一、 鋁型材(詞條“鋁型材”由行業(yè)大百科提供)骨架應當分段
鋁型材立柱層層分段,橫梁與立柱通過螺栓(詞條“螺栓”由行業(yè)大百科提供)鉸接,這是常規(guī)的做法。鋁型材骨架這種做法,是為了減少溫度變化時在骨架中產生的溫度應力,這對鋁合金型材是必要的,因為:
1) 鋁的溫度線脹系數為2.35X10-5/oC,遠遠大于鋼材的線賬系數1.2X10-5/oC , 更遠大于混凝土的線脹系數1.0X10-5./oC。無論鋁型材骨架固定在鋼結構上還是固定在混凝土結構上,溫度變化時都要產生很大的變形差,從而出現(xiàn)很大的溫度應力。
2) 鋁合金的彈性模量(詞條“彈性模量”由行業(yè)大百科提供)為0.7X105MPa,在端部不可位移時,溫度變化1oC將在鋁型材中產生1.6MPa的應力;溫度變化50OC,溫度應力將達到80MPa。而鋁合金的強度(詞條“強度”由行業(yè)大百科提供)較低,難以承受如此大的溫度應力。
因此,鋁合金骨架采用層層分段的方式來減少溫度變化的影響是合理的。
二、 分段不是解決溫度問題的唯一`方法
1. 解決溫度問題的兩種方法
鋼骨架是不是也要按照鋁合金骨架的方式來做呢,是不是一定要豎向層層分段,水平三米一段?我們的回答是:不一定要切得這么碎。
切碎是設計最省事的辦法,尺寸越小,溫度的影響就小,這是盡人皆知的常識。把構件切碎,弄成短短的,當然就不用費心去做溫度應力計算,不用專門考慮抗溫度變化措施。由于最初做幕墻的不是建筑結構行業(yè),而是飛機制造行業(yè),所以歷史地形成了通通切斷(詞條“切斷”由行業(yè)大百科提供)的行業(yè)習慣。
對付溫度影響不一定要斷開,斷開是一種方法,但不是唯一方法。解決溫度的影響可以有兩條途徑:
1) 構件斷開,支點自由,結構隨溫度變形,減少或消除溫度應力這。稱為“有變形,無應力”;
2) 構件連續(xù),支點約束,結構溫度變形受到限制,甚至不準變形,溫度應力由鋼結構自己的強度承受。稱為“有應力,無變形”。
解決溫度變化問題的兩種辦法在實際中都有應用:
1) 有溫度變形,無溫度應力:
常規(guī)幕墻的骨架;老式低速鐵路的鐵軌(長度13.2m);用許多溫度縫分 開的廠房;帶活動接頭的管道;
2) 約束溫度變形,承受溫度應力:
巨型航空母艦;巨型油輪;大型油罐;超大跨公共建筑;超高層建筑;核 反應堆;大容量煉鐵高爐;高速鐵路的超長鋼軌(長度一般超過1000m,甚至幾百公里無縫隙);大量焊接鋼結構。
2. 鋼結構有能力承受溫度應力
結構鋼Q235 強度設計值為 215N/mm2;Q345 強度設計值 315 N/mm2。 在完全固
定,不能變形的情況下,溫度每變化 1 oC,鋼構件中產生的溫度應力為2.4 N/mm2。即使溫度變化50oC,也就產生120N/mm2的溫度應力,遠小于鋼的強度設計值。況且,通常幕墻骨架連接在主體結構上,溫度變化時,支座隨主體結構位移,鋼骨架受到變形約束很小,溫度應力遠小于這個按支座固定考慮的數值。
實際上, 鋼材和混凝土的膨脹系數相近:
鋼 材:1.2 X 10-5 / oC
混凝土:1.0 X 10-5 /o C
對杭州東站25m巨柱的溫度應力進行過兩次實測,幕墻支承鋼結構最大溫度應力發(fā)生于70mm豎向鋼管,數值僅為45N/mm2,遠小于鋼管的強度設計值215N/mm2(圖25、圖26)。
所以,鋼筋混凝土結構才有可能應用。幕墻鋼結構和主體鋼結構或主體混凝土結構膨脹系數相同或相近,溫度變化時幕墻鋼結構的溫度應力接近于零。實際工程鋼結構往往不分段,或者不會分段太密。
鋁合金結構則不同,其溫度變形遠大于混凝土和鋼材,連接到主體結構上時,無法變形協(xié)調。鋁結構連接到鋼結構、混凝土結構時,應該適當分段。
韓國首爾仁川機場幕墻就是一個最典型的例子,幕墻玻璃由鋁立柱和鋼立柱共同支承,鋼立柱與主體鋼結構直接連接。由于鋁材變形遠遠大于鋼材,與鋼立柱無法協(xié)調,所以鋁立柱分段;而鋼立柱與主體鋼結構變形相同,所以鋼立柱不必分段(圖27)。
三、大量幕墻鋼結構不分段
如國家大劇院,215mX145m,全部焊成一個剛性(詞條“剛性”由行業(yè)大百科提供)的“大碗”,無分縫;鳥巢,296mX310m,鋼構件全部剛性連接成為整體,沒有縫;深圳灣體育館,兩館一場由連續(xù)曲面覆蓋,屋面支承結構為雙向單層網殼,長 530 m,連續(xù)不分縫(圖22~圖24)。
高層建筑同樣如此,世界最高的哈里法塔,高度度828米;上海三座高樓:金茂大廈 420 米,環(huán)球金融 495 米,上海中心 635m 。總不能把它們統(tǒng)統(tǒng)切成三米一段吧?
主體鋼結構不分段,幕墻鋼結構同樣可以不分段(圖28~圖31)。
北京鳳凰傳媒中心玻璃幕墻的支承鋼結構長度達200m,連續(xù)焊接不分段(圖32)。中國建筑科學研究院辦公樓的室外電梯,夾層玻璃方鋼管框架支承,立柱90m高,連續(xù)焊接不分段,無接頭,多年使用沒有問題(圖33)。
四、 幕墻鋼結構是否分段由設計者自己決定
幕墻鋼結構與主體鋼結構或主體混凝土結構相連接,兩者溫度變形相同或相近,溫度應力很小;鋼材強度很高,完全可以承受溫度應力。所以斷與不斷都不成問題,怎么做都可以,斷與不斷,由設計者自行決定:
全部砍斷,傳統(tǒng)做法,肯定可行,但是增加許多連接節(jié)點(詞條“節(jié)點”由行業(yè)大百科提供),費工費料。
加長桿件,減少斷口,可以節(jié)省工料,但溫度問題要從計算和構造上加以考慮。
全部不斷,必須計算溫度和位移產生的應力,分析結構的變形耐受能力,采取措施確保結構安全。【完】