幕墙背后的幕墙连接件一瞥

城市幕墙2020-10-16 06:45:01

核心提示:在大多数引人注目的高楼大厦中,玻璃和铝制幕墙系统是设计师们首选的幕墙方案,而且这些系统也经常用于较小的结构件中。在其使用寿命期间,幕墙要承受不同类型的负载,必须将这 些负载传递到结构件中以使其得到支承,并且建筑物也必须支撑外墙的重量。在大多数情况下,幕墙荷载通过结构连接件传递到混凝土或复合楼板中。

在大多数引人注目的高楼大厦中,玻璃和铝制幕墙系统是设计师们首选的幕墙方案,而且这些系统也经常用于较小的结构件中。在其使用寿命期间,幕墙要承受不同类型的负载,必须将这些负载传递到结构件中以使其得到支承,并且建筑物也必须支撑外墙的重量。在大多数情况下,幕墙荷载通过结构连接件传递到混凝土或复合楼板中。

这些连接件必须在建筑物使用寿命期间出现的各种不同条件下均确保连接的可靠性,并且必须符合成本效益的要求。除了材料成本之外,为了真正降低成本,它们也必须可被快速安装。安装速度是降低幕墙安装公司劳动力开支和起重机租用时间的关键所在,反过来又可降低客户的建设融资期。这些连接件需要预先规划,是设计中一个极其重要的环节。

产品评估

在设计连接到混凝土结构的幕墙连接件时,设计人员必须考虑到技术上的一系列因素并对其进行评估。这些因素可根据建筑物的位置、高度、结构和用途而有所不同。其中可包括幕墙风荷载和静态荷载、托架的几何形状,外加混凝土结构的几何形状和强度。此外,可能还要考虑地震荷载、爆炸荷载、动态荷载、建筑结构的设计寿命以及防火要求。

设计人员和安装人员还有更多影响着他们选择优先采用的连接方法的考虑因素。这些可以包括材料成本、安装的相对简便性、安装人员的安全、安装速度、对特殊工具或电源的要求、对经过专门培训的工作人员的要求、当地的噪音限制以及连接件在幕墙定位时是否可进行调整以适应建筑公差。

用于将幕墙连接到结构上的典型外墙连接


钻孔连接件


通常情况下,对于幕墙与建筑物之间的连接,设计师和安装人员将从三种基本方法中取一。他们考虑的其中一种连接方法即是在混凝土硬化后在结构件上钻孔,以打入膨胀螺栓或用树脂粘接连接锚件。


这种方法在设计理念上十分简单,并且表面看来也颇具吸引力,因为它似乎为幕墙连接件提供了位置上的无限灵活性,无需规划其位置。然而,在施工现场这种方法将给结构工程师和安装人员带来许多问题。


首先,不事先规划好位置在混凝土上钻孔可能会造成植入钢筋的损坏,而钢筋对结构件性能起着至关重要的作用。为了避免碰到植入的钢筋而在混凝土的同一区域重复钻孔,则可能使钢筋条暴露在长期腐蚀环境中,削弱结构和最终的连接。


其次,需要对工人进行培训和监督,以确保为连接件钻出的孔具有合适的直径和深度并且清洁无尘,然后还必须确保锚件安装正确。如果缺少正确的检查,则连接件将无法达到设计的性能。


第三,在混凝土上钻孔的过程中,安装人员将面临着严重的安全问题和巨大的噪音,包括那些威胁到附近作业工人健康的高噪音声级,而且,由于噪音会干扰施工工地周围的企业或居民,可能造成对工作时间的限制。


此外,高浓度的矽尘、钻孔工具的振动会造成工人严重的长期健康问题。在许多国家,工人使用振动工具作业的时间是根据振动等级由法律限制的,并要求承包商对此类作业进行记录和监督。


第四,钻孔和安装过程可能需要相当长的时间,且需定期更换昂贵的钻头,特别是当结构件中使用高强度混凝土时。

焊接连接件


由于上述原因,通常使用预埋件用于外墙连接。一种传统的连接方法是焊接到通常由工程师定制设计、由一般钢铁加工厂制造的预埋式板上。这些板在混凝土浇筑过程中被埋入混凝土结构中,以后再将连接件焊接到其上,以便建立连接。


采用这种方法,可在某种程度上调整外墙相对于结构件的定位。然而,在大多数发达国家建筑市场,由于一系列原因,这种方法已变得不再那么受欢迎。


首先,工程师倾向于使用那些制造品质和不同条件下的使用性能已获得认证并具有可靠跟踪记录的品牌连接产品,而不愿进行特别设计。


其次,现场焊接要求具有证书的技术工人,与其他工人相比,他们比较昂贵,而且,为保证工作正确,他们必须相当缓慢地作业。对安装公司来说,也很难测试或监督他们的工作,而且一旦焊接完成,再想在需要时对幕墙进行细微的局部调整将十分困难。


第三,焊接还会引起腐蚀防护方面的问题,因为此过程要求连接件所用钢不经镀锌。这意味着,在现场涂上一层保护涂料通常便是使用该系统的焊接连接件的唯一防腐保护措施,因此,承包商和工程师还需监督另一过程。


第四,焊接产生严重的安全风险和巨大的噪音问题。焊接过程中落下的火花和产生的高热表面可能引起火灾、人员烫伤或损坏装好的外墙的美观。此外,焊接通常需要重型电力,这些电力设备难以移动到现场,也易造成工作人员触电和被电源线绊倒。


在幕墙连接件连接部位上钻孔将会十分费时、产生被电源线绊倒的危险,而且含二氧化硅的粉尘和振动的工具可能对工人的健康造成危害。


锚固钢槽连接件


使用的另一种预埋式连接系统是锚固钢槽系统,这是此处要讨论的第三种方法。预埋式锚固钢槽是众多幕墙设计师和安装人员的首选连接方法,因为其设计简单,而且可方便地用于施工现场。


此连接方法背后的理念是提供一种快速和可调节的连接,而无需耗时的焊接或在混凝土上钻孔。该系统采用特殊的T型螺栓,只需将其简单地拧入先前已在混凝土浇筑过程中埋入建筑物的锚固钢槽的槽口中。T型螺栓可以沿预埋钢槽被定位在任何地方,以为幕墙连接件提供一个调整平面。利用连在预埋钢槽上的幕墙连接件可在其他两个方向上进行调整。这意味着,可通过在所有方向上平衡建筑结构公差来实现准确的幕墙定位。


由于其三维调整能力,结合旋入型螺栓连接的简易性,所以,只要使用简易工具便可非常快速而准确地锚固连接件,并且很容易进行监督。安装连接件时,速度和可靠性可为安装公司和客户两者带来的益处是显而易见的。



预埋锚固钢槽结合可调连接件和旋入式T型螺栓确保了幕墙的快速安装和三维连接调整。


质量与性能


在预埋钢槽系统为安装公司提供的简易性的背后,隐藏着工程设计的复杂性和制造厂家为生产可靠的组件所需的生产知识。为确保可靠的性能,需要经特别选择的、精密的钢材特性。不同制造商的产品可能看起来是一样的,并且具有相似的零部件号,但往往性能并非同一水平,而且可能也有不同的质量标准,影响着其可靠性。此外,在一些生产商的产品目录中所示的负荷值和声明并未经过独立机构的核实。


那么,设计人员、安装人员和客户如何才能知道哪个厂家按高标准进行生产,并具有可靠的性能参数呢?在产品制造领域的丰富经验,以及具有由信誉良好的独立机构出具的对所认证的质量和性能的监控文件在这方面非常重要。


例如,JORDAHL®锚固钢槽是世界上最早生产的锚固钢槽,公司刚刚为该产品发明100周年进行了庆祝。如今,JORDAHL(乔达)有限公司由几个外部官方机构进行质量和性能监督。这些标准分别体现在 ISO9001 认证、欧洲质量 CE 标志、一个欧洲技术认证(ETA)和由 IAPMO(美国暖通管道协会)机构根据美国设计和质量标准进行的产品统一评估(Uniform Product Evaluation)。后者 IAPMO 认证是全球所有锚固钢槽制造商中获得的第一份美国独立认证文件。


诸如欧洲技术认证等文件为设计人员提供了有关产品性能和质量验证方面有信誉的独立来源。


所有具有独立认证文件的锚固钢槽产品均标明了不同的性能等级,这样,设计师和客户即可了解针对其所考虑的供应商的产品性能和质量标准所作的明确独立评估。在某些文献中,这些产品的性能也可能在不同的设计条件下有所变化,这些条件例如可是动态荷载和火灾情况,它们对建筑物的设计可有重大影响。

预埋锚固钢槽类型

有众多不同类型的预埋锚固钢槽可供选择,以适应不同的预算、不同的负载和安全要求。主要产品类别包括热轧和冷弯成型钢槽,而且在这些产品组别中钢槽又可具有带齿或平滑槽口。

冷弯成型的钢槽是最简单的产品形式,有多种钢槽尺寸和形状可选。这些钢槽以其圆角和均匀的材料厚度为特色。它们是最经济的锚固钢槽类型,在用于非重要结构件中承受静态荷载的场合,是一种不错的选择。由于在冷弯成型过程中材料中所产生的高应力,这些钢槽通常不适合用于剧烈振动的载荷、动态载荷和地震载荷。




冷弯成型钢槽十分经济实惠,但材料应力高。


热轧锚固钢槽也有众多尺寸可供选择,其材料优势在于在很大程度上无应力。因此,针对要求更高的振动载荷、动态载荷、爆炸荷载和地震荷载,热轧锚固钢槽通常成为设计师设计幕墙连接件时的首选。这些钢槽可从其方角和在钢槽重荷载区域内增加的材料厚度上识别出。此类设计细节使这些产品比之冷弯替代品性能更强。例如,JORDAHL®热轧钢槽在不同的动态范围内,包括高振幅动态负载下均有超过200万次的认证性能。


除了正压力和横向剪力要求外,需要时,具有带齿槽口的热轧钢槽还能承受较高的纵向载荷,用于地震或其它使用条件下。通常情况下,JXA W 型带齿锚固钢槽完全可满足大多数地震情况。但是,对于特殊情况,地震安全性还可通过增加钢槽在混凝土中的承载面积实现。JXA-PC W 型 JORDAHL® 带齿钢槽具有增大的锚杆支撑面,已成功地在严重开裂的混凝土中通过了测试,其中,在锚杆位置处混凝土裂缝先裂开 1.5mm,然后再闭合,以模拟地震事件。地震活跃地区内重要建筑物的客户和设计师将对此类产品感兴趣。


JORDAHL® JTA W 型热轧锚固钢槽和 JXA W 型热轧带齿锚固钢槽具有低应力和动态及地震荷载条件下的高承载力。



设计


近年来,建筑设计变得日益复杂,导致锚固钢槽的设计从 ASD 转到 LRFD 设计规范。这也成为在欧洲的欧洲技术认证和在北美地区用于混凝土构件中的锚固钢槽的 ICC-ES 验收标准(AC232)的后台标准。这样做的好处是,设计师现在可将关键设计变量,如混凝土强度、钢筋,是否有开裂或不开裂混凝土等等融入其连接件的设计中。为了进行这些非常复杂的计算,需要诸如 JORDAHL® Expert 这样强大的锚固钢槽软件。


从JORDAHL®Expert软件输出的典型分析。在此例中,分析了楼板端部幕墙与锚固钢槽的连接情况,而且,同样可简单输入楼板顶部及其他连接配置。


通过使用这种软件,幕墙设计师可以轻松地设计幕墙连接件,将其固定到楼板的顶部或底部,或连在立柱和横梁上。


结束语

幕墙对保护建筑起着至关重要的作用,在施工期间其快速安装是使建筑物内其他工作得以尽早开始的关键所在。然而,今天的幕墙甚至比几年前都要复杂得多。使用新的设计工具和材料可对幕墙进行最佳设计,以优化其对建筑中加热和通风、照明和生活空间舒适度方面的影响。


由于建筑物越来越高,因此,突出安全性成为设计中越发重要的焦点。随着日趋成熟的风荷载建模,如今设计者可考虑到建筑物的动态响应,并可分析角落处强力涡旋风,这甚至在几年前尚属未知领域。


对于幕墙连接件的仔细分析是这种相关更深层设计过程的一部分。需根据建筑物的长期使用条件选择适当的连接件,同时保护建筑物与作业人员两者的安全,并在此要素与安装成本之间找到平衡点。在此设计和评估过程的结果中选择合适的热轧预埋钢槽用于幕墙连接件可为项目中的所有利益相关方带来显著的优势。