幕墙钢结构设计
幕墙江湖一个幕墙学习的专业平台欢迎江湖幕民关注、留言一、规定1、 本标准的幕墙钢结构，指连接在主体结构上，直接传递幕墙系统荷载到主体结构， 不承担主体结构荷载，不增加主体结构刚度，能适应主体结构变形的钢构件或钢结构体系。2、 幕墙钢结构设计应符合《钢结构设计标准》GB 50017和《冷弯薄壁型钢结构技术 规范》GB50018的规定，满足相关规范要求并符合本标准规定。3、 幕墙钢结构防火应按本标准第7章设计并满足《建筑设计防火规范》GB50016及《建筑钢结构防火技术规范》CECS200中燃烧性能和耐火极限的要求。4、大跨度的桁架、网架、网壳、拱形结构、预应力网格、索张弦结构，以及设置在钢 结构建筑或钢-混凝土混合建筑结构上的雨蓬、采光顶等钢结构，应由建筑设计单位承担结构设计。其围护系统由幕墙设计承担时，主体设计单位应提供钢结构设计相应文件。 5、幕墙钢结构设计应包括体系设计、结构计算、构件设计、构造设计和结构体系的整体稳定校核。（1） 体系设计包括结构选型、构件布置；（2）幕墙钢结构应按弹性理论计算，计算模型的边界条件应与实际节点构造和结构传力途径一致；（3）构件采用的钢材牌号和质量等级应符合《钢结构设计标准》GB 50017的规定。杆件 截面应根据强度、稳定性和刚度的要求计算确定； （4）构造设计应包括截面构造、构件组成、连接节点、支座构造、体系形成，并对加工 制作及安装等提出要求。 6、应优先采用按国家或行业现行标准定型生产的型材和制品。7、钢结构设计文件中，应注明所采用的规范、幕墙结构设计使用年限、抗震设防烈 度、钢材牌号、连接材料的型号（或钢号）和设计所需的附加保证项目。对焊接连接，应注明焊缝熔透形式、尺寸和质量等级。文件应注明结构的设计耐火等级，构件的设计耐火极 限、所需要的防火措施及其防火材料的性能要求。还应注明螺栓防松构造要求，钢结构最低防腐蚀设计年限和防护措施、施工要求等。 二、结构与构造1、幕墙钢结构的计算内容应包含强度、挠度、局部及整体稳定性、连接构造等计算。2、幕墙钢结构的稳定性：（1） 索结构、空间网格结构安装施工阶段和成形使用阶段应作整体稳定性分析。 （2） 轴压、压弯、受弯构件应作稳定性分析；竖向分层或连续悬挂系统，立柱应验算仅在水平荷载作用下的受弯稳定性。（3） 两端简支的弯曲构件，当采用箱型截面且同时满足公式19.2.2-1和19.2.2-2时，可不 验算其整体稳定性。h/b0≤6 (19.2.2-1)l1/b0≤95（235/fy） (19.2.2-2) 式中l1——侧向约束点的距离（mm）；b0——箱型截面宽度（mm）；h——箱型截面高度（mm）；fy——钢材屈服强度（N/mm2）。（4） H型钢或等截面工字形简支梁受压翼缘的自由长度l1与其宽度b1之比不超过表19.2.2规定的数值时，可不计算梁的整体稳定性。表19.2.2 型钢或等截面工字形简支梁不需计算整体稳定性的最大l1/b1值 钢号 跨中无侧向支承点的梁跨中受压翼缘有侧向支承点的梁 不论荷载作用于何处荷载作用于上翼缘荷载作用于下翼缘Q23513.020.016.0Q34510.516.513.0Q39010.015.512.5Q4209.515.012.0对跨中无侧向支承点的梁，l1 为其跨度；对跨中有侧向支承点的梁，l1为受压翼缘侧向 支承点间的距离（梁的支座处视为有侧向支承）。（5） 跨度较大或截面狭薄或承受弯扭荷载的简支梁，支承处应有防止其端部截面扭转失稳的构造措施。3、 非预应力受拉构件的长细比不应大于350，在永久荷载与风荷载组合作用下受压时，其长细比不宜大于 250。正常受压构件的长细比不应大于 150，杆件的内力不大于承载能力 50%时，其长细比不应大于200。4、 幕墙钢结构的变形性能设计，应综合考虑结构承载力和变形能力，变形性能设计应 与主体结构的变形设计相协调；对主体结构刚度敏感时，应明确提出对主体结构刚度的控制指标。当主体结构变形较大时，幕墙连接节点设计应考虑主体结构变形的影响，连接节点构 造应能消减主体结构的变形影响并协调至幕墙体系相适应的程度。5、 焊接钢构件采用的钢板厚度宜为4mm～16mm。不宜采用厚板焊接构件，不应采用 小截面厚板焊接构件。焊接组合截面的钢板，厚度差异不宜超过一倍。矩形或工字型截面的梁、柱宜采用定型型材。6、 单块板材或叠合焊接的板材不宜用作幕墙结构体系中的主受力梁、柱构件。 7、构件截面的高宽比：（ 1） 柱截面高度（圆柱为直径）不宜小于柱计算长度的1/30。（2） 矩形截面柱截面长宽比不宜大于4.0，不应大于6.0。（3） 工字钢截面柱翼缘宽度宜取柱截面高度的1/2～1/4。8、构件宜采用对称截面或主轴对称截面。有弯扭作用的构件应作弯扭验算，弯扭构件 宜选用闭口截面。9、 高度或跨度较大的幕墙钢结构体系，根据主体结构的支承条件，可设计成水平支承 或竖向支承形式，主要结构形式可选用框架、平面桁架、空间桁架、网架、网壳、张弦梁、索张拉结构、悬吊结构等。（1） 竖向支承的柱或桁架可采用吊挂或下座结构形式。（2） 水平支承的梁或桁架应考虑自重（包括面板及附件）产生的挠度，必要时可预先起 拱。桁架的非支承边宜设置控制竖向挠度和侧向挠曲的吊杆或撑杆，杆件应连续拉通。在幕墙自重作用下，水平受力构件在单块面板跨距内的挠度df不应超过该跨度的1/500，且不大于 3mm。（3） 梁、柱及桁架应校核正、负风压作用的侧向稳定性，必要时可设置辅助杆件体系。（4） 应验算主要支承结构的抗风梁或抗风桁架，不计阵风系数的风荷载标准值作用下， 挠度df不超过其跨度的1/1000。（5） 悬吊体系吊杆按间隔设置，宜采用钢索或钢杆分层悬吊和调节。吊杆宜设置在横梁 静载质心处，条件不具备时横梁应设抗扭转的平衡杆。悬吊体系跨层通长设置时，吊杆宜采用钢索，横梁应有支承和调节构造措施。根据主体结构形式、横梁跨长和荷载条件，横梁两 端可设计为不动铰接或单侧可动铰接。吊杆顶部可连接主体结构构件或幕墙支承构件，悬吊体系的周边边界应考虑变形的协调和承载的安全性。（6） 幕墙钢结构与主体结构的连接节点应能吸收主体结构变形对幕墙体系的不利影响。或采用具有释放温度应力、变形能力的连接形式。10、 出屋面非封闭建筑幕墙风荷载体型系数，如有风洞试验数据，可按风洞试验数据取 值，但正负风压取值均不应小于2.0。采用钢结构作为出屋面非封闭建筑幕墙支承结构时， 可根据幕墙悬出高度采用不同支承形式。高度不大于2.5m时，宜采用单柱形式；高度在 2.5m～4.5m时，宜采用单柱加支撑形式；高度大于4.5m时，宜采用桁架形式。幕墙支撑钢 结构在风荷载标准值下挠度控制值不应大于1/400，并应满足幕墙系统的性能要求。出屋面非封闭建筑幕墙钢结构应有可靠的稳定系统和锚固支座。11、 采用钢结构作为独立的大门框架时，宜按下列要求设计：（1）门洞总宽度不大于6m时，可采用构件式框架，梁、柱可采用型钢或管材。其计算模型，幕墙平面内为刚架，幕墙平面外为悬臂构件。柱底双向均为刚接，梁柱连接宜设计为刚 接。（2）门洞总宽度不大于9m时，可采用平面格构式钢架。在幕墙平面外水平风力作用方向 横梁设计为桁架，立柱设计为与桁架上下弦位置相应的双肢柱。梁柱连接宜为铰接，也可根据刚度需要设计为刚接。双肢柱脚设计应能形成双向均可传递弯矩的构造形式。其计算模 型，幕墙平面内为排架或刚架，幕墙平面外为悬臂构件。门洞总宽度6m～9m时也可按第1款设计。（3）门洞总宽度大于等于12m时，可采用空间格构式钢架，横梁和立柱均为空间构架。当门洞高度小于4.0m时，立柱也可采用平面双肢柱形式。门洞总宽度9m～12m时可按第2款或第3款设计。（4） 大门框架内可设置因门扇安装需要或用以减小横梁计算跨度的辅助柱，辅助柱上下 端按设计需要可为铰接或刚接。（5） 框架横梁宜设计成除自重外仅承受水平风力的构造和受力模式，上部的幕墙静重不 宜施加在门框横梁上。门框横梁为索幕墙拉索的下支座时应计算索力荷载。桁架、构架的节间分格应与上部幕墙立柱或拉索位置相协调。（6） 门框横梁上附设雨蓬时应符合本标准18.4.7条规定，雨蓬悬挑长度不宜大于2m。附设雨蓬悬挑长度大于2m时应加大横梁抗扭刚度或采用空间格构式横梁。（7） 大门框架设计应包括平面内、外的承载能力极限状态设计计算，构件和节点的构造 设计，大门框架与周边幕墙的构造处理。门轴与大门框架的连接设计应符合本标准第12章要求。（8）大门框架立柱在风荷载标准值作用下，柱顶位移控制值不应大于柱高的1/400。横梁 在幕墙平面内、外挠度限值应符合本标准13.4.4条规定，平面外挠度限值尚应满足19.2.9条第 4款要求。（9） 门框横梁为索幕墙拉索的下支座时，立柱柱脚锚固应作抗拉校核，并计算索力作用 下横梁的荷载组合挠度值，按大门框架内有无可承受抗力的辅助柱，取不大于计算跨度的1/500。当荷载组合挠度值方向向上时，挠度绝对值不应大于10mm。（10） 大门框架立柱基础应有可靠锚固，并符合19.2.15条第6款要求。12、钢结构受力构件及其连接件，不宜采用厚度小于4mm的钢板或壁厚小于3mm的钢 管，焊接时不宜采用截面小于L45×4或L56×36×4的角钢，螺栓连接时不宜采用截面小于L50×4的角钢。13、加劲肋宜在腹板两侧成对配置，支撑加劲肋不应单侧配置。14、幕墙钢结构应有明确的计算模型，节点构造应符合结构计算假定。15、 梁、柱连接的刚接和铰接：（1） 一般钢结构杆件的焊接应视为铰接。（2） 沿杆件截面围焊的连接宜视为铰接。围焊并加焊肋板的焊接连接可视为刚接，强度 计算时肋板不应作为构件计入其作用。（3） 插入套芯的柱端视为铰接。悬挂式立柱顶部应设计成铰接。（4） 下座式柱端可按计算模型设计成刚接或铰接，也可设计为主方向刚接次方向铰接。下端刚接时，上端应设计成可竖向滑动的铰接。（5） 矩形管、圆管构架的斜杆与主杆连接为铰接。直角节点如设计成刚接，应有45°斜板转接焊接。杆件相交节点宜减小偏心。（6） 除荷载较小、尺寸不大、施工许可情况外，下座式立柱与主体结构的连接应有地脚 锚栓，柱端应有钢底板，不应直接与埋设在主体结构中的埋件焊接连接。（7） 对变形协调要求较高的梁或柱铰接连接，可设计成销轴连接、辊轴连接或盆式支座 连接。（8） 梁柱连接节点可采用栓焊混合连接、螺栓连接、焊接连接、端板连接等构造。梁柱采用刚性或半刚性节点时，节点尚应作弯矩和剪力作用下的强度验算。（9） 幕墙钢结构与主体结构的连接采用钢连接件焊接时，焊缝计算应包含其剪力、拉力 和偏心荷载的弯矩。 三、连接设计1、 钢结构构件的连接，应根据幕墙连接构造、作用力的性质和施工环境条件，选择合 理的连接方法。工厂加工构件的连接宜采用焊接；现场连接宜采用栓接，也可焊接。主要承重构件的现场连接或拼接，按结构需要可采用高强度螺栓连接；如采用焊接，应确保焊接质 量并按规定作出焊接质量检测报告。2、要求与母材等强的对接焊缝应焊透，其质量等级受拉时不应低于二级，受压时宜为二级，全熔透及重要节点的焊接，其质量等级不应低于二级。3、钢结构焊接连接构造：（1） 幕墙钢结构的梁柱应尽量减少现场焊接工作量。主要节点构造应减少现场仰焊。荷载较大的幕墙主要受力构件，不宜悬吊在施工现场仰焊形成的连接件上。仰焊应有足够的操作空间，质量应确保并可控。（2） 焊缝厚度和长度经计算确定并符合现行钢结构规范规定。受力和构造焊缝可采用对 接焊缝、角接焊缝、对接角接组合焊缝、塞焊焊缝、槽焊焊缝；重要接头或有等强要求的对接焊缝应为熔透焊缝；较厚板件或无需焊透时可采用部分熔透焊缝。（3） 对接焊缝的坡口形式可按照《钢结构焊接规范》GB50661规定采用。（4） 不同厚度和宽度的材料对接时，应作平缓过渡，其连接处坡度值不宜大于1:2.5。4、 钢结构横梁与立柱焊接连接时，应符合本标准13.2.9条规定。5、 角焊缝的最小计算长度应为其焊脚尺寸hf的8倍，且不应小于40mm；焊缝计算长度 为扣除引弧、收弧长度后的焊缝长度。不宜将厚板采用角焊缝焊接到薄板上。角焊缝最小焊脚尺寸宜按表19.3.5取值，承受动荷载时角焊缝焊脚尺寸不宜小于5mm；表19.3.5角焊缝最小焊脚尺寸（mm）母材厚度t角焊缝最小焊脚尺寸hft≤6 36﹤t≤12 512﹤t≤20 6t﹥20 86、 经过表面防腐蚀处理的钢构件焊接后，应对焊缝打磨和防腐蚀处理。7、 螺栓连接或拼接接头中，每一杆件一端的永久性螺栓数不应少于2个。轴向受拉的螺 栓连接中的端板，宜设置加劲肋。螺栓连接应有螺栓施拧空间。8、 螺栓（铆钉）群的连接中心，宜与连接构件截面重心一致。螺栓或铆钉的间距、边 距和端距容许值应符合表19.3.8的规定。表19.3.8 螺栓或铆钉的孔距、边距和端距容许值 名称 位置和方向最大容许间距（取两者的较小值） 最小容许间距孔中心间距外排（垂直内力方向或顺内力方向） 8d0 或12t 3d0中间排垂直内力方向16d0 或24t顺内力方向构件受压力12d0 或18t构件受拉力16d0 或24t沿对角线方向—孔中心至构件 边缘距离顺内力方向 4d0 或8t2d0垂直内力方向剪切边或手工气割边 1.5d0轧制边、自 动气割或锯 割边高强度螺栓其他螺栓或 铆钉、自攻 螺钉 1.2d0注 1 d0 为螺栓或铆钉的孔径，对槽孔为短向尺寸，t为外层较薄板件的厚度。2 钢板边缘与刚性构件（如角钢，槽钢等）相连的高强度螺栓，最大间距可按中间排的数值采用。3 计算螺栓孔引起的截面削弱时可取 d+4mm 和d 0 的较大者，d为螺栓公称直径。 9、 销轴连接适用于铰接柱脚或拱脚以及拉索、拉杆端部的连接，销轴及耳板宜采用Q345、Q390与Q420，必要时也可采用45号钢、35CrMo或40Cr等钢材。10、 构件的连接设计应具备施工操作空间和焊接的可行性。构件焊接时应有临时支承或 加焊支承部件，不宜在幕墙施工现场直接施焊。11、 节点设计应满足承载力极限状态要求，传力可靠，减少应力集中，防止节点因强度 破坏、局部失稳、变形过大、连接开裂等导致节点失效。12、 钢结构的安装连接应采用传力可靠、制作方便、连接简单、便于调整定位的构造 形式，并应考虑临时定位措施，确保施工安装的稳定和质量。 四、防腐蚀设计1、 幕墙钢结构应根据环境条件、材质、结构形式、使用要求、施工条件和维护管理条 件等因素，合理确定防腐蚀设计年限，防腐蚀设计应符合《建筑钢结构防腐蚀技术规程》JGJ 251的规定。2、 幕墙钢结构防腐蚀设计，可根据需要选择防腐蚀方案，工艺和涂层厚度应满足涂料和覆层的技术规定。（1） 防腐蚀涂料1）无侵蚀性或弱侵蚀性条件下，可采用油性漆、酚醛漆或醇酸漆；2）中等侵蚀性条件下，宜采用环氧漆、环氧脂漆、过氯乙烯漆或氯醋漆；3）防腐蚀涂料的底漆和面漆应配套。（2） 金属保护层（表面合金化镀锌、镀铝锌等）；（3） 阴极保护措施；（4） 采用耐候钢。3、 幕墙钢结构防腐蚀设计：（1） 不同金属材料接触部位应采取防电化学腐蚀隔离措施。（2） 暴露在室外的焊缝、螺栓、垫圈、节点板等连接构件的耐腐蚀性能，不应低于主材 材料的耐腐蚀性能。（3） 避免出现难于检查、清理和涂漆之处，避免出现滞留湿气和大量灰尘的死角或凹 槽。闭口截面构件端部应焊接封闭。4、 钢材表面原始锈蚀等级和钢材除锈等级标准应符合《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》GB/T8923的规定。（1） 表面原始锈蚀等级为D级的钢材不应用于幕墙钢结构。（2） 表面处理的清洁度要求不宜低于《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》GB/T8923规定的Sa2½级，表面粗糙度应符合防腐蚀设计要求。5、涂料、涂装遍数、涂层厚度均应符合设计要求，无特殊说明时，涂装不应少于5 遍，干膜总厚度室外构件应大于150μm，室内构件应大于120μm，允许偏差±25μm。6、 钢结构的现场焊缝、高强螺栓和普通结构用螺栓及其连接点，以及在运输安装过程 中构件涂层被磨损的部位，应补刷涂层。涂层应采用与构件制作时相同的涂料和相同的涂刷工艺。7、 涂装时环境温度和湿度应符合涂料产品说明书的要求，无要求时，温度应控制在5℃～38℃之间，湿度不大于85%。五、幕墙钢结构计算软件结构计算软件，主要是Midas、3D3S、ANSYS、Sap2000等软件，主要是进行结构计算时力学仿真计算和规范校核的。市场上专业软件一般是为通用制图与仿真计算准备，不可避免地会存在一些不顺手甚至完全错误的地方，故由幕墙钢结构专业人士根据自己工作实践需求开发实用结构软件是必要的。例如，日常工作中常用的后埋件锚栓计算软件多为某国际知名锚栓品牌商提供，该计算软件是根据欧盟相关锚栓计算标准编制而来，同中国标准JGJ145《混凝土结构后锚固技术规程》有相当多不一致的地方，并不完全符合中国实际情况。更何况中国设计师使用该软件进行计算时，后埋件内力是根据中国标准计算而来的，这种前端荷载与效应(S)按中国标准计算，而后端承载力(R)按欧盟标准计算，然后来对比与判定锚栓安全性中西混用做法显然是有问题的。而根据JGJ145《混凝土结构后锚固技术规程》手算后埋件则是一个相当繁琐与耗时的过程，效率极为低下。这种情况下，设计师自己编写软件就是有强烈必要性的。而系统性的介绍和推荐一些专业开发语言工具，为一些有能力的设计师进行专业能力拓展准备是具有现实意义的。同时，随着年轻设计师的高学历化越来越明显，计算机水平也越来越高，这也为设计师开发出高质量的专业软件提供了可能性和人才与知识准备。六、幕墙钢结构相关的国家规范现行相关国家规范是本行业群体经验和群体理论高度应用化总结，是我们的设计依据，亦是专业技术人员进行设计和沟通时的依据。一个优秀设计师不仅应当熟悉规范相关条文字面含义，更应该了解掌握这规定这些条文之意图和精神，并能够灵活地加以运用。 此外，随着全球化进展加速，海外项目亦大量出现，这就要求设计师必须了解相关国际主流标准规范相关理论知识，特别是国家地域性比较强的荷载(主要指风和地震以及雪荷载)统计与计算方法，当地采购材料性能指标等以及这类材料计算方法与性能指标我国标准规范统计方法的比较等。如果不能够熟练掌握，在海外项目设计计算工作中就可能因一个小的知识点欠缺而引起计算或设计缺陷造成巨大工程损失。例如，风荷载计算中涉及到一个基本风速确定问题，而各国基本风速确定时采用的测速高度、风场场地状况、粗糙度与统计方法均有所不同。一个重要参数叫风速标准时距，就是统计风速所使用时间段长短。这个数据国际上各国风荷载标准中是不同的：美国、印度、澳大利亚取3秒，而我国、前苏联、日本、国际标准化组织取10分钟，而英国、加拿大则取为1小时。各种风速标准时距的换算关系见下表1和2(表中具体换算数据来自国际标准化组织ISO)。
根据表中数据，最常用的3秒钟风速时距同10分钟风速时距的换算问题系数是1.42，注意这与我国规范JGJ131《金属与石材幕墙工程技术规程》中规定的1.5修正系数略有差异 (而国际标准化组织中推荐的与瞬时风速的修正系数为1.5，此规程虽然言明根据来自国际标准化组织，但将3秒风速的修正值采用1.5，也许有规范制定者自己的考虑)。