鋼橫梁和鋼立柱的焊接問題

1、鋼橫梁和鋼立柱的焊接問題發(fā)布時間：2011-04-26【作  者】：趙西安 【提  要】：金屬及石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范JGJ 133-2001 是90年代針對鋁合金型材而編制的，第條的規(guī)定不適用于鋼結(jié)構(gòu)。幕墻鋼結(jié)構(gòu)采用焊接已有十多年歷史，并經(jīng)歷了年汶川大地震的考驗。目前許多大型公共建筑和高層建筑的幕墻都在采用焊接鋼結(jié)構(gòu)。實踐表明畝幕墻鋼結(jié)構(gòu)采用焊接是沒有問題的。新修訂的幕墻規(guī)范已經(jīng)對幕墻鋼結(jié)構(gòu)焊接問題作出相應(yīng)規(guī)定?！娟P(guān)鍵詞】：幕墻規(guī)范   鋼結(jié)構(gòu)   焊接     一、  問題

2、的提出    進(jìn)入二十一世紀(jì)，鋼結(jié)構(gòu)在幕墻工程中大量應(yīng)用，這是2000年以前根本沒    估計到的。隨之而來就產(chǎn)生了幕墻工程中鋼橫梁和鋼立柱可否采用焊接的現(xiàn)實問題。因為現(xiàn)行金屬及石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范 JGJ 133-2001 第條規(guī)定“橫梁應(yīng)通過角碼、螺釘或螺栓與立柱連接”，由此而來在許多工程中引發(fā)爭議，被迫停工的事件也時有發(fā)生。    如何理解JGJ 133-2001 規(guī)范中第條規(guī)定的實際含義，如何在幕墻鋼結(jié)構(gòu)中合理應(yīng)用焊接連接，已經(jīng)成為不可回避的問題。    

3、二、  JGJ 133 規(guī)范編制的時代背景    金屬及石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范 JGJ 133-2001 頒布于 2001 年，編制于19961997年，是上一個世紀(jì)九十年代的產(chǎn)物，距離今天已經(jīng)有十四五年的歷史了。理解和應(yīng)用 JGJ 133 規(guī)范，不能離開當(dāng)時的歷史背景和技術(shù)水平。    我國從上個世紀(jì)八十年代開始出現(xiàn)幕墻，九十年代初形成幕墻行業(yè)。但是最初進(jìn)入這一行業(yè)的并不是建筑公司，而是飛機制造公司。當(dāng)時幕墻公司幾乎全是軍轉(zhuǎn)民的飛機制造廠，它們熟悉鋁合金材料，但對鋼結(jié)構(gòu)比較陌生。當(dāng)時幕墻主要應(yīng)用于辦公樓和酒店，層高一般3m4

4、m，采用鋁合金型材完全可以滿足受力要求。因此幕墻行業(yè)的共識是幕墻只用鋁合金結(jié)構(gòu)，不采用鋼結(jié)構(gòu)。當(dāng)時幕墻的普遍稱呼是“鋁合金建筑幕墻”、“鋁合金玻璃幕墻”。    19931995年編制玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范 102-96 期間，經(jīng)過努力，終于去掉了“鋁合金”三個字，但是在幕墻中采用鋼結(jié)構(gòu)并沒有被行業(yè)的大多數(shù)人接受。因此 JGJ 102-96 和 JGJ 133-2001 兩本規(guī)范就是針對鋁合金結(jié)構(gòu)編制的，僅僅因為連接件不能不涉及鋼材，所以才列入一些有關(guān)鋼材的內(nèi)容。正因為如此，規(guī)范許多條文的規(guī)定不適用于鋼結(jié)構(gòu)。    十五年前的技術(shù)條件下

5、，鋁合金結(jié)構(gòu)現(xiàn)場焊接還很難實現(xiàn)；而螺栓和螺釘連接對飛機制造廠來說輕車熟路，非常習(xí)慣。所以 JGJ 102-96、JGJ 133-2001 兩本規(guī)范很自然規(guī)定“橫梁應(yīng)通過角碼、螺釘或螺栓與立柱連接”。這對當(dāng)時的鋁合金結(jié)構(gòu)是萬無一失的可靠作法，自然得到幕墻廠家的肯定。    十五年前編制 JGJ 133規(guī)范時，并沒有幕墻設(shè)計審查制度，對黑體字條文的理解是“強調(diào)、提醒、著重”，提醒幕墻廠家“無特殊理由不要違反”。那時候誰也沒有預(yù)料到后來會出現(xiàn)審查單位，會演變成今天的按條審查，“一條否決”。所以黑體字的強制性條文列得比較多，為了引起重視，甚至連一些并非唯一的具體做法也寫成

6、黑體字，產(chǎn)生了后來強制性條文管得過寬的結(jié)果。    十五年過去了，客觀現(xiàn)實已經(jīng)發(fā)生了巨大變化，完全不同于上一個世紀(jì)的情況。但是規(guī)范一直沒有修訂，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于當(dāng)前的技術(shù)水平，也不適應(yīng)當(dāng)前的技術(shù)管理制度。這就是問題和矛盾產(chǎn)生的歷史原因。     三、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范是幕墻鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本依據(jù)    既然JGJ 102 、JGJ 133 規(guī)范是針對鋁合金結(jié)構(gòu)編制的，不完全適用于鋼結(jié)構(gòu)，那么在規(guī)范的新修訂版本頒布之前，幕墻鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本依據(jù)就應(yīng)該是現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 GB 50017-2003

7、。    鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB 50017 適用于主體鋼結(jié)構(gòu)和圍護(hù)鋼結(jié)構(gòu)。幕墻鋼結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)的一部分，是處于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的適用范圍。           GB 50017規(guī)范對普遍適用的鋼結(jié)構(gòu)焊接作出了詳細(xì)明確的規(guī)定，幕墻鋼結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)的一部分，當(dāng)然可以采用焊接。    時代在發(fā)展，技術(shù)在進(jìn)步。十五年前鋁合金結(jié)構(gòu)現(xiàn)場難以焊接的問題現(xiàn)在已經(jīng)不再是不可解決的困難。新頒布的鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 GB 50429 對鋁合金結(jié)構(gòu)的焊接作出了明確的規(guī)

8、定?，F(xiàn)在，即使是鋁合金型材也不是非要螺栓連接不可，也可以采用焊接了。     四 、幕墻鋼結(jié)構(gòu)采用焊接已經(jīng)有十多年歷史    規(guī)范 JGJ 133 是在1996 年開始編制的，由于它是針對鋁合金型材編制，所以沒有涉及鋼結(jié)構(gòu)如何設(shè)計的問題。于是九十年代有一些工程不接受規(guī)范JGJ 133的約束，直接按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 JGJ 17-87的規(guī)定，設(shè)計和建造了鋼結(jié)構(gòu)支承的幕墻，而且是采用焊接。    19961998年間，筆者參與了廣州的廣東省公安廳、廣東省交通大廈、廣東省建設(shè)銀行大廈幕墻工程，其石材幕

9、墻部分均采用了焊接鋼結(jié)構(gòu)（圖1）。至今已經(jīng)十多年過去，中間還經(jīng)歷了多次強臺風(fēng)的考驗，使用情況一直良好。                          廣東省公安廳（1997）                

10、          廣東交通大廈（1998）                         廣東省建行大廈（1998）                

11、;  圖1   石材幕墻采用焊接鋼結(jié)構(gòu)支承     最令人難忘的是發(fā)生在1998年的關(guān)于幕墻采用焊接鋼結(jié)構(gòu)的大辯論。四川成都地區(qū)在九十年代初期已經(jīng)采用焊接鋼結(jié)構(gòu)建造了大批鋁板和石材幕墻，1998年金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范 JGJ 133 進(jìn)入送審階段，送審稿傳到四川后，根據(jù)第條關(guān)于應(yīng)采用螺栓連接的規(guī)定，省里有關(guān)部門下令全部拆除鋼橫梁立柱焊接的已建幕墻，這引起成都市有關(guān)部門的激烈反對，雙方展開了長時間的爭論。鋼橫梁與鋼立柱能不能焊接，現(xiàn)有大批幕墻要不要拆除成為針鋒相對的焦點問題。最后吵到了北京，會議上雙方都拍了桌子。在從事鋼

12、結(jié)構(gòu)的技術(shù)人員的勸和下，這批幕墻幸存了下來，靜靜地度過了整整十年。誰也沒有想到，1998年雙方都不服的“技術(shù)訴訟”，終于在十年后由2008年汶川大地震給出了判決。 五、實踐證明幕墻完全可以采用焊接鋼結(jié)構(gòu)    幕墻鋼結(jié)構(gòu)采用焊接不僅符合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，而更重要的是，十多年的科學(xué)試驗和工程經(jīng)驗都表明：幕墻鋼結(jié)構(gòu)不許采用焊接是毫無道理的。    實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。    十多年來，我國已建的采用焊接鋼結(jié)構(gòu)支承的鋁板和石材幕墻，從未因采用焊接鋼結(jié)構(gòu)而發(fā)生過安全事故；廣州、深圳等地的這類工

13、程甚至經(jīng)歷了多次12級到14級強臺風(fēng)的吹襲而完好無損。    十年來，國內(nèi)進(jìn)行過多次石材幕墻的振動臺試驗，僅筆者參與的實驗就有五個。為了挑戰(zhàn)極限，支承結(jié)構(gòu)都采用了柔性的焊接鋼結(jié)構(gòu) ，試驗地震加速度大大超過設(shè)防烈度7、8度，達(dá)到相當(dāng)于9度，甚至10度。幕墻試件的位移達(dá)到1/701/50。在這樣的位移下，實際房屋的主體結(jié)構(gòu)早已倒塌；而而幕墻試件的焊接鋼結(jié)構(gòu)和面板都保持完好。這些振動臺試驗結(jié)果表明：幕墻采用焊接鋼結(jié)構(gòu)完全可以滿足抗震要求。2008年5月12日發(fā)生了汶川大地震，成都地區(qū)的幕墻經(jīng)歷了空前的大考驗。1998年備受爭議、但幸運地得以保存達(dá)十年之久的焊接鋼結(jié)構(gòu)幕墻

14、，如同那些螺接鋼結(jié)構(gòu)幕墻一樣，在7度區(qū)的成都、8度區(qū)的德陽、9度區(qū)的都江堰、綿陽都保持完好。震害調(diào)查表明：采用焊接鋼結(jié)構(gòu)的金屬和石材幕墻具有優(yōu)良的抗震性能。    我們可以列舉大量例子證明幕墻采用焊接鋼結(jié)構(gòu)是安全的，但是誰又能舉出例子，說明僅僅是因為支承鋼結(jié)構(gòu)采用了焊接就發(fā)生安全事故，哪怕舉出一個工程也行！    經(jīng)歷了如此大范圍、如此嚴(yán)酷的考驗，在實踐這個真理的標(biāo)準(zhǔn)面前，還有什么理由不許幕墻采用焊接鋼結(jié)構(gòu)呢？     六、現(xiàn)在大量幕墻工程采用焊接鋼結(jié)構(gòu)    進(jìn)入

15、二十一世紀(jì)，鋼結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用于幕墻骨架，焊接自然成為許多工程支承鋼結(jié)構(gòu)的連接方式。盡管有人反對，但是“青山擋不住，畢竟東流去”，幕墻鋼結(jié)構(gòu)采用焊接是不可能阻擋的。2009年建成的青島大劇院石材幕墻4萬平方米，外形復(fù)雜多變，裝飾線腳和造型非常多，全部鋼骨架采用焊接（圖2）。2008年建成的廣州新白云機場，候機樓的點支玻璃幕墻由方鋼管梁柱支承，不但梁柱本身焊接，而且幕墻整個骨架直接焊在主結(jié)構(gòu)上（圖3）。           圖2   青島大劇院（2009）和石材幕墻焊接鋼結(jié)構(gòu)

16、60;          圖3  廣州新白云機場（2008）點支玻璃幕墻的焊接骨架     2007年建成的北京首都機場T3航站樓，玻璃幕墻雙夾膠中空，板塊尺寸3.6mX1.8m，由跨度為10.8m的鋼鋁組合梁支承。鋼梁通過焊接牛腿連接到幕墻的豎向鋼桁架（圖4）。同樣寧夏銀川機場候機樓的玻璃幕墻由方鋼管橫梁和立柱組成的焊接結(jié)構(gòu)支承（圖5）。          

17、;             圖4  首都機場T3航站樓（2008）                       圖5   銀川機場候機樓（2009）     不僅大型公共建筑，而且許多高層建

18、筑的幕墻也采用焊接鋼結(jié)構(gòu)。天津地鐵大廈洞石幕墻高達(dá)175m，采用了焊接鋼骨架（圖6）。中國建筑科學(xué)研究院辦公樓的觀光電梯高90m，處于室外環(huán)境，方鋼管一通到頂，不分段；梁柱全部焊接；與主體結(jié)構(gòu)也是焊接，整個結(jié)構(gòu)沒有一個螺栓（圖7、圖8）。                圖6 天津地鐵大廈洞石幕墻的焊接骨架（2009）        圖7  中國建筑科學(xué)研究院辦公樓，室外電梯90

19、m高整體焊接鋼結(jié)構(gòu)2010年上海世博會的世博軸上有6個玻璃的陽光谷，為高度41.5m、直徑90m97m的大喇叭花，玻璃幕墻和采光頂總面積達(dá)31500m2（圖8）。采用全焊接方鋼管單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。三向布置的方鋼管桿件30738根，長度1.0m3.5m，截面高度180mm550m。    大部分采用焊接箱形6牛腿節(jié)點，少量采用實心鑄鋼6牛腿節(jié)點；桿件與節(jié)點構(gòu)件采用全熔透一級焊縫連接（圖9、圖10）。    2010年正在施工的北京鳳凰傳媒中心是一座面包圈形的鋼結(jié)構(gòu)（圖11），主要承重結(jié)構(gòu)是梯形截面的鋼箱梁，為長達(dá)200米的空間雙曲線（圖12

20、），幕墻鋼結(jié)構(gòu)為圓鋼管爬梯形雙曲空間骨架（圖13）。幕墻爬梯形鋼骨架在工廠預(yù)先焊在主結(jié)構(gòu)的梯形截面曲梁上，分段運到工地安裝，焊接為整體（圖14）。                   圖8  一號陽光谷，焊接單層殼結(jié)構(gòu)               圖9  焊接

21、箱形節(jié)點，注意其牛腿與鋼管的焊縫             圖10  焊接箱形節(jié)點（左）和焊接鑄鋼節(jié)點（右）                圖11 北京鳳凰傳媒中心，曲梁長達(dá)200米              圖

22、12  鱗片形玻璃幕墻的支承結(jié)構(gòu)焊在主體曲梁上     圖13  圓鋼管爬梯形幕墻結(jié)構(gòu)通過鐵扁擔(dān)預(yù)先焊在主體結(jié)構(gòu)的曲梁上    圖14  主體曲梁連同幕墻爬梯分段安裝焊為整根200米長的雙曲空間結(jié)構(gòu)     上述如此大型、如此復(fù)雜的玻璃幕墻鋼結(jié)構(gòu)都能采用全焊接，還有什么幕墻鋼結(jié)構(gòu)不能焊接呢？    應(yīng)該說，幕墻的鋼橫梁和鋼立柱可以采用螺栓或螺釘連接；也可以采用焊 縫連接；還可以部分節(jié)點用螺栓連接，而另外部分節(jié)點用焊接。設(shè)計者可

23、以根據(jù)工程特點和自己的習(xí)慣靈活選用。圖15為天津中船大廈，花崗巖幕墻高148m，其鋼橫梁與鋼立柱一端為焊接，另一端為螺栓連接。             圖15  天津中船大廈的鋼橫梁與鋼柱一端焊接（一）                    圖16  天津中船大廈一端螺栓連接    七、  幕墻規(guī)范修訂條文已經(jīng)修改    規(guī)范是成熟經(jīng)驗的總結(jié)，只有在工程中廣泛采用、技術(shù)成熟的內(nèi)容才能列入規(guī)范的條文。因此，總是先有實踐，后有規(guī)范。實踐已經(jīng)向前推進(jìn)了，規(guī)范就必須進(jìn)行修訂。    正因為老規(guī)范的規(guī)定不是為鋼結(jié)構(gòu)編制的，許多規(guī)定不適用于鋼結(jié)構(gòu)。所以修改老的幕墻規(guī)范是大勢所趨。玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范 JGJ 102-2003 已經(jīng)將原規(guī)定“橫梁應(yīng)通過角碼、螺釘或螺栓與立柱連接”修改為“橫梁可通過