浅谈围护结构墙面檩条的发展趋势
张乃文
【摘 要】随着社会发展与时代进步，传统工业建筑的外立面已经从简单、单一 ，发展到如今多元、现代、大方、美观的幕墙效果，与其配套的墙面檩条的节点处理也越来越复杂。论文结合实际项目介绍了电子厂房墙面檩条的相关问题，如武汉华星光电项目主要介绍悬挑构件的处理方法，合肥京东方项目主要介绍泄爆墙节点做法，详细剖析了泄爆过程。
【Abstract】With the development of society and the progress of the times， the facade of traditional industrial buildings has changed from simple， single developed to modern， generous and beautiful curtain wall effect. Its matching wall purlin nodes processing is more and more complex. Text mainly with the actual project introduced the electronic plant wall purlins related issues， the cantilever component processing methods is introduced in Wuhan Huaxing photoelectric project. Hefei BOE project mainly introduces the node method of breaking the wall， and detailedly analyzes the breaking process.
【關键词】金属幕墙；新型截面；设计方法；节点处理
【Keywords】metal curtain wall； new-type section； design method； node processing
【中图分类号】TU312+.1 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）08-0152-03
1 项目介绍及分析
1.1 武汉华星光电项目
项目地址：湖北省武汉东湖新技术开发区光谷左岭产业园显示产业基地。外墙围护面积39000㎡，包括FAB1生产厂房、动火食堂、4A连廊、2A管廊。
1.1.1 檩条设计说明
武汉华星光电项目主结构为钢筋混凝土框架结构，外墙板为 厚100mm的新型岩棉夹芯板聚氨酯侧封。檩条截面形式为C型钢、双抱C型钢，动火食堂弧形部分采用矩形管。本工程采用喜利得5.8级M12化学锚栓。武汉基本风压为0.35kN/m2，风荷载较小，故本次檩条设计部分的难度主要集中在檩条悬挑部分。
FAB1墙面以单C型钢为主，洞口位置由于跨度较大，挠度要求较高，故采用双抱C型钢，材质Q345，如图1所示。动火食堂弧形部分檩条采用矩形钢管，材质为Q235B，弧形檩条用矩形管可以实现，因为其他檩条不方便弯弧，如图2所示。东立面高低跨，竖向檩条下部没有固定点，悬挑长度4m，原方案采用口对口抱焊C型钢，经多方讨论檩条不宜悬挑过长，采用在悬挑部分檩条增加斜撑的方式为其提供可靠支撑，如图3所示。由于屋顶要铺防水，出屋面檩条无法增加斜撑，檩条悬挑2.5m，檩条采用加密的方式，保证其安全性，如图4所示。
1.1.2 埋件详图及化学锚栓
简单介绍本项目的埋件详图，竖向檩条和埋件相连接，由于混凝土结构的误差较大，因此檩条开竖向长圆孔，檩托板开前后长圆孔，埋板开横向长圆孔，三个方向都可以调节以确保檩条外侧的平直度，如图5、6所示。横向檩条和埋件连接，如图7、8所示。
本项目应用喜利得的化学锚拴M12，目前该化学锚栓应用广泛，已占领大部分外挂结构项目和加固项目，其受力性能比较好，价格相对合理。在外维护系统中化学锚栓渐渐替代了膨胀螺栓，原因是风的风压力和风吸力会反复作用于锚栓，膨胀螺栓不宜受反复拉压应力。
1.2 合肥京东方项目
项目地址：合肥市合肥新站综合开发试验区魏武路与铜陵北路交口。外墙围护面积165065㎡，包括A、B、D三个标段。
1.2.1 檩条和泄爆系统的设计说明
合肥京东方项目结构类型为钢筋混凝土框架结构，外墙板为厚50mm的新型纯岩棉四面企口夹芯板和50mm厚纯岩棉两面企口夹芯板+750波纹单板。檩条截面形式为矩形管。本工程采用喜利得5.8级M12化学锚栓。合肥基本风压为0.35kN/m2，本次檩条设计部分难度不大，主要介绍泄爆系统。
泄爆定义：在设备和建筑物壁面设局部弱面，以泄放内部爆炸压力，降低爆炸作用，使其主体得到保护的防爆技术。其作用是发生爆炸时保护建筑物不会发生变形，防止泄爆飞出物体造成人员伤亡。规范要求：有爆炸危险的甲、乙类厂房轻质墙体和轻质屋盖的自重不超过60kg/m2，泄压面积与厂房体积的比值宜采用0.05～0.22m2/m3，不宜小于0.03m2/m3。泄爆系统的关键在于泄爆垫圈，它根据泄爆压力来匹配使用，当达到泄爆压力时垫圈破坏，自攻螺钉失效，墙板就会和檩条分开，从而达到泄爆的目的，牵引是为了避免墙板开启过大对外界造成伤害。
2 檩条的截面选择及设计优化
由于现在建筑市场萧条，各大钢结构企业为了竞标，力求在用钢量上做到最优，用钢量虽然能够直接反应成本，但采购和加工的费用也不容忽视。
2.1 檩条截面的选择
常用的为C型钢、Z型钢和方管。Z型钢在墙面应用较少，多用于屋面作为连续檩条使用。C型钢直接采用钢带通过多道轧辊直接冷轧成型，钢带为镀锌钢带。而镀锌方管需要从黑管开始镀锌，镀锌的价格和截面尺寸、方管的厚度、方管的长度都有关系。C型钢有国标规格，方管只有常规规格，如果使用非常规规格价格会高出很多，而且需要提前订货。C型钢的钢材材质一般为Q235和Q345，如果檩条计算非挠度起控制作用，建议使用薄壁高强的截面，用钢量会省很多。
2.2 檩条的设计思路
根据建筑立面的多数墙板的长度来进行等分，估算出檩条的间距，试算檩条的截面高度能否满足建筑给出的空间要求，同时也要验算墙板能否满足在风荷载作用下的挠度要求。檩条计算可以参见《门式刚架轻型房屋鋼结构技术规范》、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》和《建筑结构荷载规范》。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》刚刚经过修订成为国标规范，原来为行业标准《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》，我国修订此规范曾参见美国金属房屋制造协会MBMA《底层房屋体系手册》，高度在18m以下的房屋计算墙面檩条时，按规程中的公式计算相比按荷载规范用钢量会省很多，但是新门刚规范修改了很多系数，用钢量和荷载规范差别不大了，因此檩条在规范的选择上已经没有优势了。
目前计算檩条的软件，如PKPM等，只停留在传统的简支和多跨连续，由于一些电子厂房外立面造型独特，常常会遇到檩条悬挑，这种计算在工具箱里是实现不了的，需要手动建模计算。由于市场竞争激烈，各大钢结构公司都在寻求降低成本的设计方法，檩条系统提出了一个设计方法：多跨静定梁模式。原因是檩条的运输长度大概在12m左右，只有Z型钢能作搭接连续设计，而C型钢和方管现场拼接无法达到连续的效果，按照多跨静定梁模式计算檩条的内力和连续檩条相差不多。如图9所示，此种模式檩条的变形和应力都得到了很好的控制，是一个节省用钢量的方法。
3 檩条的新型截面
冷弯薄壁型钢构件的稳定问题一直是科研工作者和规范编制人员的工作重点。由于超薄、高强钢材带来了许多新的问题，如不同截面形式受弯构件的屈曲模态和极限承载力都有很大区别。目前，对某些新型截面形式，如Σ形复杂卷边槽钢、v形复杂卷边槽钢轴压构件稳定性能的理论和试验研究成果还比较少，现有国内外规范也不够完善，致使这些构件很难直接应用到设计中。
目前工程中应用的单轴对称薄壁构件大多都是C型钢即卷边槽钢，本文要推荐复杂卷边槽钢、腹板加劲复杂卷边槽钢这两类截面。冷弯薄壁型钢规范中还没有涉及这两类截面的相关性能。国内学者对冷弯薄壁型钢受弯构件的研究主要以简单卷边槽钢为主。近年来，王海明对不同卷边形式的C形截面在纯弯和非纯弯状态下的稳定性进行了系统的试验及理论研究，并得出采用复杂卷边的形式可大大改善卷边稳定性能的结论[1]。这个结论将会是一个未来的发展方向。
复杂卷边槽钢如图10、图11、图12所示。
薄壁构件存在着一种特殊的屈曲模式叫畸变屈曲，随着畸变屈曲越来越多的出现，广大学者对这一屈曲模式也越来越重视。对于腹板加劲复杂卷边槽钢构件受弯时，由于腹板的宽厚比减小，使局部屈曲应力有所提高，导致畸变屈曲起控制作用。冷弯薄壁型钢规范中计算C型钢的极限承载力的方法为有效宽度法，这种方法有两个缺陷：一是需要对每块板件进行几何特性的计算，对于复杂截面这种方法较为麻烦；二是此种方法未考虑畸变屈曲的影响。因此国内学者参鉴国外规范的直接强度法提出了匹配我国规范的直接强度法，此种方法计算简便，可直接计算全截面几何特性，同时也考虑了畸变屈曲的影响，公式详见王海明的博士论文。此公式适用于复杂卷边槽钢和卷边槽钢。对于此类受弯加劲截面构件的受力状态在不同约束条件下的稳定性能还有待研究，目前只是有相应的试验研究，确定腹板Σ形加劲复杂卷边槽钢受弯的性能较不加劲截面提高很多[2]，板件加劲后对构件的屈曲模式有很大影响，现有的公式不能够匹配，因此腹板加劲复杂卷边槽钢受弯构件极限承载力的直接强度法的研究是以后的发展方向。
4 结语
本文通过两个项目介绍了电子厂房檩条的相关问题，详细剖析了泄爆过程，并指出泄爆系统的关键在于泄爆垫圈，其精髓是板与檩条的连接破坏，而非构件的破坏，因此无需考虑泄爆压力对檩条的影响。除此之外，提出了檩条截面类型的发展方向，并介绍了三种新型截面及国内人员的研究成果，这也为科研人员提供了方向，同时也为加工制造设备的更新和工程软件的开发指明了道路。
【参考文献】
【1】王海明.冷弯薄壁型钢受弯构件稳定性能研究（博士学位论文）[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.
【2】于欣永.新型截面冷弯薄壁型钢受弯构件稳定性能研究[D].沈阳：沈阳建筑大学，2012.
【摘 要】随着社会发展与时代进步，传统工业建筑的外立面已经从简单、单一 ，发展到如今多元、现代、大方、美观的幕墙效果，与其配套的墙面檩条的节点处理也越来越复杂。论文结合实际项目介绍了电子厂房墙面檩条的相关问题，如武汉华星光电项目主要介绍悬挑构件的处理方法，合肥京东方项目主要介绍泄爆墙节点做法，详细剖析了泄爆过程。
【Abstract】With the development of society and the progress of the times， the facade of traditional industrial buildings has changed from simple， single developed to modern， generous and beautiful curtain wall effect. Its matching wall purlin nodes processing is more and more complex. Text mainly with the actual project introduced the electronic plant wall purlins related issues， the cantilever component processing methods is introduced in Wuhan Huaxing photoelectric project. Hefei BOE project mainly introduces the node method of breaking the wall， and detailedly analyzes the breaking process.
【關键词】金属幕墙；新型截面；设计方法；节点处理
【Keywords】metal curtain wall； new-type section； design method； node processing
【中图分类号】TU312+.1 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）08-0152-03
1 项目介绍及分析
1.1 武汉华星光电项目
项目地址：湖北省武汉东湖新技术开发区光谷左岭产业园显示产业基地。外墙围护面积39000㎡，包括FAB1生产厂房、动火食堂、4A连廊、2A管廊。
1.1.1 檩条设计说明
武汉华星光电项目主结构为钢筋混凝土框架结构，外墙板为 厚100mm的新型岩棉夹芯板聚氨酯侧封。檩条截面形式为C型钢、双抱C型钢，动火食堂弧形部分采用矩形管。本工程采用喜利得5.8级M12化学锚栓。武汉基本风压为0.35kN/m2，风荷载较小，故本次檩条设计部分的难度主要集中在檩条悬挑部分。
FAB1墙面以单C型钢为主，洞口位置由于跨度较大，挠度要求较高，故采用双抱C型钢，材质Q345，如图1所示。动火食堂弧形部分檩条采用矩形钢管，材质为Q235B，弧形檩条用矩形管可以实现，因为其他檩条不方便弯弧，如图2所示。东立面高低跨，竖向檩条下部没有固定点，悬挑长度4m，原方案采用口对口抱焊C型钢，经多方讨论檩条不宜悬挑过长，采用在悬挑部分檩条增加斜撑的方式为其提供可靠支撑，如图3所示。由于屋顶要铺防水，出屋面檩条无法增加斜撑，檩条悬挑2.5m，檩条采用加密的方式，保证其安全性，如图4所示。
1.1.2 埋件详图及化学锚栓
简单介绍本项目的埋件详图，竖向檩条和埋件相连接，由于混凝土结构的误差较大，因此檩条开竖向长圆孔，檩托板开前后长圆孔，埋板开横向长圆孔，三个方向都可以调节以确保檩条外侧的平直度，如图5、6所示。横向檩条和埋件连接，如图7、8所示。
本项目应用喜利得的化学锚拴M12，目前该化学锚栓应用广泛，已占领大部分外挂结构项目和加固项目，其受力性能比较好，价格相对合理。在外维护系统中化学锚栓渐渐替代了膨胀螺栓，原因是风的风压力和风吸力会反复作用于锚栓，膨胀螺栓不宜受反复拉压应力。
1.2 合肥京东方项目
项目地址：合肥市合肥新站综合开发试验区魏武路与铜陵北路交口。外墙围护面积165065㎡，包括A、B、D三个标段。
1.2.1 檩条和泄爆系统的设计说明
合肥京东方项目结构类型为钢筋混凝土框架结构，外墙板为厚50mm的新型纯岩棉四面企口夹芯板和50mm厚纯岩棉两面企口夹芯板+750波纹单板。檩条截面形式为矩形管。本工程采用喜利得5.8级M12化学锚栓。合肥基本风压为0.35kN/m2，本次檩条设计部分难度不大，主要介绍泄爆系统。
泄爆定义：在设备和建筑物壁面设局部弱面，以泄放内部爆炸压力，降低爆炸作用，使其主体得到保护的防爆技术。其作用是发生爆炸时保护建筑物不会发生变形，防止泄爆飞出物体造成人员伤亡。规范要求：有爆炸危险的甲、乙类厂房轻质墙体和轻质屋盖的自重不超过60kg/m2，泄压面积与厂房体积的比值宜采用0.05～0.22m2/m3，不宜小于0.03m2/m3。泄爆系统的关键在于泄爆垫圈，它根据泄爆压力来匹配使用，当达到泄爆压力时垫圈破坏，自攻螺钉失效，墙板就会和檩条分开，从而达到泄爆的目的，牵引是为了避免墙板开启过大对外界造成伤害。
2 檩条的截面选择及设计优化
由于现在建筑市场萧条，各大钢结构企业为了竞标，力求在用钢量上做到最优，用钢量虽然能够直接反应成本，但采购和加工的费用也不容忽视。
2.1 檩条截面的选择
常用的为C型钢、Z型钢和方管。Z型钢在墙面应用较少，多用于屋面作为连续檩条使用。C型钢直接采用钢带通过多道轧辊直接冷轧成型，钢带为镀锌钢带。而镀锌方管需要从黑管开始镀锌，镀锌的价格和截面尺寸、方管的厚度、方管的长度都有关系。C型钢有国标规格，方管只有常规规格，如果使用非常规规格价格会高出很多，而且需要提前订货。C型钢的钢材材质一般为Q235和Q345，如果檩条计算非挠度起控制作用，建议使用薄壁高强的截面，用钢量会省很多。
2.2 檩条的设计思路
根据建筑立面的多数墙板的长度来进行等分，估算出檩条的间距，试算檩条的截面高度能否满足建筑给出的空间要求，同时也要验算墙板能否满足在风荷载作用下的挠度要求。檩条计算可以参见《门式刚架轻型房屋鋼结构技术规范》、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》和《建筑结构荷载规范》。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》刚刚经过修订成为国标规范，原来为行业标准《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》，我国修订此规范曾参见美国金属房屋制造协会MBMA《底层房屋体系手册》，高度在18m以下的房屋计算墙面檩条时，按规程中的公式计算相比按荷载规范用钢量会省很多，但是新门刚规范修改了很多系数，用钢量和荷载规范差别不大了，因此檩条在规范的选择上已经没有优势了。
目前计算檩条的软件，如PKPM等，只停留在传统的简支和多跨连续，由于一些电子厂房外立面造型独特，常常会遇到檩条悬挑，这种计算在工具箱里是实现不了的，需要手动建模计算。由于市场竞争激烈，各大钢结构公司都在寻求降低成本的设计方法，檩条系统提出了一个设计方法：多跨静定梁模式。原因是檩条的运输长度大概在12m左右，只有Z型钢能作搭接连续设计，而C型钢和方管现场拼接无法达到连续的效果，按照多跨静定梁模式计算檩条的内力和连续檩条相差不多。如图9所示，此种模式檩条的变形和应力都得到了很好的控制，是一个节省用钢量的方法。
3 檩条的新型截面
冷弯薄壁型钢构件的稳定问题一直是科研工作者和规范编制人员的工作重点。由于超薄、高强钢材带来了许多新的问题，如不同截面形式受弯构件的屈曲模态和极限承载力都有很大区别。目前，对某些新型截面形式，如Σ形复杂卷边槽钢、v形复杂卷边槽钢轴压构件稳定性能的理论和试验研究成果还比较少，现有国内外规范也不够完善，致使这些构件很难直接应用到设计中。
目前工程中应用的单轴对称薄壁构件大多都是C型钢即卷边槽钢，本文要推荐复杂卷边槽钢、腹板加劲复杂卷边槽钢这两类截面。冷弯薄壁型钢规范中还没有涉及这两类截面的相关性能。国内学者对冷弯薄壁型钢受弯构件的研究主要以简单卷边槽钢为主。近年来，王海明对不同卷边形式的C形截面在纯弯和非纯弯状态下的稳定性进行了系统的试验及理论研究，并得出采用复杂卷边的形式可大大改善卷边稳定性能的结论[1]。这个结论将会是一个未来的发展方向。
复杂卷边槽钢如图10、图11、图12所示。
薄壁构件存在着一种特殊的屈曲模式叫畸变屈曲，随着畸变屈曲越来越多的出现，广大学者对这一屈曲模式也越来越重视。对于腹板加劲复杂卷边槽钢构件受弯时，由于腹板的宽厚比减小，使局部屈曲应力有所提高，导致畸变屈曲起控制作用。冷弯薄壁型钢规范中计算C型钢的极限承载力的方法为有效宽度法，这种方法有两个缺陷：一是需要对每块板件进行几何特性的计算，对于复杂截面这种方法较为麻烦；二是此种方法未考虑畸变屈曲的影响。因此国内学者参鉴国外规范的直接强度法提出了匹配我国规范的直接强度法，此种方法计算简便，可直接计算全截面几何特性，同时也考虑了畸变屈曲的影响，公式详见王海明的博士论文。此公式适用于复杂卷边槽钢和卷边槽钢。对于此类受弯加劲截面构件的受力状态在不同约束条件下的稳定性能还有待研究，目前只是有相应的试验研究，确定腹板Σ形加劲复杂卷边槽钢受弯的性能较不加劲截面提高很多[2]，板件加劲后对构件的屈曲模式有很大影响，现有的公式不能够匹配，因此腹板加劲复杂卷边槽钢受弯构件极限承载力的直接强度法的研究是以后的发展方向。
4 结语
本文通过两个项目介绍了电子厂房檩条的相关问题，详细剖析了泄爆过程，并指出泄爆系统的关键在于泄爆垫圈，其精髓是板与檩条的连接破坏，而非构件的破坏，因此无需考虑泄爆压力对檩条的影响。除此之外，提出了檩条截面类型的发展方向，并介绍了三种新型截面及国内人员的研究成果，这也为科研人员提供了方向，同时也为加工制造设备的更新和工程软件的开发指明了道路。
【参考文献】
【1】王海明.冷弯薄壁型钢受弯构件稳定性能研究（博士学位论文）[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.
【2】于欣永.新型截面冷弯薄壁型钢受弯构件稳定性能研究[D].沈阳：沈阳建筑大学，2012.
