幕墻鋼橫梁和鋼立柱的焊接問題

..幕墻鋼橫梁和鋼立柱的焊接問題趙XX〔中國建筑科學(xué)研究院北京100013提要《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ133-2001是90年代針對(duì)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20XX汶川大地震的考驗(yàn)。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(shí)踐表明幕墻鋼結(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(duì)幕墻鋼結(jié)構(gòu)焊接問題作出相應(yīng)規(guī)定。關(guān)鍵詞幕墻規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)焊接1問題的提出進(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20XX以前根本沒估計(jì)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(shí)問題。因?yàn)楝F(xiàn)行《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ133-2001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(shí)有發(fā)生。如何理解JGJ133-2001規(guī)范中第條規(guī)定的實(shí)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。22JGJ133規(guī)范編制的時(shí)代背景《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ133-2001頒布于2001年,編制于1996~1997年,是上一個(gè)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JGJ133規(guī)范,不能離開當(dāng)時(shí)的歷史背景和技術(shù)水平。我國從上個(gè)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(jī)制造公司。當(dāng)時(shí)幕墻公司幾乎全是軍轉(zhuǎn)民的飛機(jī)制造廠,它們熟悉鋁合金材料,但對(duì)鋼結(jié)構(gòu)比較陌生。當(dāng)時(shí)幕墻主要應(yīng)用于辦公樓和酒店,層高一般3m~4m,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(shí)是幕墻只用鋁合金結(jié)構(gòu),不采用鋼結(jié)構(gòu)。當(dāng)時(shí)幕墻的普遍稱呼是"鋁合金建筑幕墻"、"鋁合金玻璃幕墻"。1993~1995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(gè)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JGJ102-96和JGJ133-2001兩本規(guī)范就是針對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)編制的,僅僅因?yàn)檫B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?yàn)槿绱?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,鋁合金結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)焊接還很難實(shí)現(xiàn)；而螺栓和螺釘連接對(duì)飛機(jī)制造廠來說輕車熟路,非常習(xí)慣。所以JGJ102-96、JGJ133-2001兩本規(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(duì)當(dāng)時(shí)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JGJ133規(guī)范時(shí),并沒有幕墻設(shè)計(jì)審查制度,對(duì)黑體字條文的理解是"強(qiáng)調(diào)、提醒、著重",提醒幕墻廠家"無特殊理由不要違反"。那時(shí)誰也沒有預(yù)料到后來會(huì)出現(xiàn)審查單位,會(huì)演變成今天的按條審查,"一條否決"。所以黑體字的強(qiáng)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黑體字,產(chǎn)生了后來強(qiáng)制性條文管得過寬的結(jié)果。十五年過去了,客觀現(xiàn)實(shí)已經(jīng)發(fā)生了巨大變化,完全不同于上一個(gè)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?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》是幕墻鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本依據(jù)既然JGJ102、JGJ133規(guī)范是針對(duì)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(jì)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(jì)規(guī)范》GB50017-2003?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017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(jì)規(guī)范》的適用范圍。GB50017規(guī)范對(duì)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(shí)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(chǎng)難以焊接的問題現(xiàn)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(jì)規(guī)范》GB50429對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)的焊接作出了明確的規(guī)定。現(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。4幕墻鋼結(jié)構(gòu)采用焊接已經(jīng)有十多年歷史規(guī)范JGJ133是在1996年開始編制的,由于它是針對(duì)鋁合金型材編制,所以沒有涉及鋼結(jié)構(gòu)如何設(shè)計(jì)的問題。于是九十年代有一些工程不接受規(guī)范JGJ133的約束,直接按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ17-87的規(guī)定,設(shè)計(jì)和建造了鋼結(jié)構(gòu)支承的幕墻,而且是采用焊接。1996~1998年間,筆者參與了XX的XX省公安廳、XX省交通大廈、XX省建設(shè)銀行大廈幕墻工程,其石材幕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(qiáng)臺(tái)風(fēng)的考驗(yàn),使用情況一直良好。XX省公安廳〔1997XX交通大廈〔1998XX省建行大廈〔1998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。XXXX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》JGJ133進(jìn)入送審階段,送審稿傳到XX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XX市有關(guān)部門的激烈反對(duì),雙方展開了長時(shí)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(duì)的焦點(diǎn)問題。最后吵到了北京,會(huì)議上雙方都拍了桌子。在從事鋼結(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20XX汶川大地震給出了判決。5實(shí)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(jì)規(guī)范》的規(guī)定,而更重要的是,十多年的科學(xué)試驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)都表明：幕墻鋼結(jié)構(gòu)不許采用焊接是毫無道理的。實(shí)踐是檢驗(yàn)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；XX、XX等地的這類工程甚至經(jīng)歷了多次12級(jí)到14級(jí)強(qiáng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn),僅筆者參與的實(shí)驗(yàn)就有五個(gè)。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(yàn)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。幕墻試件的位移角達(dá)到1/70~1/50。在這樣的位移下,實(shí)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn)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,XX地區(qū)的幕墻經(jīng)歷了空前的大考驗(yàn)。1998年備受爭議、但幸運(yùn)地得以保存達(dá)十年之久的焊接鋼結(jié)構(gòu)幕墻,如同那些螺接鋼結(jié)構(gòu)幕墻一樣,在7度區(qū)的XX、8度區(qū)的德陽、9度區(qū)的都江堰、XX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?yàn)橹С袖摻Y(jié)構(gòu)采用了焊接就發(fā)生安全事故,哪怕舉出一個(gè)工程也行！經(jīng)歷了如此大范圍、如此嚴(yán)酷的考驗(yàn),在實(shí)踐這個(gè)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？現(xiàn)在大量幕墻工程采用焊接鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)入二十一世紀(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(duì),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。20XX建成的XX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。20XX建成的XX新白云機(jī)場(chǎng),候機(jī)樓的點(diǎn)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(gè)骨架直接焊在主結(jié)構(gòu)上〔圖3。圖2XX大劇院〔2009和石材幕墻焊接鋼結(jié)構(gòu)圖3XX新白云機(jī)場(chǎng)〔2008點(diǎn)支玻璃幕墻的焊接骨架20XX建成的北京首都機(jī)場(chǎng)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XXXX機(jī)場(chǎng)候機(jī)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。圖4首都機(jī)場(chǎng)T3航站樓〔2008圖5XX機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓〔2009不僅大型公共建筑,而且許多高層建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(gè)結(jié)構(gòu)沒有一個(gè)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90m高整體焊接鋼結(jié)構(gòu)XX銀行大廈花崗巖幕墻高度260.9m,是目前國內(nèi)第二高的石材幕墻,采用方鋼管立柱和角鋼橫梁,橫梁與立柱焊接〔圖8、圖9。20XX新建的XX圖書館采用花崗巖石板凹凸不平墻面,形成這非平面幕墻骨架的鋼結(jié)構(gòu),采用焊接〔圖10、圖11。20XX上海世博會(huì)的世博軸上有6個(gè)玻璃的陽光谷,為高度41.5m、直徑90m~97m的大喇叭花,玻璃幕墻和采光頂總面積達(dá)31500m2〔圖12。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1.0m~3.5m,截面高度180mm~550mm；大部分采用焊接箱形6牛腿節(jié)點(diǎn),少量采用實(shí)心鑄鋼6牛腿節(jié)點(diǎn)；桿件與節(jié)點(diǎn)構(gòu)件采用全熔透一級(jí)焊縫連接〔圖13、圖14。20XX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15,圖8XX銀行大廈,2011,260m圖9XX銀行大廈鋼橫梁與鋼立柱焊接圖10XX圖書館花崗巖幕墻,2011圖11鋼骨架采用焊接主要承重結(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,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(yùn)到工地安裝,焊接為整體〔圖14。圖12一號(hào)陽光谷,焊接單層殼結(jié)構(gòu)圖13焊接箱形節(jié)點(diǎn),注意其牛腿與鋼管的焊縫圖14焊接箱形節(jié)點(diǎn)〔左和焊接鑄鋼節(jié)點(diǎn)〔右圖15北京鳳凰傳媒中心,曲梁長達(dá)200米圖16鱗片形玻璃幕墻的支承結(jié)構(gòu)焊在主體曲梁上圖17圓鋼管爬梯形幕墻結(jié)構(gòu)通過鐵扁擔(dān)預(yù)先焊圖18主體曲梁連同幕墻爬梯分段安裝焊為在主體結(jié)構(gòu)的曲梁上整根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(diǎn)用螺栓連接,而另外部分節(jié)點(diǎn)用焊接。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)工程特點(diǎn)和自己的習(xí)慣靈活選用。圖19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19天津中船大廈〔左的鋼橫梁與鋼柱一端焊接,一端螺栓連接〔右7幕墻規(guī)范修訂條文已經(jīng)修改規(guī)范是成熟經(jīng)驗(yàn)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(shí)踐,后有規(guī)范。實(shí)踐已經(jīng)向前推進(jìn)了,規(guī)范就必須進(jìn)行修訂。正因?yàn)槔弦?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(shì)所趨?！恫Ａ粔こ碳夹g(shù)規(guī)范》JGJ102-2003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"橫梁可通過角碼、螺釘或螺栓與立柱連接",意味著鋼橫梁與鋼立柱"可不"用螺栓連接,可以采用焊接。"應(yīng)"改為"可",一字之差為幕墻鋼結(jié)構(gòu)采用焊接打開了口子。目前,JGJ133規(guī)范修訂已進(jìn)入送審報(bào)批階段,JGJ102規(guī)范已經(jīng)進(jìn)行新的修訂。修訂后的條文將統(tǒng)一表達(dá)為："鋼結(jié)構(gòu)可以采用焊縫連接、螺栓或螺釘連接,也可以部分節(jié)點(diǎn)采用焊縫連接、部分節(jié)點(diǎn)采用螺栓或螺釘連接。焊縫連接的設(shè)計(jì)應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017和《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50018的規(guī)定；焊接的施工應(yīng)符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》JGJ81的規(guī)定。"在規(guī)范修訂正式頒布之前,可以根據(jù)已有的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017的規(guī)定,在幕墻鋼結(jié)構(gòu)中采用焊接。8小結(jié)1.JGJ133-2001第條的規(guī)定是針對(duì)鋁合金型材編制的,不能直接套用到鋼結(jié)構(gòu)中。2.焊接是鋼結(jié)構(gòu)的基本連接方法,同樣也是幕墻鋼結(jié)構(gòu)的基本連接方法。幕墻鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017規(guī)定的精神進(jìn)行。其連接可以采用螺栓、焊縫或者兩者在同一工程中混合使用。