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【幕墻/設(shè)計(jì)】幕墻鋼橫梁和鋼立柱的焊接問題（趙西安） 2015-8-21 瀏覽次數(shù)：5046次 作者：萬林 提 要 《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ 133-2001 是90年代針對(duì)鋁合金型材而編制的，第5.6.6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2006年汶川大地震的考驗(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。
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2000年以前根本沒估計(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》 JGJ 133-2001 第5.6.6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(zhēng)議，被迫停工的事件也時(shí)有發(fā)生。 如何理解JGJ 133-2001 規(guī)范中第5.6.6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。
2 JGJ 133 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》 JGJ 133-2001 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 JGJ 133 規(guī)范，不能離開當(dāng)時(shí)的歷史背景和技術(shù)水平。 我國(guó)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 JGJ 102-96 和 JGJ 133-2001 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?，?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 JGJ 102-96、JGJ 133-2001 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 JGJ 133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。
3 《鋼結(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JGJ 102 、JGJ 133 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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB 50017-2003。 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50017 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。 GB 50017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》 GB 50429 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 JGJ 133 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JGJ 133的約束，直接按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 JGJ 17-87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，筆者參與了廣州的廣東省公安廳、廣東省交通大廈、廣東省建設(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。
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。四川成都地區(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》 JGJ 133 進(jìn)入送審階段，送審稿傳到四川后，根據(jù)第5.6.6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，這引起成都市有關(guān)部門的激烈反對(duì)，雙方展開了長(zhǎng)時(shí)間的爭(zhēng)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2008年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(guó)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；廣州、深圳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(guó)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，成都地區(qū)的幕墻經(jīng)歷了空前的大考驗(yàn)。1998年備受爭(zhēng)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(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？
6 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。 2009年建成的青島大劇院石材幕墻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）。2008年建成的廣州新白云機(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2 青島大劇院（2009）和石材幕墻焊接鋼結(jié)構(gòu)
圖3 廣州新白云機(jī)場(chǎng)（2008）點(diǎn)支玻璃幕墻的焊接骨架 2007年建成的北京首都機(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）。同樣寧夏銀川機(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5 銀川機(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(guó)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(guó)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)
廣州銀行大廈花崗巖幕墻高度260.9m，是目前國(guó)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）。 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(jié)構(gòu)，采用焊接（圖10、圖11）。
2010年上海世博會(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(zhǎng)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）。 2010年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8 廣州銀行大廈，2011，260m 圖9 廣州銀行大廈鋼橫梁與鋼立柱焊接
圖10 廣東圖書館花崗巖幕墻，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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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）
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》 JGJ 102-2003 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?！皯?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，JGJ 133 規(guī)范修訂已進(jìn)入送審報(bào)批階段，JGJ 102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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50017 和《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50018 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》JGJ 81 的規(guī)定?！?/span> 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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50017的規(guī)定，在幕墻鋼結(jié)構(gòu)中采用焊接。
8 小結(jié)
1.JGJ 133-2001 第5.6.6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》 GB 50017 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。 3. 已建工程的經(jīng)驗(yàn)和多次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果，以及2008年汶川大地震的考驗(yàn)，都表明了幕墻采用焊接鋼結(jié)構(gòu)是沒有問題的。 4．目前，許多大型公共建筑和大量的高層建筑的幕墻工程都在采用焊接鋼結(jié)構(gòu)。 5．實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)踐已經(jīng)走在規(guī)范的前面。現(xiàn)行規(guī)范已經(jīng)阻礙實(shí)踐向前發(fā)展，產(chǎn)生了許多麻煩。應(yīng)該盡快完成規(guī)范修訂的程序，盡快頒布施行。
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