一種大型鋁合金窗新型的設計結構與工程應用

易 斌 沈新福

規劃設計 Planning and design

一種大型鋁合金窗新型的設計結構與工程應用

易 斌1沈新福2

（1.中鐵25局集團第六工程公司，廣西 柳州 545000；2.柳州鐵道職業技術學院，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度，既滿足荷載要求和建筑設計要求，也經濟可行，建筑外立面裝飾效果佳。通過結構原理分析、計算及驗算，并運用到實際工程中，同時把握好施工技術要點，取得良好工程效果。

鋼鋁組合法；構造設計；結構計算；技術要點

0 引言

在某沿海地區火車站站房建筑施工中，設計圖要求候車廳鋁合金窗單樘尺寸達到了9000mmX7050mm，施工總面積約1200m2。由于該地區為多臺風沿海城市，當地基本風壓值高達0.7KN/m2，且窗體高度較大。若采用傳統90系列鋁合金窗型材進行制作安裝，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，施工方與建設單位和設計院共同商議，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計要求，又經濟可行，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造呢？其設計思路，來源于綜合兩種材料及截面構造的優點，發揮各自特長，利用鋼結構骨架的剛度較大、鋁合金型材的裝飾性較好的特性，組成一種獨特的大型鋁合金窗結構形式。

1 構造設計

1.1 構造概況

骨架結構采用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。在此基礎上，再按照常規方法安裝90系列鋁合金窗。詳見圖1。

Figure 1：Facade window frame diagram

1.2 設計立柱

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

Figure 2：A-A Column section

1.3 設計橫梁

本設計的水平方向結構構件，為類似幕墻的橫柱。采用40X40X5mm角鋼及50X10mm扁鋼拼接而成，按簡支梁構件進行計算。詳見圖3。

Figure 3：B-B The beam profile

1.4 設計節點

全窗的上節點設計為滑動鉸支結構。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。

全窗的下節點及左右兩側橫梁端部節點，均設計為固定支座結構形式，采用10mm厚預埋鋼板及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 結構計算

可按照圖1中abcd四點，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《建筑結構荷載規范》，風荷載標準公式為：

2.1.1風荷載標準值

Wk=δzxμsxμzxW0

其中，δz——陣風風壓系數，按規范取2.25

μs——風荷載體型系數，按建筑物設計為豎直幕墻，取1.5

μz——風壓高度變化系數，按建筑物高度21m，取0.9

W0——基本風壓值，按建筑物所處地區（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，風荷載設計值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立柱所受均布風荷載Q=WxB

其中，W——風壓設計值,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

代入數據，則M=2.63KNx7.05mx1/8=16.34KN.m

2.2 結構驗算

2.2.1立柱所受壓應力計算

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——軸心受壓穩定系數，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鋼允許設計強度值(查結構設計規范)

故立柱強度驗算合格。

2.2.2立柱撓度驗算

按建筑荷載規范撓度公式（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，查鋼結構荷載規范，取2.06x105

Ix——豎直方向慣性矩，查鋼結構荷載規范，取712x104mm4

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

則U/L=41/7050=0.0058

參照玻璃幕墻技術規范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，可以認為撓度滿足要求。

2.2.3立柱整體穩定性驗算

按鋼結構荷載規范公式，立柱應力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——工字鋼設計強度值，已查表得215 N/mm2

Φ——按鋼結構荷載規范，長細比λ=L/I,則豎直方向長細比λ= Lx/ I=705/5.76=122,查表得Φ=0.416

代入上式，Φxf=0.416x215=89.44 N/mm2

立柱應力σ= G/A=2670/2150=1.24 N/mm2＜89.44 N/mm2

則穩定性驗算合格。

2.2.4玻璃擠壓應力計算

按玻璃幕墻技術規范JGT102-96公式計算：

擠壓應力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，查表取1.0x10-5

△T——年溫度變化系數，按幕墻規范取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，經計算得負值(計算式略)，則表示玻璃無溫度擠壓應力存在。

2.2.5玻璃強度驗算

取玻璃計算尺寸為1.8mx1.76m。

按玻璃幕墻規范，風荷載作用下的應力δwk=6xΦxWxa/t2

其中，

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

W——風荷載計算值，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

此數值即玻璃設計強度值(玻璃幕墻規范查得)

3 施工技術要點

通過以上計算，驗證了此加固方法的理論正確。在構造設計中，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。

在此基礎上，為了保證施工質量，采取以下技術措施：

3.1 型鋼安裝工藝措施

除了按照鋼結構施工規范要求外，重點在于嚴格控制各構件的加工和安裝精度，參照機械加工精度要求工人完成相關施工任務。注意焊接工藝，采用點焊成形，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。嚴格按照鋼結構施工驗收規范驗收。

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，具體要求參照機械加工精度有關要求，保證鋁合金型材外包飾準確。骨架內的鋁合金安裝工藝按照鋁合金門窗安裝規范要求執行。

3.3 玻璃安裝措施

由于玻璃設計尺寸較大，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，應在玻璃槽口內，墊相應尺寸的橡膠條，并將玻璃四周進行倒角磨邊處理，防止玻璃產生局部集中應力導致開裂破壞。

3.4 密封膠技術措施

密封膠采用優質耐候硅酮膠，嚴格按照玻璃幕墻技術規范要求進行注膠施工，保證注膠寬度和厚度，且不得有漏膠或者少膠現象。施工前，由具備專業資質的機構進行兼容性試驗和耐久性試驗，并出具試驗報告。

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構耐用可靠。因此，作為重要的結構鋼骨架，必須進行有效的防腐處理。采用一種具有屏蔽防腐與陰極防腐雙重保護功能的新防護材料，可以在一般條件下進行涂覆，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，介質滲透涂層接觸到金屬表面下就會形成膜下的電化學腐蝕。

4 結束語

此技術在實際工程已應用并竣工多年，經受了當地高溫多雨的嚴酷考驗和多次臺風襲擊的抗擊，均安然無恙，證明了該技術的可靠性與耐久性，同時也節約了工程投資，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。

[1]冶金工業部主編，《鋼結構設計規范》GBJ17-88，北京，中國計劃出版社出版，1989.7.1

[2]住房和城鄉建設部主編，《建筑結構荷載規范》GB5009-2012，北京，中國建筑工業出版社，2012.10.1

[3]廣東省建設廳主編，《鋁合金門窗工程設計、施工及驗收規范》DBJ15-30-2002，廣東， 2002.10.18

[4]住房和城鄉建設部主編，《鋁合金門窗工程技術規范》JGJ214-2010，北京，中國建筑工業出版社，2010.7.20

[5]王海，鋁合金門窗的結構與設計計算，《工業建筑》ISSN:1000-8993，1983年第3期上,1983

[6]夏仁寶，淺談當前建筑鋁合金窗設計,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局集團第六工程公司，研究方向：建筑結構與安裝技術。

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：建筑設計。

TU7

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1007-6344（2021）01-0295-03