钢铝组合结构在幕墙设计中的应用分析

钢铝组合结构在幕墙设计中的应用分析

陈文俊

深圳市方大建科集团有限公司广东深圳518057

摘要：随着社会的发展与科学技术的进步，各种新材料、新技术不断被应用到现代建筑设计中，幕墙技术以其环保节能、形式多样、安全可靠等优点在各种建筑的外围护结构中得到迅速推广。钢铝组合结构是幕墙技术的重大创新，很好的利用了钢材与铝材的不同性能，将两者结合起来，使幕墙结构更加稳固、坚实，优势明显。并且通过研究的不断深入，利用现代科学技术对钢铝组合结构进行合理的设计，使两种不同材质的性能得到充分发挥，对幕墙技术的发展起到了很大的推动作用。

关键词：钢铝组合；幕墙设计技术；应用；

伴随着我国建筑幕墙技术的发展，幕墙被广泛应用到体育场馆、艺术中心、会展中心、酒店、医院、住宅等各种建筑中，随着人们对建筑物外观样式与性能的不断追求，尤其是壮观宏伟且富有建筑特色的大跨度建筑，层出不穷，幕墙技术被广泛地应用，并且在高速地发展。幕墙技术的发展主要体现为其所采用的新材料、新技术、新结构不断更新，不断升级。将钢铝结合立柱应用于幕墙设计中主要是由于和传统的铝材相比，钢铝组合结构有性能更可靠，成本更低的优势。

1钢铝组合结构应用于幕墙工程中的优势

幕墙的结构较常用的材料有铝合金结构、钢结构和钢铝组合结构三种。在大分格、大跨度、大风压结构的幕墙工程中，采用铝合金立柱往往很难满足幕墙的设计使用要求，采用钢铝组合结构就具有一定的技术和经济优势。

钢铝组合结构的优势主要有以下几个方面：

（1）同铝合金型材相比，钢材的强度较高。铝合金（6063-T5）强度设计值为fa=85.5MPa，弹性模量为Ea=70000MPa；钢材（Q235B）强度设计值为fS=215MPa，是铝合金的2.5倍，弹性模量为Es=210000MPa，是铝合金的3.0倍。在风荷载较大或楼层数较多的建筑物上，铝合金立柱型材往往不能达到幕墙的设计使用要求，此时可采用钢铝组合结构，可以提高立柱的强度和刚度以满足设计使用要求。

（2）可降低成本。因钢铝组合结构比铝合金结构强度和刚度大，可增大幕墙分格，相应密封胶条等配件的用量也会随之减小，从而降低成本。另一方面，有些地方基本风压比较大，风压对幕墙结构影响较大，幕墙大面及边角区由于体型系数的不一样，边角区受力明显大于大面。大面的铝合金立柱不能用于边角区，边角区需用更大截面尺寸的铝合金立柱，因边角区面积不大，重新开模费用较高，此时采用钢铝组合立柱可以不用重新开模，节约铝型材开模费用。

（3）钢铝组合结构设计灵活，可以提高幕墙结构的强度和刚度，又具有铝材的装饰效果和耐腐蚀性能。钢铝组合结构应用于幕墙结构设计中是将钢材与铝材这两种建筑物的材料巧妙结合起来，采用铝材内包钢，使钢材主要承担幕墙荷载，而铝材主要注重外表的装饰效果，这种设计既发挥了钢材的高强度、高弹性、价格低的优势，又发挥了铝材好的装饰效果和高耐腐蚀性能的特点，使整个幕墙结构具有高可靠性且经济性良好的特点。

2钢铝组合材料在幕墙设计中存在的问题

目前在建筑物的幕墙设计中广泛使用的是玻璃幕墙，其表现的光感以及色彩等都具有很广的市场前景。但是从目前的形式出发，实际工程存在很多的不足。铝合金材质以及柱形材料，在幕墙的结构中应用的很广，选择材料这方面存在问题。但是从施工角度出发，这种材料的弹性较小，经受不了大风的影响。其次，在实际的应用中，铝以及钢在其中的应用有可能会形成一些所谓的原电池，影响了整个幕墙的安全性，因此要避免产生原电池的现象。应选用一些其他的原材料，尽量的避免电解质的出现。

从设计规范等方面出发，钢铝组合的结构形式缺乏一些市场行业规范，但钢铝组合结构又具有广阔的发展前景。在这种情况下，相关部门要尽量的做好钢铝组合应用的相关规定；同时，还要加强制定各种技术标准，使标准规范和技术标准结合在一起，减少钢铝材料在其中存在的问题。

3钢铝组合结构幕墙设计的应用策略

3.1“铝穿钢”钢铝组合结构

“铝穿钢”钢铝组合结构主要是将钢芯穿入到铝型材的腔体中，使得钢和铝型材之间通过紧固件连接起来，共同承受荷载力，以满足安全以及挠度等要求。“铝穿钢”钢铝组合结构主要适用于建筑层高较高、跨度较大，且铝合金型材的强度和刚度无法满足需求的状况下。采用加入型钢内芯的做法来提高铝合金立柱的抗风压、地震以及自重等荷载的能力。“铝穿钢”在结构计算上通常采用刚度分配法，假定钢材与铝型材在承受荷载后，挠度相等，钢、铝型材沿轴向不产生相对位移；在立柱与横梁连接、立柱与主体连接的部位要做到钢、铝同时受力，钢、铝承担的荷载是与各自的刚度成正比。“铝穿钢”钢铝结合结构利用螺栓使钢、铝二者共同受力。立柱与主体结构连接采用对穿螺栓，在立柱跨度范围的多道横梁也采用对穿螺栓与立柱连接。合理地确定对穿的连接螺栓的规格和数量是铝合金型材内嵌钢套共同受力的可能和构造保证。“铝穿钢”钢铝结合结构为满足钢、铝同时承受荷载，设计中应把握三个技术要点：横梁、立柱龙骨的钢、铝部分应紧密结合；横梁应与立柱的钢材部分有效连接；立柱与主体结构连接的挂件、转接件、钢角码等，应与立柱的钢材部分有效连接。

3.2“铝包钢”钢铝组合结构

“铝包钢”钢铝组合结构在设计力学计算模型中仅钢材承受荷载，铝型材只起到装饰作用，相对“铝穿钢”钢铝组合结构在构造上相对简单，只需要利用螺钉或螺栓等紧固件把钢铝结合的部分处理好，使得玻璃板块所受的面荷载能有效传递到横梁或立柱上，横梁所受荷载可直接传递给钢立柱，再由立柱转接件传递到预埋件及主体结构中。“铝包钢”钢铝组合结构通常是在结构变化大、具有特殊造型而普通的铝合金结构难以满足要求的情况下采用。“铝包钢”将立柱视为单纯靠钢型材受力的体系，施工时只需要保证钢结构杆件的可靠连接，即可保证立柱受力的合理有效。铝型材在设计上自由度大、灵活性强，铝型材仅起到面板连接、装饰作用。

4钢铝组合结构幕墙设计的发展方向

随着国内建筑市场的国际化，建筑设计与国际的接轨必然导致钢铝组合结构幕墙设计向国际惯例靠拢。随着对建筑幕墙认识的深入，对幕墙设计的新要求会促进幕墙设计工作的新变化。

超高层建筑的快速发展必将推动建筑钢铝组合结构幕墙技术的进一步创新。大量摩天大楼的建设，必将引领世界超高层幕墙设计和施工水平的发展，包括诸如超高层建筑的风环境理论研究、超高层建筑“风阻尼”――建筑“舒适度”的研究、超高层建筑幕墙抗震安全性的研究、超高层建筑幕墙水密性――等压腔原理的研究、超高层建筑幕墙防火性能的研究、超高层建筑幕墙防雷性能的研究超高层建筑幕墙中“冷弯玻璃的初始压力如何发展”研究、超高层建筑幕墙中“石材使用限高100m”突破的理论研究、超高层建筑幕墙中双层热通道内空气有序流动的研究、超高层建筑幕墙维修更换技术的研究等等，随着这些问题研究不断深入和完美解决，中国必将成为全世界超高层建筑幕墙高端研发福地。

5结语

在幕墙设计中，钢铝组合结构的形式将会更受幕墙设计者的青睐，会被广泛的运用于各式各样的建筑当中，会充分发挥出这一特殊材料组合的优越性。改变幕墙设计行业的格局，使我们身边的建筑物更加绚丽多彩。建筑行业将会达到一个新的层次和新的高度。但是钢铝组合当中会存在很多问题，就不一一列举。只要我们能充分的了解材料的特性，再运用计算机这一强大的工具进行模拟的测验，就能得到一些只有在实际操作中才能得到的数据，利用这些难得的数据，再进行分析和计算，就会巧妙的将钢铝这两种材料结合起来，避免很多问题，发挥出这一组合的优越性。

参考文献：

[1]李海英，钢铝组合结构在幕墙设计中的应用分析，城市建设理论研究，2013年9期；

[2]吴汉彬.浅析钢铝组合结构在幕墙设计中的应用[J]现代物业（上旬刊），2012（07）