幕墙钢结构的计算内容及稳定性分析相关要点

四、结构与构造

幕墙钢结构的计算内容需涵盖强度分析、挠度评估、局部和整体稳定性检验，以及连接构造的计算。

2、幕墙钢结构的稳定性：

在索结构、空间网格结构的安装施工期间以及投入使用后，必须进行全面的整体稳定性评估。

轴压、压弯以及受弯构件必须进行稳定性评估；对于竖直方向的分层结构或连续悬挂体系，立柱的稳定性需在仅受水平荷载的情况下进行验算。

对于两端简支的弯曲构件，若其截面为箱型且同时符合公式19.2.2-1和19.2.2-2的要求，则无需进行整体稳定性的验算。

当h/b0的值不超过6时，(19.2.2-1)所述条件得以满足。

当l1/b0的值不超过95（即235/fy的对应值），（依据19.2.2-2条款）。

式中

l1

——

侧向约束点的距离（mm）；

b0

——

箱型截面宽度（mm）；

——

箱型截面高度（mm）；

fy

——

钢材屈服强度（N/mm2）。

当H型钢或等截面工字形简支梁的受压翼缘自由长度l1与宽度b1的比值未超过表19.2.2所规定的数值时，无需对梁的整体稳定性进行计算。

表19.2.2中提到的型钢或等截面工字形简支梁，在确定其不需进行整体稳定性计算的极限长度l1与截面宽度b1的比值时，应参照该值。

钢号

跨中无侧向支承点的梁

跨中受压翼缘有侧向支承点的梁 不论荷载作用于何处

荷载作用于上翼缘

荷载作用于下翼缘

Q235

13.0

20.0

16.0

Q345

10.5

16.5

13.0

Q390

10.0

15.5

12.5

Q420

9.5

15.0

12.0

对于没有侧向支承点的跨中梁，其跨度被定义为l1；而对于在跨中有侧向支承点的梁，l1则是指受压翼缘侧向支承点之间的距离，而梁的支座位置则被视为存在侧向支承。

对于跨度较宽或截面较窄，或者需要承受弯曲和扭转力的简支梁，在其支承部位，必须采取相应的构造措施，以防止梁的端部截面发生扭转不稳定现象。

非预应力构件在拉伸状态下的长细比上限为350，当承受永久荷载和风荷载共同作用并处于压缩状态时，该比值不宜超过250。对于正常压缩状态的构件，其长细比的上限应为150，而在杆件内力未超过承载能力50%的情况下，长细比的上限也不应超过200。

幕墙钢结构的变形性能设计需全面考量其承载能力与变形潜力，且该设计需与主体结构的变形设计保持一致；若主体结构的刚度对设计敏感，则需明确设定主体结构刚度的控制标准。在主体结构发生较大变形的情况下，幕墙的连接节点设计需考虑这种变形带来的影响，并确保连接节点构造能够有效减轻主体结构的变形效应，同时使整体与幕墙体系相匹配。

焊接钢构件所选用的钢板厚度应在4毫米至16毫米之间为宜。厚板焊接构件不宜选用，尤其是小截面厚板焊接构件更应避免。在焊接组合截面时，钢板的厚度差距不应超过一倍。对于矩形或工字型截面的梁和柱，建议使用定型型材。

单块板材，抑或是通过焊接叠加而成的板材，均不适合作为幕墙结构体系中的主要承重梁和柱子等构件。

7、构件截面的高宽比：

柱的横截面积尺寸（以圆柱为例，即直径的长度）不宜低于柱体计算长度的三分之一。

矩形截面的柱子，其长宽比例最好不超过4.0，更不能超过6.0。

工字钢截面的柱翼缘宽度应适当选取，建议为柱截面高度的1/2至1/4之间。

构件的设计应优先考虑采用对称的截面或者主轴对称的截面形式。对于那些具有弯曲和扭转作用的构件，必须进行相应的弯扭验算。在选用弯扭构件时，建议优先选择闭口截面的设计。

对于高度或跨度较大的幕墙钢结构体系，需依据主体结构的支撑状况，设计为水平支撑或垂直支撑的样式。在此过程中，主要结构形式可以包括框架结构、平面桁架、空间桁架、网架结构、网壳结构、张弦梁结构、索张拉结构以及悬吊结构等多种选择。

（1） 竖向支承的柱或桁架可采用吊挂或下座结构形式。

在设计和施工水平支承的梁或桁架时，需考虑到由梁或桁架自身的重量（包括面板及其附件）引起的变形，若条件允许，可提前进行预拱处理。对于桁架的非支撑边缘，应安装吊杆或撑杆来控制其竖向挠度和侧向弯曲，且这些杆件应保持连续性。在幕墙自重的影响下，水平承力构件在单块面板的跨度范围内产生的挠度df，不应超过该跨度的千分之一，同时也不应超过3毫米。

梁、柱以及桁架的结构需进行正负风压影响下的侧向稳定性检验，如需加强，可适当增设辅助的杆件系统。

应对主要支撑结构的抗风梁或抗风桁架进行验算，在仅考虑标准风荷载值，不考虑阵风系数的情况下，其挠度df应当小于或等于其跨度的千分之一。

吊杆的布置应按照一定的间隔进行，推荐使用钢索或钢杆进行分层悬挂与调整。吊杆的理想位置是在横梁的静载质心处，若条件不允许，则应在横梁上设置能够抵抗扭转的平衡杆。当悬吊体系需要跨越多个楼层时，吊杆宜选用钢索，并且横梁需要有相应的支撑和调节结构。根据主体结构的类型、横梁的跨度以及所承受的荷载情况，横梁的两端可以设计为固定铰接或不固定铰接，一侧可动。吊杆顶端能够与主体结构的构件或是幕墙的支撑构件相连接，在悬吊体系的边缘部分，必须考虑到因变形而产生的协调问题以及承载时的安全性。

幕墙与主体结构的连接部位需具备吸收主体结构变形对幕墙系统产生负面影响的能力，或者选用能够缓解温度应力、适应变形的连接方式。

屋面外非封闭式建筑幕墙的风荷载体型系数，若具备风洞实验所得数据，则应依据这些数据来确定数值，但无论是正风压还是负风压，其取值均不得低于2.0。当使用钢结构作为此类幕墙的支撑结构时，可以根据幕墙悬挑的具体高度来选择合适的支撑方式。当建筑高度不超过2.5米时，推荐使用单柱结构；若高度介于2.5米至4.5米之间，则建议采用单柱加支撑的设计；而对于高度超过4.5米的建筑，桁架结构将是更合适的选择。在标准风荷载作用下，幕墙支撑钢结构挠度不应超过其自身高度的1/400，同时还需符合幕墙系统的各项性能标准。对于出屋面且非封闭的建筑幕墙钢结构，必须具备稳定的系统以及稳固的锚固支座。

选用钢结构构建独立门框，设计时需遵循以下规范：

当门洞的总宽度不超过6米时，可以选择使用由构件组成的框架结构，此时梁和柱可以选用型钢或管材作为材料。在此结构中，其计算模型表现为：在幕墙的平面内，采用刚架结构；而在幕墙的平面外，则采用悬臂构件。柱底在两个方向上均采用刚性连接，梁与柱的连接部分也宜设计为刚性连接。

当门洞的总宽度不超过9米时，可以选择使用平面格构式的钢结构。在幕墙平面之外，受到水平风力的作用方向上，横梁的设计采用桁架结构，而立柱则设计为与桁架上下弦相对应的双肢柱。梁与柱的连接可以设计为铰接连接，或者根据所需的刚度要求设计为刚性连接。双肢柱的底部构造应能够实现双向传递弯矩的功能。在计算模型方面，幕墙平面内的结构为排架或刚架，而幕墙平面外的结构则为悬臂构件。

门洞总宽度6m～9m时也可按第1款设计。

当门洞的宽度达到或超过12米时，可以选择使用空间格构式的钢结构，此时横梁和立柱都构成了空间构架。如果门洞的高度低于4.0米，立柱也可以设计成平面双肢柱的形式。

门洞总宽度9m～12m时可按第2款或第3款设计。

在门框结构中，可安装辅助立柱以适应门板的安装需求，或用于降低横梁的计算跨度；这些辅助立柱的上下端，根据设计要求，可以是可旋转的铰接连接或不可旋转的刚性连接。

框架横梁的设计应仅考虑自重及水平风力作用，不应将上部幕墙的静重转移到门框横梁上。当门框横梁作为索幕墙拉索的下支座时，必须对索力荷载进行计算。同时，桁架和构架的节间分格应与上部幕墙的立柱或拉索的位置保持一致。

门框横梁若配备雨蓬，须遵循本标准第18.4.7项的规定。雨蓬的悬挑部分长度不应超过2米。若雨蓬悬挑长度超过2米，则需增强横梁的抗扭强度，或者选用空间格构式的横梁设计。

大门框架的设计需涵盖平面内外承载能力的极限状态计算，以及构件与节点的构造设计，还要处理大门框架与周边幕墙的构造关系。此外，门轴与大门框架的连接设计需遵循本标准第12章的规定。

大门框架的立柱在风荷载的标准影响下，其顶部位移的允许值不得超过柱高的四百分之一。同时，横梁在幕墙的平面内及平面外的挠度限制，均需遵守本标准第13.4.4条的规定，且平面外的挠度限制还需符合第19.2.9条第4款的要求。

门框横梁若作为索幕墙拉索的下端支撑，则立柱的底部锚固需要进行抗拉力的校验。同时，需计算索力对横梁产生的荷载组合挠度值，并根据大门框架中是否存在能承受抗力的辅助柱，选取挠度值不超过计算跨度五百分之一的数值。若荷载组合挠度值朝上，其绝对值不得超过10毫米。

大门的框架立柱基础必须具备稳固的锚固措施，同时还要满足19.2.15条第6款的相关规定。

钢结构受力部件及连接部分，不宜选用厚度低于4毫米的钢板或壁厚不足3毫米的钢管；在焊接作业中，不宜使用截面尺寸小于L45×4或L56×36×4的角钢；而在螺栓连接的情况下，则不宜选用截面尺寸小于L50×4的角钢。

13、加劲肋宜在腹板两侧成对配置，支撑加劲肋不应单侧配置。

幕墙的钢结构必须具备清晰的计算模型，同时其节点构造必须与结构计算所设定的假设相吻合。

15、   梁、柱连接的刚接和铰接：

（1） 一般钢结构杆件的焊接应视为铰接。

沿杆件截面的焊接连接应当被视为可旋转的铰接连接。而在围焊的基础上额外焊接肋板的焊接连接，则可以看作是刚性连接。在强度计算过程中，肋板不应被当作独立构件来考虑其作用。

柱端若嵌入套芯，则应将其视为可旋转连接。对于悬挂式的立柱，其顶部结构设计时应当采用可旋转的连接方式。

柱底部的下座设计可以依据计算模型选择为刚性连接或铰接方式，亦或采用主向刚性连接、次向铰接的复合结构。若下端采用刚性连接，则上端需设计为能够沿竖直方向滑动的铰接形式。

矩形和圆形管材构成的支架斜杆与主体杆件采用铰接方式相连。若直角连接节点设计为刚性连接，则需进行45度斜板转接焊接处理。在杆件交叉的节点处，建议适当减小偏心距。

除了荷载较轻、尺寸有限以及施工许可相关因素，下座式立柱与主体结构的连接必须配备地脚锚栓；同时，柱端必须设置钢底板；并且，不应直接将埋件焊接于主体结构内部。

对于那些对变形协调性要求较高的梁或柱，在铰接连接的设计上，可以选择采用销轴式、辊轴式或盆式支座式连接方式。

梁柱连接节点可以采用栓焊结合、螺栓固定、焊接以及端板式等多种构造方式。当梁柱节点设计为刚性或半刚性时，还需对节点在弯矩和剪力作用下的强度进行相应的验算。

在幕墙钢结构与主体结构进行焊接连接时，必须对焊缝进行计算，这一计算需涵盖焊缝所承受的剪力、拉力以及因偏心荷载产生的弯矩。

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