钢结构建筑和塑料门窗的应用

1 钢结构简介
　　
　　1.1钢结构以 钢材为主，用钢板和热扎、冷弯或焊接 型材通过 连接件连接而成的能承受和传递荷载的结构形式。是主要的建筑结构类型之一。 钢材的特点是强度高、自重轻、刚度大，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜； 材料匀质性和各向同性好，属理想弹性体，最符合一般工程力学的基本假定； 材料塑性、韧性好，可有较大变形，能很好地承受动力荷载；其工业化程度高，可进行机械化程度高的专业化生产；加工精度高、效率高、密闭性好。钢结构体系具有自重轻、工厂化制造、安装快捷、 施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等综合优势，与钢筋混凝土结构相比，更具有在“高、大、轻”三个方面发展的独特优势，在全球范围内，特别是发达国家和地区，钢结构在建筑工程领域中得到合理、广泛的应用。
　　
　　1.2钢结构类型及应用
　　
　　钢结构行业通常分为轻型钢结构、高层钢结构、住宅钢结构、空间钢结构和桥梁钢结构5大子类。
　　
　　1.2.1轻型钢结构主要是采用轻型 H型钢（焊接或轧制；变截面或等截面）做成门形刚架，C型、Z型冷弯薄壁型钢作檩条和墙梁，压型钢板或轻质夹 芯板作屋面、墙面围护结构，采用高强螺栓、普通螺栓及自攻螺丝等连接件和密封材料组装起来的低层和多层预制装配式钢结构房屋体系。随着几十年不断发展，相应生产了一系列的配套构件，如防水堵头、防水胶带、保温棉及各种天沟、门窗节点收边等。因此已经形成了一个比较完整的建筑系统即轻钢建筑系统。轻钢建筑广泛应用于工厂、仓库、体育馆、展览馆、超市等建筑。
　　
　　1.2.2高层钢结构主要是采用型钢、钢板连接或焊接成构件，再经连接而成的结构体系。高层钢结构常采用钢框架结构、钢框架—支撑结构、钢框架—混凝土核心筒（剪力墙）结构等形式，后者在现代高层、超高层建筑中应用较为广泛，属于钢—混凝土混合结构，使钢材和混凝土优势互补、充分发挥材料效能。
　　
　　随着钢铁技术的不断发展，特别是冷扎薄壁型钢铁理论的不断完善，使得钢结构领域的一个分支——轻钢建筑系统得到了极大的发展。
　　
　　1.2.3 钢结构住宅在欧美、日本和我国台湾地区已广泛采用，它具有抗震性能高、重量轻、耐久性好、施工速度快的优点。在建筑功能上，由于梁柱截面小、开间大、净空高、使用面积大、居住舒适度高，因此它属于节能和环保型住宅。在工程造价方面与钢筋混凝土结构基本持平，因为 钢结构住宅的施工工期比钢筋混凝土结构缩短一倍以上，其实际收益更大。因此，钢结构住宅是代替砖混住宅较为理想的建筑结构体系。
　　
　　1.2.4空间钢结构主要分为空间网架结构和空间桁架结构两种。
　　
　　（1）空间网架结构：宝都 彩钢利用自身人材优势，在网架新产品、新节点、新结构的开发 研究方面进行了卓有成效的探索，由公司生产的螺栓球节点、焊接球节点普通钢网架、不锈钢网架及其它装饰性网架，已广泛应用于工业厂房、体育场馆机场、车站、高档写字楼及其它公共建筑中。
　　
　　（2）空间桁架结构：这是一种替代传统网架的方案，在钢砼柱上，或落地 设计成三角型，四边形的空间桁架，桁架的上、下弦及腹杆采用圆钢管（弧形桁架）相贯焊接节点；或采用方钢管，H型钢（直线形桁架）对接焊接节点。采用必要上、下弦支撑体系，外形美观，是建筑师喜爱的一种选择。
　　
　　1.2.5桥梁钢结构的主要形式有：
　　
　　（1）桁架式桥（如武汉、南京长江大桥）（连续小跨距）
　　
　　（2）箱形桥梁（如立交桥、铁路桥），钢板焊成
　　
　　（3）拱形桥梁，中、小跨度
　　
　　（4）斜拉桥（如上海南浦、杨浦大桥）“H”型钢，大跨距、特大跨距
　　
　　（5）悬索桥（如江阴长江大桥）桁架梁1000米跨距
　　
　　2钢结构所使用的门窗类型
　　
　　在 钢结构工程中，轻钢型钢结构、高层钢结构、住宅钢结构中都有相应的门窗，钢结构中门窗的选材主要是考虑外观协调性、整体性，使用性、抗风压性，施工合理性等几个方面的因素，由于 钢结构工程中的门窗项目用量不大（单个工程），而且钢结构工程跨地区施工较多，增加了运输和 管理费；门窗行业产品没有被钢结构行业的市场所重视，不及其他类似房地产业，学校，工厂等建筑领域有优势。所以目前我国钢结构工程中的门窗，主要是采用铝合金门窗和塑料门窗和彩钢门窗三种。
　　
　　2.1铝合金门窗铝合金建筑用窗是采用一种以铝为主的轻有色金属，通过挤压（出）成形的中空型材组成杠架体系，采用机械联接框、扇构件，表面经阳极氧化，配套五金件、密封毛条、胶条、玻璃等成为成品，装上五金件、密封毛条、胶条、玻璃等成为成品铝合金门窗。铝窗早在二十世纪三十年代就在欧美等先进工业国家开始试制应用。第二次世界大战后，由于铝工业技术的进步，给铝门窗和 幕墙的发展提供了丰富的建筑材料，从而使铝门窗、 幕墙自五十年代开始得到了系统的发展。铝合金以其优良的特性成为现代建筑工业中除钢以外应用得最广泛的金属材料，铝门窗成为主要的建筑金属门窗。
　　
　　2.2塑料门窗一般是指以未增塑聚氯乙烯树脂（PVC）为主要原料，按比例加入光稳定剂、热稳定剂、改性剂、填充剂，通过机械混合、塑化、挤出成型为各种不同断面结构的型材，作为门窗杆件。按设计尺寸切割型材，放入增强型钢，焊接，装上五金件、密封毛条、胶条、玻璃等成为成品塑料门窗。塑料窗是联邦德国于二十世纪五十年代开始研制，六十年代投产，七十年代世界能源危机后发展成熟的高分子化学建材门窗。欧、美、日等大部分国家的塑窗技术主要是从德国引进的，德国塑料窗的质量和产量世界第一。塑料窗近二十多年来在欧美国家迅速发展，除其本身材料特性外，主要原因，一是1973年中东战争引发世界石油危机，使石油和木材价格飞涨，塑料的生产能耗低；二是塑窗保温节能好；三是各国采取经济补帖 政策，鼓励和刺激塑窗行业发展，塑窗价格比铝窗便宜30%左右。
　　
　　2.3彩钢门窗彩钢门窗——彩色涂层钢板门窗，是我国80年代末从意大利引进并被科委列入国家重点科技星火计划项目。建设部、国家经贸委、质量技监局、建材局四部委重点推广使用的节能产品（建住房[1999]295号文件），被评为国家级新产品，符合《民用建筑节能设计 标准》中要求的建筑门窗产品。彩钢门窗原材料为TSt02G优质镀锌涂色钢板轧制成型。钢板强度为铝合金的三倍，表面漆层厚度高，再加化学转化层、初涂层和罩光漆，经高温烘烤成型。 涂料种类为外用聚酯，耐高温、耐腐蚀，经180度折弯漆层不脱落。其技术要求符合：GB/T12754中的有关规定。彩钢门窗不靠传统焊接工艺成型，而是用几十种零配件以及自攻螺丝胶粘剂等组成型。组装玻璃胶条其原料先用丁基橡胶添加部分低于聚异丁烯经硫化而成，不仅具有很好的隔热、隔音、保温、节能性能，并能极好地防凝霜、防灰尘污染。组角、拉手和内插件等都是采用纯尼龙材料制成，硬度高、耐磨损、不易折断。彩钢门窗改变金属门窗的传统制作方法，建立全新而科学的制作工艺，具有不怕风吹、日晒、雨淋、不褪色、保温、隔音性能好、气密性、水密性好，在盐雾、酸雾实验中750小时不起泡、不锈蚀、高强度，使用中不需任何保养等独特优点，彻底克服了普通门窗的密封问题，气密性、水密性和抗风强度等基本物理性能达到了建筑门窗的先进水平；窗型可以根据使用功能变化，颜色可以根据设计选择，装饰效果好；产品品种多、经济适用，能满足住宅工程配套需要；特别是抗风强度与其它门窗相比，有更大的优势，彩钢门窗以较高的性能、豪华的外观、精湛的工艺、可靠的防腐独树一帜，是一种中、高档产品，是目前建筑行业更新最理想新产品。90年代未，彩钢门窗技术上逐步发展成熟，奠定了在门窗行业的位置，全国各地建筑行业广泛采用。
　　
　　3.塑料门窗在钢结构中的应用
　　
　　3.1塑料门窗的技术特点塑钢门窗在材质上，除了有玻璃和少量金属配件（扣、锁）外，主要是专门配方的硬质PVC（聚氯乙烯）型材，具有以下技术特点：
　　
　　1.由于型材是PVC在熔融状态下通过模具挤出成型、定型。因此可以形成实现各类功能的精细构造，如有提高强度放置增强型钢的主型腔，提高保温、隔声性能的多腔构造，排水通道，安装五金件的结构，可以有力的保证门窗功能要求。
　　
　　2.通过放置不同规格、形状的增强型钢，可使塑料窗获得不同的抗风压强度。除了满足普通风压要求外，也可有很高的抗风压强度。2003年委员会曾组织了一次对高风压区的上海、深圳、厦门三个城市高层建筑使用塑料窗的情况的调研，调查结果表明，几个城市都曾经历过多次强风吹袭，所使用的塑料窗均完好无损，其中特别值得一提的是，大连实德公司38层的厦门光明大厦安装的塑料窗在1990年经历了一场12级以上的台风，台风过后，窗依然保持了完好的初始功能。
　　
　　3.塑料窗的隔声效果好，据日本资料介绍，要达到同样的降低噪声的要求，安装铝窗的建筑物与交通干道的距离应大于50米，而安装塑料窗后，距离可缩短到16米。在日益噪杂的城市环境中，使用塑料窗可使室内环境更舒适。
　　
　　4.塑料门窗耐腐蚀性能好，可用于酸雨、沿海、化工厂等腐蚀严重的环境。
　　
　　5.白色的塑料门窗对室内装修的色调要求有较大范围的适应性，近年来相继应用的双色共挤、覆膜、喷涂技术可使塑料窗室外侧颜色更为丰富，满足建筑外立面的色彩要求。
　　
　　6.塑料窗的框、扇角都是焊接，可以免除组角式窗因工艺不当，从缝隙处漏水的可能性。
　　
　　7.塑料门窗的型材可回收，重复利用，因为PVC树脂是热塑性材料，因此可以反复加热成型，成为新的制品，循环使用，符合环保要求。
　　
　　8.塑料窗最大的优点是节能，并在这方面体现出优良的性能价格比。首先就材料的生产能耗来说，单位重量的PVC只是钢的1/8，铝的1/16.而且在回收重复利用时不需要重新冶炼、铸锭，只需将型材破碎后，即可当做原料使用。能耗极少。这一点对于我国资源短缺的情况十分有利。
　　
　　9绝热保温：PVC塑料导热系数只是铝合金的11250，钢的1400.塑料门窗对房屋散失的能量（不论是采暖还是制冷空调），只有钢窗散失能量的26％，铝合金窗散失能量的30％。用塑料制成的门窗的保温隔热功效以及隔音降噪功能都要高出30％以上，如果再配合双层玻璃使用，那么效果更会大幅度提高。
　　
　　3.2安装门窗的钢结构墙架情况门窗主要安装在建筑中的山墙和纵墙面等的围护墙上，钢结构的围护结构主要由横梁、墙架柱、抗风桁架、支撑、墙面板等构成，它承受由墙体传来的载荷，并将载荷传递到建筑框架或基础上。在进行墙架设计时，需对墙架构件的截面进行计算，墙架结构主要承受的载荷有两个方向的荷载：竖向荷载和水平风荷载。一般墙架构件的选用，按《钢结构设计手册》中国建筑工业出版社出版，第750页表11-1〈墙梁构件选用表〉所述的材料和规格。横梁一般采用冷弯内卷边C型槽钢，和Z型槽钢。[3]在墙面荷载作用下绕截面的两个主轴弯曲，如果荷载作用线不经过剪力中心，还将产生扭矩。但一般墙面的拉结体系能起到阻止檩条扭转的作用，故可不考虑扭矩的影响按双向压弯构件设计。为减小檩条在使用期间和施工过程中的侧向变形和扭转，当檩条跨度超过4米时应在檩条之间设置拉条及撑杆，拉条必须张紧，以保证传递拉力。跨度在4～6米时可在跨中设置一道拉条，超过6米时在三分点处设置两道拉条。墙架柱常用的截面形式有工字钢、H型钢等。对有门窗的墙架设计中，还应注意尽量减少门洞、窗洞的规格和门窗的类型，要考虑门窗的标准化和互换性，同时为工厂制作创造有利条件，并应符合《建筑模数协调统一标准》的规定的原则。
　　
　　3.3钢结构墙架中门窗设计计算在 钢结构建筑中的门窗，与一般建筑的砖混结构和水泥框架结构有所不同，由于门窗外框直接与墙架中的檀条联接，而檀条的钢材是一种理想弹性体，它有一定的材料塑性、可有较大变形，所以 钢结构建筑中的门窗除承受基本风压外，还承受竖向的荷载，具体承受的荷载如下1竖向荷载：包括墙体材料重量如彩钢板等，塑料门窗的重量（型材，钢衬、五金件，玻璃等的全部重量。）雨篷上的活荷载（屋面均布活荷载或雪荷载，有时还有积灰荷载）以及墙架的自重。
　　
　　2、水平风荷载：其基本风压、风载体型系数和风压高度变化系数，均按《建筑结构荷载规范》（GB50000-2001）采。
　　
　　根据两个方向的荷载，和工程所在地的基本风压、风载体型系数和风压高度，计算墙架构件的强度和所需的截面。对安装塑料门窗而言，固定门窗的墙梁，除根据设计图纸所规定的规格外，门窗生产企业需进一步根据所用的窗型和玻璃种类进行墙梁的校核。已确保门窗的稳定性。校核包括墙梁的强度，墙梁的稳定性、墙梁的挠度。
　　
　　3.4钢结构墙架中门窗洞口尺寸的确定在钢结构建筑中的门窗，由于钢材的特性和结构类型，门窗洞口尺寸行业标准《塑料门窗安装及验收规程》JGJ103-96中表2.2.2 <洞口与窗框间隙> 的值有所不同。该值需根据固定门窗的墙梁（檩条）的跨度、规格、和檩条的挠度变化许可值来确定。常见的门窗位置有两种，如图1和图2所示。图1是门窗安装安装在墙面的上部或中部，四边由墙面瓦封闭。图2门窗安装安装在墙面的中部或下部，门窗下部的固定墙梁直接固定在墙上。其它由墙面瓦封闭。
　　
　　挠曲线——如图3，平面弯曲时，梁的轴线将变为一条在梁的纵对称面内的平面曲线，该曲线称为梁的挠曲线。
　　
　　挠度——弯曲变形时横截面形心沿与轴线垂直方向的线位移称为挠度，用y表示。
　　
　　转角——弯曲变形时横截面相对其原来的位置转过的角度称为转角，用θ表示。
　　
　　挠曲线方程——挠度和转角的值都是随截面位置而变的。在讨论弯曲变形问题时，通常选取坐标轴x向右为正，坐标轴y向上为正。选定坐标轴之后，梁各横截面处的挠度y将是横截面位置坐标x的函数，其表达式称为梁的挠曲线方程，即y=f（x）