高层建筑同样如此,世界最高的哈里法塔,高度度828米;上海三座高楼:金茂大厦 420 米,环球金融 495 米,上海中心 635m 。总不能把它们统统切成三米一段吧?
主体钢结构不分段,幕墙钢结构同样可以不分段。
北京凤凰传媒中心玻璃幕墙的支承钢结构长度达200m,连续焊接不分段。中国建筑科学研究院办公楼的室外电梯,夹层玻璃方钢管框架支承,立柱90m高,连续焊接不分段,无接头,多年使用没有问题。
四、幕墙钢结构是否分段由设计者自己决定
幕墙钢结构与主体钢结构或主体混凝土结构相连接,两者温度变形相同或相近,温度应力很小;钢材强度很高,完全可以承受温度应力。所以断与不断都不成问题,怎么做都可以,断与不断,由设计者自行决定:
全部砍断,传统做法,肯定可行,但是增加许多连接节点,费工费料。
加长杆件,减少断口,可以节省工料,但温度问题要从计算和构造上加以考虑。
全部不断,必须计算温度和位移产生的应力,分析结构的变形耐受能力,采取措施确保结构安全。
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