幕墻鋼橫梁和鋼立柱的焊接

幕墻鋼橫梁和鋼立柱的焊接問題趙西安（中國建筑科學研究院 北京100013）提要 《金屬及石材幕墻工程技術規(guī)范》JGJ133-2001是90年代針對鋁合金型材而編制的，第5.6.6條的規(guī)定不適用于鋼結構。幕墻鋼結構采用焊接巳有十多年歷史，并經歷了2006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構。實踐表明幕墻鋼結構采用焊接是沒有問題的。新修訂的幕墻規(guī)范巳經對幕墻鋼結構焊接問題作出相應規(guī)定。關鍵詞 幕墻規(guī)范鋼結構焊接橫梁與立柱焊接1 問題的提出進入二十一世紀，鋼結構在幕墻工程中大量應用，這是2000年以前根本沒估計到的。隨之而來就產生了幕墻工程中鋼橫梁和鋼立柱可否采用焊接的現實問題。因為現行《金屬及石材幕墻工程技術規(guī)范》JGJ133-2001第5.6.6條規(guī)定“橫梁應通過角碼、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JGJ133-2001規(guī)范中第5.6.6條規(guī)定的實際含義，如何在幕墻鋼結構中合理應用焊接連接，已經成為不可回避的問題2JGJ133規(guī)范編制的時代背景《金屬及石材幕墻工程技術規(guī)范》JGJ133-2001頒布于2001年，編制于1996~1997年，是上一個世紀九十年代的產物，距離今天已經有十四五年的歷史了。理解和應用JGJ133規(guī)范，不能離開當時的歷史背景和技術水平。我國從上個世紀八十年代開始出現幕墻，九十年代初形成幕墻行業(yè)。但是最初進入這一行業(yè)的并不是建筑公司，而是飛機制造公司。當時幕墻公司幾乎全是軍轉民的飛機制造廠，它們熟悉鋁合金材料，但對鋼結構比較陌生。當時幕墻主要應用于辦公樓和酒店，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)的共識是幕墻只用鋁合金結構，不采用鋼結構。當時幕墻的普遍稱呼是“鋁合金建筑幕墻”、“鋁合金玻璃幕墻”。1993~1995年編制《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》102-96期間，經過努力，終于去掉了“鋁合金”三個字，但是在幕墻中采用鋼結構并沒有被行業(yè)的大多數人接受。因此JGJ102-96和JGJ133-2001兩本規(guī)范就是針對鋁合金結構編制的，僅僅因為連接件不能不涉及鋼材，所以才列入一些有關鋼材的內容。正因為如此，規(guī)范許多條文的規(guī)定不適用于鋼結構。十五年前的技術條件下，鋁合金結構現場焊接還很難實現；而螺栓和螺釘連接對飛機制造廠來說輕車熟路，非常習慣。所以JGJ102-96、JGJ133-2001兩本規(guī)范很自然規(guī)定“橫梁應通過角碼、螺釘或螺栓與立柱連接”。這對當時的鋁合金結構是萬無一失的可靠作法，自然得到幕墻廠家的肯定。趙西安，男，1940。7出生，研究員十五年前編制JGJ133規(guī)范時，并沒有幕墻設計審查制度，對黑體字條文的理解是“強調、提醒、著重”，提醒幕墻廠家“無特殊理由不要違反”。那時候誰也沒有預料到后來會出現審查單位，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黑體字，產生了后來強制性條文管得過寬的結果。十五年過去了，客觀現實已經發(fā)生了巨大變化，完全不同于上一個世紀的情況。但是規(guī)范一直沒有修訂，已經遠遠滯后于當前的技術水平，也不適應當前的技術管理制度。這就是問題和矛盾產生的歷史原因。3《鋼結構設計規(guī)范》是幕墻鋼結構設計的基本依據既然JGJ102、JGJ133規(guī)范是針對鋁合金結構編制的，不完全適用于鋼結構，那么在規(guī)范的新修訂版本頒布之前，幕墻鋼結構設計的基本依據就應該是現行國家標準《鋼結構設計規(guī)范》GB50017-2003。《鋼結構設計規(guī)范》GB50017適用于主體鋼結構和圍護鋼結構。幕墻鋼結構是鋼結構的一部分，是處于《鋼結構設計規(guī)范》的適用范圍。GB50017規(guī)范對普遍適用的鋼結構焊接作出了詳細明確的規(guī)定，幕墻鋼結構是鋼結構的一部分，當然可以采用焊接。時代在發(fā)展，技術在進步。十五年前鋁合金結構現場難以焊接的問題現在已經不再是不可解決的困難。新頒布的《鋁合金結構設計規(guī)范》GB50429對鋁合金結構的焊接作出了明確的規(guī)定?，F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 幕墻鋼結構采用焊接已經有十多年歷史規(guī)范JGJ133是在1996年開始編制的，由于它是針對鋁合金型材編制，所以沒有涉及鋼結構如何設計的問題。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《鋼結構設計規(guī)范》JGJ17-87的規(guī)定，設計和建造了鋼結構支承的幕墻，而且是采用焊接。1996~1998年間，筆者參與了廣州的廣東省公安廳、廣東省交通大廈、廣東省建設銀行大廈幕墻工程，其石材幕墻部分均采用了焊接鋼結構（圖1）。至今已經十多年過去，中間還經歷了多次強臺風的考驗，使用情況一直良好。最令人難忘的是發(fā)生在1998年的關于幕墻采用焊接鋼結構的大辯論。四川成都地區(qū)在九十年代初期已經采用焊接鋼結構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規(guī)范》JGJ133進入送審階段，送審稿傳到四川后，根據第5.6.6條關于應采用螺栓連接的規(guī)定，省里有關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。在從事鋼結構的技術人員的勸和下，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“技術訴訟”，終于在十年后由2008年汶川大地震給出了判決。5 實踐證明幕墻完全可以采用焊接鋼結構幕墻鋼結構采用焊接不僅符合《鋼結構設計規(guī)范》的規(guī)定，而更重要的是，十多年的科學試驗和工程經驗都表明：幕墻鋼結構不許采用焊接是毫無道理的。實踐是檢驗真理的唯一標準。十多年來，我國已建的采用焊接鋼結構支承的鋁板和石材幕墻，從未因采用焊接鋼結構而發(fā)生過安全事故；廣州、深圳等地的這類工程甚至經歷了多次12級到14級強臺風的吹襲而完好無損。十年來，國內進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，支承結構都采用了柔性的焊接鋼結構，試驗地震加速度大大超過設防烈度7、8度，達到相當于9度，甚至10度。幕墻試件的位移達到1/70~1/50。在這樣的位移下，實際房屋的主體結構早已倒塌；而而幕墻試件的焊接鋼結構和面板都保持完好。這些振動臺試驗結果表明：幕墻采用焊接鋼結構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)的幕墻經歷了空前的大考驗。1998年備受爭議、但幸運地得以保存達十年之久的焊接鋼結構幕墻，如同那些螺接鋼結構幕墻一樣，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。震害調查表明：采用焊接鋼結構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構是安全的，但是誰又能舉出例子，說明僅僅是因為支承鋼結構采用了焊接就發(fā)生安全事故，哪怕舉出一個工程也行！經歷了如此大范圍、如此嚴酷的考驗，在實踐這個真理的標準面前，還有什么理由不許幕墻采用焊接鋼結構呢？6現在大量幕墻工程采用焊接鋼結構進入二十一世紀，鋼結構大量應用于幕墻骨架，焊接自然成為許多工程支承鋼結構的連接方式。盡管有人反對，但是“青山擋不住，畢竟東流去”，幕墻鋼結構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，外形復雜多變，裝飾線腳和造型非常多，全部鋼骨架采用焊接。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構上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。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構支承首都機場T3航站樓（2008） 銀川機場候機樓（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構。天津地鐵大廈洞石幕墻高達175m，采用了焊接鋼骨架。中國建筑科學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；與主體結構也是焊接，整個結構沒有一個螺栓廣州銀行大廈花崗巖幕墻高度260.9m，是目前國內第二高的石材幕墻，采用方鋼管立柱和角鋼橫梁，橫梁與立柱焊接。2011年新建的廣東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構，采用焊接。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90m~97m的大喇叭花，玻璃幕墻和采光頂總面積達31500m2。采用全焊接方鋼管單層網殼結構。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，少量采用實心鑄鋼6牛腿節(jié)點；桿件與節(jié)點構件采用全熔透一級焊縫連接7 幕墻規(guī)范修訂條文已經修改規(guī)范是成熟經驗的總結，只有在工程中廣泛采用、技術成熟的內容才能列入規(guī)范的條文。因此，總是先有實踐，后有規(guī)范。實踐已經向前推進了，規(guī)范就必須進行修訂。正因為老規(guī)范的規(guī)定不是為鋼結構編制的，許多規(guī)定不適用于鋼結構。所以修改老的幕墻規(guī)范是大勢所趨?！恫Ａ粔こ碳夹g規(guī)范》JGJ102-2003已經將原規(guī)定“橫梁應通過角碼、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?！皯备臑椤翱伞?，一字之差為幕墻鋼結構采用焊接打開了口子。目前，JGJ133規(guī)范修訂已進入送審報批階段，JGJ102規(guī)范已經進行新的修訂。修訂后的條文將統(tǒng)一表達為：“鋼結構可以采用焊縫連接、螺栓或螺釘連接，也可以部分節(jié)點采用焊縫連接、部分節(jié)點采用螺栓或螺釘連接。焊縫連接的設計應符合現行國家標準《鋼結構設計規(guī)范》GB50017和《冷彎薄壁型鋼結構設計規(guī)范》GB50018的規(guī)定；焊接的施工應符合現行行業(yè)標準《建筑鋼結構焊接技術規(guī)程》JGJ81的規(guī)定?！痹谝?guī)范修訂正式頒布之前，可以根據已有的工程實踐經驗和現行國家標準《鋼結構設計規(guī)范》GB50017的規(guī)定，在幕墻鋼結構中采用焊接。小結JGJ133-2001第5.6.6條的規(guī)定是針對鋁合金型材編制的，不能直接套用到鋼結構中。焊接是鋼結構的基本連接方法，同樣也是幕墻鋼結構的基