高强度不锈钢在幕墙装饰构造上的应用

黄延曦

广州建筑装饰集团有限公司   510000

摘要：本文介绍了S22253高强度不锈钢应用的项目背景，以及项目结构的重点难点。文章对比了建筑装饰专业常用钢材与高强度不锈钢之间的力学性能及抗腐蚀性能，分析了选用高强度不锈钢S22253的原因，并介绍了项目应用高强度不锈钢的受力计算复核情况。

关键词：高强度不锈钢；幕墙设计；结构设计；有限元分析

1. 幕墙工程概况

公寓工程坐落在广州琶洲高新技术产业开发区西区，毗邻猎德大桥，是高新技术开发区西侧的门户建筑之一。公寓楼高99.9米，建筑面积约为48739.2平方米。

公寓大楼为钢混结构，塔楼平面呈“之”字型布置，建筑师在其六个阳角转角位置设计了从塔冠飞泻而下的玻璃飞翼。玻璃飞翼突出幕墙完成面1500mm，同时要求采用极小的龙骨，从而保证视觉上的通透性。

图1  项目幕墙造型

2. 构造特点

（1）本项目幕墙为单元式幕墙，单元式幕墙是把玻璃 、铝板和其它材料组装在一个单元板上，制成完整的幕墙结构基本单位，直接安装在主体结构上。玻璃飞翼采用单元式模块的构造，与幕墙转角单元组成一个T型立体单元，整体运输、整体吊装。

（2）悬挑飞翼构造的骨架穿越幕墙单元板与主体结构单独连接，玻璃飞翼与幕墙单元独立受力。飞翼不依附于单元式幕墙上，每一层玻璃飞翼由一根悬臂梁支撑，悬挑飞翼的玻璃面板由两边支承受力。

（3）为保证玻璃飞翼视觉上的通透性，建筑师要求玻璃飞翼支承构造尽可能小。单块玻璃飞翼面板自重超过200Kg，重心挑出结构面900mm，迎风面达5.4m2。龙骨如何在满足力学性能要求的前提下实现轻量化，在构造上和材料的选用上成为项目一个难题。

3. 选用高强度不锈钢

传统的幕墙龙骨一般使用低碳钢，常用钢材牌号Q235与Q345两种。在需要承受较大荷载的时候，使用到高强度钢Q460。钢材一般采用热浸锌的方式进行防腐蚀处理，外露钢龙骨则采用喷涂漆料（如喷涂氟碳漆）的方式进行防腐。

本项目中的玻璃飞翼装饰构造外挑1500mm，采用TP8+1.52SGP+

TP8夹胶钢化普白玻璃，自重荷载和所受的风荷载都很大。采用涂料的方式进行防腐，一旦防腐涂层破损，便会带来很大的安全风险。而且玻璃飞翼骨架构造复杂，难以进行更换。这些环境因素，对大悬挑玻璃飞翼龙骨材质的防腐蚀性能提出了很高的要求。

若大悬挑玻璃飞翼龙骨采用不锈钢，则能很好的解决耐候问题。不锈钢具有良好的抗腐蚀性，在现有的一些幕墙外露构造中，有使用S30408或者S31608这两款不锈钢作为材料搭建桁架龙骨的做法。

但304与316不锈钢屈服强度较低，在风压、地震及自重耦合作用下，玻璃飞翼支承结构的悬挑梁与外侧钢槽立柱变形较大，不能满足计算要求。经过大量筛选比对，发现牌号为S22253的高强度不锈钢既满足项目对耐候性能的需求，又满足大悬挑玻璃飞翼构造的力学需求，还具有一定的经济性。

表3.1 材料性能对照表

钢材 牌号	Q345 (A/B/C/D/E)	Q460 (C/D/E)	Q460NH	S30408 (06Cr19Ni10)	S31608 (06Cr17Ni12Mo2)	S22253 (022Cr22Ni5Mo3N）
屈服 强度Re/MPa	345	460	460	205	205	450
抗腐蚀性能	一般	一般	较好	好	好	好

注：不锈钢材料屈服不明显，其Re值由Rp0.2代替。

S22253是在瑞典SAF2205钢基础上研制的双相不锈钢，对含硫化氢、二氧化碳、氯化物环境具有阻抗性，焊接性良好。选用S22253不锈钢作为支承体系的材料，不仅可以赋予支撑体系很好的抗腐蚀的能力，而且较高的屈服强度，能够大大提升玻璃飞翼支承体系的承载能力。

4.飞翼装饰构造设计

由于玻璃飞翼位于墙角区，且造型独特，其风荷载作用分项系数γw为1.5。外挑宽达1500mm的玻璃飞翼承受着极大的风荷载作用，正压和负压作用分别达2000Pa和-4000Pa。用于挂装转角异面单元的幕墙槽式埋件无法同时承受幕墙单元板与玻璃飞翼的荷载，因而需要为悬挑的玻璃飞翼提供独立的埋件连接主体结构，幕墙单元板与玻璃飞翼受力体系各自独立。

转角异面单元通过挂码挂装在M16的不锈钢螺杆上，并通过U型的铝合金支座与预埋结构的槽式埋件连接。铝合金支座相对与槽式埋件之间可以进行左右方向的调节，螺杆与支座间可以进行出入深度的调节，单元板挂码上装有调节螺栓可以调节单元板的安装高低。安装时通过对三个方向进行调节，确保安装位置的精度。

图2  T型单元安装构造

飞翼龙骨为一根宽120mm~200mm、厚12mm的变截面梁，玻璃飞翼承受的风荷载和自重通过这根预装在单元板上的龙骨进行传递，并通过与其栓接的两个间隔500mm安装高强埋件将荷载传递到主体结构上。

5.受力计算复核

本项目玻璃飞翼玻璃宽1500mm、高3600mm，单块玻璃面板面积超过5m2，所受风荷载和自重荷载都远超常规构造。由于采用了新材料，此类构造没有先例可以借鉴，因此需要建立模型计算其强度和挠度，以确保安全性。

一般的幕墙计算软件计算幕墙骨架荷载是基于结构荷载规范的计算公式，输入环境条件及型材参数，依次序求解计算的。但结构荷载规范指给出一般情况的计算公式，不能针对项目大悬挑玻璃飞翼构造这种新型装饰构造的特例进行精确解。

为模拟真实受力环境，项目建立有限元模型，按荷载规范要求计算各分项荷载，并在有限元模型上施加重力荷载、正压和负压的风荷载以及其他的规范要求的荷载进行计算。

在风压、地震及自重耦合作用下，挠度计算结果为：

图3 正风压下的扰度值和负风压下的扰度值

单元板块变形最大为 dfz=2mm＜1500×2/500=6mm，且＜3mm；

单元板竖料变形最大为 dfy=10.5mm≤3600/250=14.4 mm；

不锈钢悬挑梁变形最大为：dfmax=7.2mm≤1800×2/250=14.4mm；

不锈钢钢槽立柱变形最大为 dfmax=14mm≤3600/250=14.4mm；

计算结果满足设计要求。

图4 采用S22253骨架的外挑构造完成照片

6.结语

对于大尺寸的幕墙装饰构造，选用S22253高强度不锈钢作为龙骨材料，可以很好地在确保力学性能同时实现龙骨的轻量化，为更多的幕墙造型设计提供实现基础。