幕墙钢横梁和钢立柱的焊接问题

《幕墙钢横梁和钢立柱的焊接问题》
            赵西安  幕墙头条  

一、 问题的提出
        进入二十一世纪，钢结构在幕墙工程中大量应用，这是2000年以前根本没估计到的。随之而来就产生了幕墙工程中钢横梁和钢立柱可否采用焊接的现实问题。因为现行《金属及石材幕墙工程技术规范》 JGJ 133-2001 第5.6.6条规定“横梁应通过角码、螺钉或螺栓与立柱连接”，由此而来在许多工程中引发争议，被迫停工的事件也时有发生。
        如何理解JGJ 133-2001 规范中第5.6.6条规定的实际含义，如何在幕墙钢结构中合理应用焊接连接，已经成为不可回避的问题。
二、 JGJ 133 规范编制的时代背景
    《金属及石材幕墙工程技术规范》 JGJ 133-2001 颁布于 2001 年，编制于1996~1997年，是上一个世纪九十年代的产物，距离今天已经有十四五年的历史了。理解和应用 JGJ 133 规范，不能离开当时的历史背景和技术水平。
        我国从上个世纪八十年代开始出现幕墙，九十年代初形成幕墙行业。但是最初进入这一行业的并不是建筑公司，而是飞机制造公司。当时幕墙公司几乎全是军转民的飞机制造厂，它们熟悉铝合金材料，但对钢结构比较陌生。当时幕墙主要应用于办公楼和酒店，层高一般3m~4m，采用铝合金型材完全可以满足受力要求。因此幕墙行业的共识是幕墙只用铝合金结构，不采用钢结构。当时幕墙的普遍称呼是“铝合金建筑幕墙”、“铝合金玻璃幕墙”。
        1993~1995年编制《玻璃幕墙工程技术规范》 102-96 期间，经过努力，终于去掉了“铝合金”三个字，但是在幕墙中采用钢结构并没有被行业的大多数人接受。因此 JGJ 102-96 和 JGJ 133-2001 两本规范就是针对铝合金结构编制的，仅仅因为连接件不能不涉及钢材，所以才列入一些有关钢材的内容。正因为如此，规范许多条文的规定不适用于钢结构。
        十五年前的技术条件下，铝合金结构现场焊接还很难实现；而螺栓和螺钉连接对飞机制造厂来说轻车熟路，非常习惯。所以 JGJ 102-96、JGJ 133-2001 两本规范很自然规定“横梁应通过角码、螺钉或螺栓与立柱连接”。这对当时的铝合金结构是万无一失的可靠作法，自然得到幕墙厂家的肯定。
        十五年前编制 JGJ 133规范时，并没有幕墙设计审查制度，对黑体字条文的理解是“强调、提醒、着重”，提醒幕墙厂家“无特殊理由不要违反”。那时候谁也没有预料到后来会出现审查单位，会演变成今天的按条审查，“一条否决”。所以黑体字的强制性条文列得比较多，为了引起重视，甚至连一些并非唯一的具体做法也写成黑体字，产生了后来强制性条文管得过宽的结果。
        十五年过去了，客观现实已经发生了巨大变化，完全不同于上一个世纪的情况。但是规范一直没有修订，已经远远滞后于当前的技术水平，也不适应当前的技术管理制度。这就是问题和矛盾产生的历史原因。
         三、《钢结构设计规范》是幕墙钢结构设计的基本依据既然JGJ 102 、JGJ 133 规范是针对铝合金结构编制的，不完全适用于钢结构，那么在规范的新修订版本颁布之前，幕墙钢结构设计的基本依据就应该是现行国家标准《钢结构设计规范》 GB 50017-2003。
       《钢结构设计规范》GB 50017 适用于主体钢结构和围护钢结构。幕墙钢结构是钢结构的一部分，是处于《钢结构设计规范》的适用范围。
GB 50017规范对普遍适用的钢结构焊接作出了详细明确的规定，幕墙钢结构是钢结构的一部分，当然可以采用接。
时代在发展，技术在进步。十五年前铝合金结构现场难以焊接的问题现在已经不再是不可解决的困难。新颁布的《铝合金结构设计规范》 GB 50429 对铝合金结构的焊接作出了明确的规定。现在，即使是铝合金型材也不是非要螺栓连接不可，也可以采用焊接了。
        四 、幕墙钢结构采用焊接已经有十多年历史
规范 JGJ 133 是在1996 年开始编制的，由于它是针对铝合金型材编制，所以没有涉及钢结构如何设计的问题。于是九十年代有一些工程不接受规范JGJ 133的约束，直接按照《钢结构设计规范》 JGJ 17-87的规定，设计和建造了钢结构支承的幕墙，而且是采用焊接。
        1996~1998年间，笔者参与了广州的广东省公安厅、广东省交通大厦、广东省建设银行大厦幕墙工程，其石材幕墙部分均采用了焊接钢结构（图1）。至今已经十多年过去，中间还经历了多次强台风的考验，使用情况一直良好。
广东省公安厅（1997）～附图
广东交通大厦（1998）～附图
广东省建行大厦（1998）～附图
图1 石材幕墙采用焊接钢结构支承
        最令人难忘的是发生在1998年的关于幕墙采用焊接钢结构的大辩论。四川成都地区在九十年代初期已经采用焊接钢结构建造了大批铝板和石材幕墙，1998年《金属与石材幕墙工程技术规范》 JGJ 133 进入送审阶段，送审稿传到四川后，根据第5.6.6条关于应采用螺栓连接的规定，省里有关部门下令全部拆除钢横梁立柱焊接的已建幕墙，这引起成都市有关部门的激烈反对，双方展开了长时间的争论。钢横梁与钢立柱能不能焊接，现有大批幕墙要不要拆除成为针锋相对的焦点问题。最后吵到了北京，会议上双方都拍了桌子。在从事钢结构的技术人员的劝和下，这批幕墙幸存了下来，静静地度过了整整十年。谁也没有想到，1998年双方都不服的“技术诉讼”，终于在十年后由2008年汶川大地震给出了判决。
      五、实践证明幕墙完全可以采用焊接钢结构
幕墙钢结构采用焊接不仅符合《钢结构设计规范》的规定，而更重要的是，十多年的科学试验和工程经验都表明：幕墙钢结构不许采用焊接是毫无道理的。实践是检验真理的唯一标准。
         十多年来，我国已建的采用焊接钢结构支承的铝板和石材幕墙，从未因采用焊接钢结构而发生过安全事故；广州、深圳等地的这类工程甚至经历了多次12级到14级强台风的吹袭而完好无损。
        十年来，国内进行过多次石材幕墙的振动台试验，仅笔者参与的实验就有五个。为了挑战极限，支承结构都采用了柔性的焊接钢结构 ，试验地震加速度大大超过设防烈度7、8度，达到相当于9度，甚至10度。幕墙试件的位移达到1/70~1/50。在这样的位移下，实际房屋的主体结构早已倒塌；而而幕墙试件的焊接钢结构和面板都保持完好。这些振动台试验结果表明：幕墙采用焊接钢结构完全可以满足抗震要求。
        2008年5月12日发生了汶川大地震，成都地区的幕墙经历了空前的大考验。1998年备受争议、但幸运地得以保存达十年之久的焊接钢结构幕墙，如同那些螺接钢结构幕墙一样，在7度区的成都、8度区的德阳、9度区的都江堰、绵阳都保持完好。震害调查表明：采用焊接钢结构的金属和石材幕墙具有优良的抗震性能。
         我们可以列举大量例子证明幕墙采用焊接钢结构是安全的，但是谁又能举出例子，说明仅仅是因为支承钢结构采用了焊接就发生安全事故，哪怕举出一个工程也行！
经历了如此大范围、如此严酷的考验，在实践这个真理的标准面前，还有什么理由不许幕墙采用焊接钢结构呢？
        六、现在大量幕墙工程采用焊接钢结构
        进入二十一世纪，钢结构大量应用于幕墙骨架，焊接自然成为许多工程支承钢结构的连接方式。尽管有人反对，但是“青山挡不住，毕竟东流去”，幕墙钢结构采用焊接是不可能阻挡的。2009年建成的青岛大剧院石材幕墙4万平方米，外形复杂多变，装饰线脚和造型非常多，全部钢骨架采用焊接（图2）。2008年建成的广州新白云机场，候机楼的点支玻璃幕墙由方钢管梁柱支承，不但梁柱本身焊接，而且幕墙整个骨架直接焊在主结构上（图3）。
图2 青岛大剧院（2009）和石材幕墙焊接钢结构
图3 广州新白云机场（2008）点支玻璃幕墙的焊接骨架
        2007年建成的北京首都机场T3航站楼，玻璃幕墙双夹胶中空，板块尺寸3.6mX1.8m，由跨度为10.8m的钢铝组合梁支承。钢梁通过焊接牛腿连接到幕墙的竖向钢桁架（图4）。同样宁夏银川机场候机楼的玻璃幕墙由方钢管横梁和立柱组成的焊接结构支承（图5）。
图4 首都机场T3航站楼（2008）
图5 银川机场候机楼（2009）
        不仅大型公共建筑，而且许多高层建筑的幕墙也采用焊接钢结构。天津地铁大厦洞石幕墙高达175m，采用了焊接钢骨架（图6）。中国建筑科学研究院办公楼的观光电梯高90m，处于室外环境，方钢管一通到顶，不分段；梁柱全部焊接；与主体结构也是焊接，整个结构没有一个螺栓（图7、图8）。图6 天津地铁大厦洞石幕墙的焊接骨架（2009）图7 中国建筑科学研究院办公楼，室外电梯90m高整体焊接钢结构
        2010年上海世博会的世博轴上有6个玻璃的阳光谷，为高度41.5m、直径90m~97m的大喇叭花，玻璃幕墙和采光顶总面积达31500m2（图8）。采用全焊接方钢管单层网壳结构。三向布置的方钢管杆件30738根，长1.0m~3.5m截面高度180mm~550m。 大部分采用焊接箱形6牛腿节点，少量采用实心铸钢6牛腿节点；杆件与节点构件采用全熔透一级焊缝连接（图9、图10）。
         2010年正在施工的北京凤凰传媒中心是一座面包圈形的钢结构（图11），主要承重结构是梯形截面的钢箱梁，为长达200米的空间双曲线（图12），幕墙钢结构为圆钢管爬梯形双曲空间骨架（图13）。幕墙爬梯形钢骨架在工厂预先焊在主结构的梯形截面曲梁上，分段运到工地安装，焊接为整体（图14）。
图8 一号阳光谷，焊接单层壳结构
图9 焊接箱形节点，注意其牛腿与钢管的焊缝
图10 焊接箱形节点（左）和焊接铸钢节点（右）
图11 北京凤凰传媒中心，曲梁长达200米
图12 鳞片形玻璃幕墙的支承结构焊在主体曲梁上
图13 圆钢管爬梯形幕墙结构通过铁扁担预先焊在主体结构的曲梁上
图14 主体曲梁连同幕墙爬梯分段安装焊为整根200米长的双曲空间结构
        上述如此大型、如此复杂的玻璃幕墙钢结构都能采用全焊接，还有什么幕墙钢结构不能焊接呢？
        应该说，幕墙的钢横梁和钢立柱可以采用螺栓或螺钉连接；也可以采用焊 缝连接；还可以部分节点用螺栓连接，而另外部分节点用焊接。设计者可以根据工程特点和自己的习惯灵活选用。图15为天津中船大厦，花岗岩幕墙高148m，其钢横梁与钢立柱一端为焊接，另一端为螺栓连接。图15 天津中船大厦的钢横梁与钢柱一端焊接（一）
图16 天津中船大厦一端螺栓连接
          七、 幕墙规范修订条文已经修改
         规范是成熟经验的总结，只有在工程中广泛采用、技术成熟的内容才能列入规范的条文。因此，总是先有实践，后有规范。实践已经向前推进了，规范就必须进行修订。
         正因为老规范的规定不是为钢结构编制的，许多规定不适用于钢结构。所以修改老的幕墙规范是大势所趋。《玻璃幕墙工程技术规范》 JGJ 102-2003 已经将原规定“横梁应通过角码、螺钉或螺栓与立柱连接”修改为“横梁可通过角码、螺钉或螺栓与立柱连接”，意味着钢横梁与钢立柱“可不”用螺栓连接，可以采用焊接。“应”改为“可”，一字之差为幕墙钢结构采用焊接打开了口子。
        目前，JGJ 133 规范修订已进入送审报批阶段，JGJ 102规范已经进行新的修订。修订后的条文将统一表达为：“钢结构可以采用焊缝连接、螺栓或螺钉连接，也可以部分节点采用焊缝连接、部分节点采用螺栓或螺钉连接。焊缝连接的设计应符合现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017 和《冷弯薄壁型钢结构设计规范》GB 50018 的规定；焊接的施工应符合现行行业标准《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ 81 的规定。”在规范修订正式颁布之前，可以根据已有的工程实践经验和现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017的规定，在幕墙钢结构中采用焊接。
        八、 小结
       1. JGJ 133-2001 第5.6.6 条的规定是针对铝合金型材编制的，不能直接套用到钢结构中。
       2. 焊接是钢结构的基本连接方法，同样也是幕墙钢结构的基本连接方法。幕墙钢结构的设计应遵照《钢结构设计规范》 GB 50017 规定的精神进行。其连接可以采用螺栓、焊缝或者两者在同一工程中混合使用。
       3. 已建工程的经验和多次振动台试验结果，以及2008年汶川大地震的考验，都表明了幕墙采用焊接钢结构是没有问题的。
       4．目前，许多大型公共建筑和大量的高层建筑的幕墙工程都在采用焊接钢结构。
        5．实践是检验真理的唯一标准，实践已经走在规范的前面。现行规范已经阻碍实践向前发展，产生了许多麻烦。应该尽快完成规范修订的程序，尽快颁布施行。