钢铝组合结构在幕墙设计中应用分析论文

钢铝组合结构在幕墙设计中的应用分析摘要：本文首先介绍了钢铝组合结构的优点，然后阐述了钢铝组合结构的发展以及存在的问题，重点分析钢铝组合结构在幕墙设计中应用计算机辅助计算，最后提出了幕墙设计的发展方向。

关键词：钢铝组合结构，幕墙设计，优点，计算机辅助计算。

中图分类号： tu318 文献标识码： a 文章编号：一、钢铝组合结构的优点1、钢铝组合结构的质量轻相同面积下，将钢铝组合的立柱型材应用于幕墙结构中，同陶板幕墙、瓷板幕墙、微晶玻璃幕墙、混凝土板幕墙、千思板幕墙相比，能够减轻幕墙的质量，也就减轻了建筑物的质量。

2、钢铝组合结构的强度大同铝合金立柱型材在幕墙结构设计中的应用相比，铝合金弹性模量是0.7×105mpa，强度设计值85.5mpa，在风荷载较大或楼层数较多的建筑物上，往往不能达到幕墙的使用要求；而钢材的弹性模量是2.1×105mpa，强度设计值为215mpa，其弹性模量是铝合金的3倍，而强度是铝材的2.5倍，所以，在幕墙设计中应用钢铝组合，其荷载承重力将得到加强。

3、钢铝组合结构设计灵活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有机结合起来，钢材主要承担幕墙荷载，而铝材主要重外表的装饰效果，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的特点。

4、钢铝组合结构设计的防火性能较强铝合金在幕墙结构中不能用于承重，因为其强度在高温情况下损失得十分严重，当温度达到250℃时，其强度就会降为原来的1/2，在370℃时，其强度会全部丧失。

钢材是典型的建筑不燃材料，它的强度在100℃时会有所降低，但随着温度的升高，其强度又会不断增加。

所以，将钢材用于幕墙的承重结构中，整个幕墙的防火性能能够得到提高。

二、钢铝组合结构的产生和发展随着建筑幕墙技术的发展，幕墙被应用到越来越多的建筑中，而对于大分格、大跨度、大风压地区（如大连、厦门、深圳等）的玻璃幕墙，采用铝合金结构已不能满足幕墙对骨架结构强度和刚度的要求。

于是有设计师开始选用工字钢、方钢通等钢型材来做为受力构件。

但实际使用中，由于生产加工过程中其精度难以控制在理想范围，导致装饰效果差，而且由于受表面处理的局限性和材料本身性能的影响，极易出现褪色、漆膜脱落等现象，严重者甚至锈迹斑斑。

有的设计师想到在钢结构外包饰一层铝塑复合板，但新的问题又出现了，由于铝塑复合板需在工地现场折弯，折弯角度难以控制，导致横梁不平、立柱不直，装饰效果难以保证。

有的设计师想到在铝型材内部插入钢加强芯，显而易见的是，由于安装工艺的限制，钢铝直接接触是不可避免的，而钢铝直接接触会导致电化腐蚀，这是决不允许出现的。

似乎山穷水尽，然而不断地总结经验教训，终于得出了一个比较理想的方案——钢铝组合结构。

通过采用一种全新的钢型材—铝型材组合结构作为横梁和立柱，将以上各种结构型式的不足一一弥补，从而有效解决大分格、大跨度、大风压玻璃幕墙给结构所带来的种种问题。

三、钢铝组合结构应用于幕墙设计中存在的问题钢铝组合结构在幕墙设计中的应用缺少相应的标准规范。

伴随着建筑幕墙技术在国内建筑物上的广泛应用，其市场前景十分广阔，国家对幕墙技术的使用也制订了相关的法规性政策，其行业内部监管部门也出台了技术标准，但钢铝组合结构在幕墙设计中的应用还处于初期的探索阶段，各项规范、规程、标准还没有形成基本配套的体系，这就缺少对这种技术的监管依据，对工程质量的可靠性产生影响。

四、钢铝组合结构在幕墙设计中应用计算机辅助计算在幕墙设计中应用钢铝组合结构，就要对钢铝组合结构的性能进行分析与计算，让其承载力能够满足幕墙设计要求。

组合中的钢材和铝型材共同组成一个截面，这个截面共同承受外荷载，那么，就要对这个组合截面的承载力进行计算，这种计算必须依靠专业的计算机程序对其组合截面进行模拟，这点是较难实现的。

下面探讨一种简便的计算机辅助计算方法。

1、计算机辅助计算方法的假设条件的设定1）由于在钢铝组合结构中，钢材和铝型材紧密地结合成一体，其在垂直于结构的承载作用可以认为二者是相同的，所以，假设在水平荷载作用下，钢材和铝型材的挠度相等，即等挠度原理；2）除此之外，轴向力所引起的应力极小，所以可以不予考虑，假设轴向力所引起的应力为0。

2、等效形心轴的求解由上述基本假定2），应力公式可简化为：σ=m/(γw) （1）式中：σ——应力，mpa；m——立柱弯矩设计值，n·mm；γ——截面塑性发展系数；w——在弯矩作用方向的净截面抵抗矩，mm3。

由上述基本假定1）可知u=u1=u2（2）式中：u1——钢铝组合结构中钢材, mm。

u2——铝型材在荷载作用下的挠度，mm。

联立挠度公式和式（2）可知：q/ei=q1/e1i1=q2/e2i2（3）式中q1、q2——钢铝组合结构中，钢材、钢铝型材分别承受的线荷载，n/mm：e1、e2——钢铝组合结构中，钢材、钢铝型材的弹性模量，mpa；i1、i2——钢铝组合结构中，钢材、钢铝型材的截面惯性矩，mm4。

由于水平均布线荷载为矢量，可知：q=q1+ q2（4）联立式(3)和式(4)可知：ei=e1 i1+e2i2 （5）式（5）表明钢材和铝型材分别承受的荷载是按刚度分配的。

由于刚度为弹性模量e和惯性矩j的乘积，因此求解计算组合截面惯性矩必需的等效形心轴时，必须先将不同截面组成材料的弹性模量进行等效转换，才能求出真正共同工作的等效形心轴。

由e1=2.1×10 mpa和e2=0.7×l0mpa可将式（5）转化为：ei=3e1i2+e1i1=e1(3i2+i1) （6）式（6）表明，等效形心轴是基于组合惯性矩3i2 +i1的形心轴。

3、钢铝组合结构的计算机辅助计算方法求出等效形心轴，就可以对已经形成整体面域的钢铝组合结构的截面图形使用“炸开”命令，而后，再执行“面域”步骤和“布尔运算差集”步骤，之后再对钢材和铝型材截面图形执行“质量特性”命令，就可以求出基于等效形心轴的和值。

依据式（3）和式（4），可求出q1和q2，进而可求出钢材和铝材的弯矩设计值m1和m2；再由基于等效形心轴的i1、i2和y1、y2可求出净截面抵抗矩w1和w2，代入式（1）即可求出钢材和铝型材最大正应力σ1和σ2。

将基于等效形心轴的i1、i2代入式（5），钢铝组合结构的整体抗弯刚度即可求出，将整体抗弯刚度代入挠度公式，即可求出挠度。

由于对于大跨度幕墙结构中钢铝组合结构的应用最重要的数据就是挠数，所以其计算结构最终得到钢铝结构的挠度，这种借助于计算机辅助技术进行的计算，虽然和实际值有些偏离，但基本上不影响其应用于实际工程设计中，因为其计算结果的实施偏差小于3℅。

五、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。

主要体现在以下几方面：1、超高层建筑的快速发展必将推动建筑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。

2、节能环保幕墙将被大量使用财政部及住房和城乡建设部于2009年3月23日联合发布财建[2009]128号及129号文件。

具体内容为《关于加快推进太阳能光电建筑应用实施意见》和《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》。

这二个重要文件对中国的幕墙行业将带来前所未有的利好和翻天变化的巨变，对于光电幕墙的超常规的蓬勃发展带来巨大机遇。

“太阳能屋顶”和“光伏幕墙”说到底是建筑外围护结构，其主体或叫载体还是幕墙系统。

所以国家对光电幕墙的事业上极力推荐改革无疑会使幕墙高速蓬勃发展。

同时国家关于大阳能屋顶及光伏幕墙的政策导向必将极大推进光电建筑材料的研发。

3、建筑遮阳系统建筑遮阳系统是高技术生态建筑的重要组成部分，建筑遮阳系统是阻止太阳热辐射直接影响室内环境的最有效方法，特别是建筑物外遮阳系统。

4、智能化幕墙系统智能化幕墙系统是集建筑、结构、机械、热工、电子、生态等专业技术于一体的智能化建筑围护结构。

这种幕墙充分利用建筑本身所处的自然环境，包括风向、温度、地理位置、周边树木、河流、地质等条件，一体化和系统地通过幕墙自身的主动适应性，自动地调节和最大程度地满足居住者的舒适性。

由此也可更进一步地唤醒居住者对周边环境的关注，从实际意义上切身提高环境保护意识和履行职责。

5、结构膜幕墙系统实际上是一种充气结构，用于室内为公共空间的围护结构。

但目前在国内上使用得并不普遍，还需时间进一步研究和积累有关经验。

六、结语钢铝组合结构在幕墙设计的应用经过实践的检验是切实可行的。

该技术的推广将能提高我国幕墙结构设计技术水平，能够推动建筑物外表装饰技术水平的不断前进。

参考文献：[1] 沈顺东.钢铝组合结构幕墙设计的应用[j].中国勘察设计，2007（1）.[2] 郝文平.建筑幕墙技术发展探讨[j].新型建筑材料，2005（3）.[3] 宁荣生.钢框架组合结构的防火设计[j].钢结构，2003（3）。