1 鋼結(jié)構(gòu)簡介

　　1.1鋼結(jié)構(gòu)以鋼材為主，用鋼板和熱扎、冷彎或焊接型材通過連接件連接而成的能承受和傳遞荷載的結(jié)構(gòu)形式。是主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一。鋼材的特點(diǎn)是強(qiáng)度高、自重輕、剛度大，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特別適宜；材料勻質(zhì)性和各向同性好，屬理想彈性體，最符合一般工程力學(xué)的基本假定；材料塑性、韌性好，可有較大變形，能很好地承受動力荷載；其工業(yè)化程度高，可進(jìn)行機(jī)械化程度高的專業(yè)化生產(chǎn)；加工精度高、效率高、密閉性好。鋼結(jié)構(gòu)體系具有自重輕、工廠化制造、安裝快捷、施工周期短、抗震性能好、投資回收快、環(huán)境污染少等綜合優(yōu)勢，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，更具有在“高、大、輕”三個(gè)方面發(fā)展的獨(dú)特優(yōu)勢，在全球范圍內(nèi)，特別是發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程領(lǐng)域中得到合理、廣泛的應(yīng)用。

　　1.2鋼結(jié)構(gòu)類型及應(yīng)用

　　鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)通常分為輕型鋼結(jié)構(gòu)、高層鋼結(jié)構(gòu)、住宅鋼結(jié)構(gòu)、空間鋼結(jié)構(gòu)和橋梁鋼結(jié)構(gòu)5大子類。

　　1.2.1輕型鋼結(jié)構(gòu)主要是采用輕型H型鋼（焊接或軋制；變截面或等截面）做成門形剛架，C型、Z型冷彎薄壁型鋼作檁條和墻梁，壓型鋼板或輕質(zhì)夾芯板作屋面、墻面圍護(hù)結(jié)構(gòu)，采用高強(qiáng)螺栓、普通螺栓及自攻螺絲等連接件和密封材料組裝起來的低層和多層預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋體系。隨著幾十年不斷發(fā)展，相應(yīng)生產(chǎn)了一系列的配套構(gòu)件，如防水堵頭、防水膠帶、保溫棉及各種天溝、門窗節(jié)點(diǎn)收邊等。因此已經(jīng)形成了一個(gè)比較完整的建筑系統(tǒng)即輕鋼建筑系統(tǒng)。輕鋼建筑廣泛應(yīng)用于工廠、倉庫、體育館、展覽館、超市等建筑。

　　1.2.2高層鋼結(jié)構(gòu)主要是采用型鋼、鋼板連接或焊接成構(gòu)件，再經(jīng)連接而成的結(jié)構(gòu)體系。高層鋼結(jié)構(gòu)常采用鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)、鋼框架—混凝土核心筒（剪力墻）結(jié)構(gòu)等形式，后者在現(xiàn)代高層、超高層建筑中應(yīng)用較為廣泛，屬于鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)，使鋼材和混凝土優(yōu)勢互補(bǔ)、充分發(fā)揮材料效能。

　　隨著鋼鐵技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是冷扎薄壁型鋼鐵理論的不斷完善，使得鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的一個(gè)分支——輕鋼建筑系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展。

　　1.2.3鋼結(jié)構(gòu)住宅在歐美、日本和我國臺灣地區(qū)已廣泛采用，它具有抗震性能高、重量輕、耐久性好、施工速度快的優(yōu)點(diǎn)。在建筑功能上，由于梁柱截面小、開間大、凈空高、使用面積大、居住舒適度高，因此它屬于節(jié)能和環(huán)保型住宅。在工程造價(jià)方面與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基本持平，因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)住宅的施工工期比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)縮短一倍以上，其實(shí)際收益更大。因此，鋼結(jié)構(gòu)住宅是代替磚混住宅較為理想的建筑結(jié)構(gòu)體系。

　　1.2.4空間鋼結(jié)構(gòu)主要分為空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和空間桁架結(jié)構(gòu)兩種。

　　（1）空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)：寶都彩鋼利用自身人材優(yōu)勢，在網(wǎng)架新產(chǎn)品、新節(jié)點(diǎn)、新結(jié)構(gòu)的開發(fā)研究方面進(jìn)行了卓有成效的探索，由公司生產(chǎn)的螺栓球節(jié)點(diǎn)、焊接球節(jié)點(diǎn)普通鋼網(wǎng)架、不銹鋼網(wǎng)架及其它裝飾性網(wǎng)架，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)廠房、體育場館機(jī)場、車站、高檔寫字樓及其它公共建筑中。

　�。�2）空間桁架結(jié)構(gòu)：這是一種替代傳統(tǒng)網(wǎng)架的方案，在鋼砼柱上，或落地設(shè)計(jì)成三角型，四邊形的空間桁架，桁架的上、下弦及腹桿采用圓鋼管（弧形桁架）相貫焊接節(jié)點(diǎn)；或采用方鋼管，H型鋼（直線形桁架）對接焊接節(jié)點(diǎn)。采用必要上、下弦支撐體系，外形美觀，是建筑師喜愛的一種選擇。

　　1.2.5橋梁鋼結(jié)構(gòu)的主要形式有：

　�。�1）桁架式橋（如武漢、南京長江大橋）（連續(xù)小跨距）

　�。�2）箱形橋梁（如立交橋、鐵路橋），鋼板焊成

　　（3）拱形橋梁，中、小跨度

　�。�4）斜拉橋（如上海南浦、楊浦大橋）“H”型鋼，大跨距、特大跨距

　�。�5）懸索橋（如江陰長江大橋）桁架梁1000米跨距

　　2 鋼結(jié)構(gòu)所使用的門窗類型

　　在鋼結(jié)構(gòu)工程中，輕鋼型鋼結(jié)構(gòu)、高層鋼結(jié)構(gòu)、住宅鋼結(jié)構(gòu)中都有相應(yīng)的門窗，鋼結(jié)構(gòu)中門窗的選材主要是考慮外觀協(xié)調(diào)性、整體性，使用性、抗風(fēng)壓性，施工合理性等幾個(gè)方面的因素，由于鋼結(jié)構(gòu)工程中的門窗項(xiàng)目用量不大（單個(gè)工程），而且鋼結(jié)構(gòu)工程跨地區(qū)施工較多，增加了運(yùn)輸和管理費(fèi)；門窗行業(yè)產(chǎn)品沒有被鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的市場所重視，不及其他類似房地產(chǎn)業(yè)，學(xué)校，工廠等建筑領(lǐng)域有優(yōu)勢。所以目前我國鋼結(jié)構(gòu)工程中的門窗，主要是采用鋁合金門窗和塑料門窗和彩鋼門窗三種。

　　2.1 鋁合金門窗鋁合金建筑用窗是采用一種以鋁為主的輕有色金屬，通過擠壓（出）成形的中空型材組成杠架體系，采用機(jī)械聯(lián)接框、扇構(gòu)件，表面經(jīng)陽極氧化，配套五金件、密封毛條、膠條、玻璃等成為成品，裝上五金件、密封毛條、膠條、玻璃等成為成品鋁合金門窗。 鋁窗早在二十世紀(jì)三十年代就在歐美等先進(jìn)工業(yè)國家開始試制應(yīng)用。第二次世界大戰(zhàn)后，由于鋁工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，給鋁門窗和幕墻的發(fā)展提供了豐富的建筑材料，從而使鋁門窗、幕墻自五十年代開始得到了系統(tǒng)的發(fā)展。鋁合金以其優(yōu)良的特性成為現(xiàn)代建筑工業(yè)中除鋼以外應(yīng)用得最廣泛的金屬材料，鋁門窗成為主要的建筑金屬門窗。

　　2.2 塑料門窗一般是指以未增塑聚氯乙烯樹脂（PVC）為主要原料，按比例加入光穩(wěn)定劑、熱穩(wěn)定劑、改性劑、填充劑，通過機(jī)械混合、塑化、擠出成型為各種不同斷面結(jié)構(gòu)的型材，作為門窗桿件。按設(shè)計(jì)尺寸切割型材，放入增強(qiáng)型鋼，焊接，裝上五金件、密封毛條、膠條、玻璃等成為成品塑料門窗。塑料窗是聯(lián)邦德國于二十世紀(jì)五十年代開始研制，六十年代投產(chǎn)，七十年代世界能源危機(jī)后發(fā)展成熟的高分子化學(xué)建材門窗。歐、美、日等大部分國家的塑窗技術(shù)主要是從德國引進(jìn)的，德國塑料窗的質(zhì)量和產(chǎn)量世界第一。塑料窗近二十多年來在歐美國家迅速發(fā)展，除其本身材料特性外，主要原因，一是1973年中東戰(zhàn)爭引發(fā)世界石油危機(jī)，使石油和木材價(jià)格飛漲，塑料的生產(chǎn)能耗低；二是塑窗保溫節(jié)能好；三是各國采取經(jīng)濟(jì)補(bǔ)帖政策，鼓勵和刺激塑窗行業(yè)發(fā)展，塑窗價(jià)格比鋁窗便宜30%左右。

　　2.3 彩鋼門窗彩鋼門窗——彩色涂層鋼板門窗，是我國80年代末從意大利引進(jìn)并被科委列入國家重點(diǎn)科技星火計(jì)劃項(xiàng)目。建設(shè)部、國家經(jīng)貿(mào)委、質(zhì)量技監(jiān)局、建材局四部委重點(diǎn)推廣使用的節(jié)能產(chǎn)品（建住房[1999]295號文件），被評為國家級新產(chǎn)品，符合《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中要求的建筑門窗產(chǎn)品。 彩鋼門窗原材料為TSt02G優(yōu)質(zhì)鍍鋅涂色鋼板軋制成型。鋼板強(qiáng)度為鋁合金的三倍，表面漆層厚度高，再加化學(xué)轉(zhuǎn)化層、初涂層和罩光漆，經(jīng)高溫烘烤成型。涂料種類為外用聚酯，耐高溫、耐腐蝕，經(jīng)180度折彎漆層不脫落。其技術(shù)要求符合：GB/T12754中的有關(guān)規(guī)定。彩鋼門窗不靠傳統(tǒng)焊接工藝成型，而是用幾十種零配件以及自攻螺絲膠粘劑等組成型。組裝玻璃膠條其原料先用丁基橡膠添加部分低于聚異丁烯經(jīng)硫化而成，不僅具有很好的隔熱、隔音、保溫、節(jié)能性能，并能極好地防凝霜、防灰塵污染。組角、拉手和內(nèi)插件等都是采用純尼龍材料制成，硬度高、耐磨損、不易折斷。彩鋼門窗改變金屬門窗的傳統(tǒng)制作方法，建立全新而科學(xué)的制作工藝，具有不怕風(fēng)吹、日曬、雨淋、不褪色、保溫、隔音性能好、氣密性、水密性好，在鹽霧、酸霧實(shí)驗(yàn)中750小時(shí)不起泡、不銹蝕、高強(qiáng)度，使用中不需任何保養(yǎng)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，徹底克服了普通門窗的密封問題，氣密性、水密性和抗風(fēng)強(qiáng)度等基本物理性能達(dá)到了建筑門窗的先進(jìn)水平；窗型可以根據(jù)使用功能變化，顏色可以根據(jù)設(shè)計(jì)選擇，裝飾效果好；產(chǎn)品品種多、經(jīng)濟(jì)適用，能滿足住宅工程配套需要；特別是抗風(fēng)強(qiáng)度與其它門窗相比，有更大的優(yōu)勢，彩鋼門窗以較高的性能、豪華的外觀、精湛的工藝、可靠的防腐獨(dú)樹一幟，是一種中、高檔產(chǎn)品，是目前建筑行業(yè)更新最理想新產(chǎn)品。90年代未，彩鋼門窗技術(shù)上逐步發(fā)展成熟，奠定了在門窗行業(yè)的位置，全國各地建筑行業(yè)廣泛采用。

　　3. 塑料門窗在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

　　3.1塑料門窗的技術(shù)特點(diǎn)塑鋼門窗在材質(zhì)上，除了有玻璃和少量金屬配件（扣、鎖）外，主要是專門配方的硬質(zhì)PVC（聚氯乙烯）型材，具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

　　1.由于型材是PVC在熔融狀態(tài)下通過模具擠出成型、定型。因此可以形成實(shí)現(xiàn)各類功能的精細(xì)構(gòu)造，如有提高強(qiáng)度放置增強(qiáng)型鋼的主型腔，提高保溫、隔聲性能的多腔構(gòu)造，排水通道，安裝五金件的結(jié)構(gòu)，可以有力的保證門窗功能要求。

　　2.通過放置不同規(guī)格、形狀的增強(qiáng)型鋼，可使塑料窗獲得不同的抗風(fēng)壓強(qiáng)度。除了滿足普通風(fēng)壓要求外，也可有很高的抗風(fēng)壓強(qiáng)度。2003年委員會曾組織了一次對高風(fēng)壓區(qū)的上海、深圳、廈門三個(gè)城市高層建筑使用塑料窗的情況的調(diào)研，調(diào)查結(jié)果表明，幾個(gè)城市都曾經(jīng)歷過多次強(qiáng)風(fēng)吹襲，所使用的塑料窗均完好無損，其中特別值得一提的是，大連實(shí)德公司38層的廈門光明大廈安裝的塑料窗在1990年經(jīng)歷了一場12級以上的臺風(fēng)，臺風(fēng)過后，窗依然保持了完好的初始功能。

　　3.塑料窗的隔聲效果好，據(jù)日本資料介紹，要達(dá)到同樣的降低噪聲的要求，安裝鋁窗的建筑物與交通干道的距離應(yīng)大于50米，而安裝塑料窗后，距離可縮短到16米。在日益噪雜的城市環(huán)境中，使用塑料窗可使室內(nèi)環(huán)境更舒適。

　　4.塑料門窗耐腐蝕性能好，可用于酸雨、沿海、化工廠等腐蝕嚴(yán)重的環(huán)境。

　　5.白色的塑料門窗對室內(nèi)裝修的色調(diào)要求有較大范圍的適應(yīng)性，近年來相繼應(yīng)用的雙色共擠、覆膜、噴涂技術(shù)可使塑料窗室外側(cè)顏色更為豐富，滿足建筑外立面的色彩要求。

　　6.塑料窗的框、扇角都是焊接，可以免除組角式窗因工藝不當(dāng)，從縫隙處漏水的可能性。

　　7.塑料門窗的型材可回收，重復(fù)利用，因?yàn)镻VC樹脂是熱塑性材料，因此可以反復(fù)加熱成型，成為新的制品，循環(huán)使用，符合環(huán)保要求。

　　8.塑料窗最大的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能，并在這方面體現(xiàn)出優(yōu)良的性能價(jià)格比。首先就材料的生產(chǎn)能耗來說，單位重量的PVC只是鋼的1/8，鋁的1/16.而且在回收重復(fù)利用時(shí)不需要重新冶煉、鑄錠，只需將型材破碎后，即可當(dāng)做原料使用。能耗極少。這一點(diǎn)對于我國資源短缺的情況十分有利。

　　9 絕熱保溫：PVC塑料導(dǎo)熱系數(shù)只是鋁合金的11250，鋼的1400.塑料門窗對房屋散失的能量（不論是采暖還是制冷空調(diào)），只有鋼窗散失能量的26％，鋁合金窗散失能量的30％。用塑料制成的門窗的保溫隔熱功效以及隔音降噪功能都要高出30％以上，如果再配合雙層玻璃使用，那么效果更會大幅度提高。

　　3.2安裝門窗的鋼結(jié)構(gòu)墻架情況門窗主要安裝在建筑中的山墻和縱墻面等的圍護(hù)墻上，鋼結(jié)構(gòu)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要由橫梁、墻架柱、抗風(fēng)桁架、支撐、墻面板等構(gòu)成，它承受由墻體傳來的載荷，并將載荷傳遞到建筑框架或基礎(chǔ)上。在進(jìn)行墻架設(shè)計(jì)時(shí)，需對墻架構(gòu)件的截面進(jìn)行計(jì)算，墻架結(jié)構(gòu)主要承受的載荷有兩個(gè)方向的荷載：豎向荷載和水平風(fēng)荷載。一般墻架構(gòu)件的選用，按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》中國建筑工業(yè)出版社出版，第750頁表11-1〈墻梁構(gòu)件選用表〉所述的材料和規(guī)格。橫梁一般采用冷彎內(nèi)卷邊C型槽鋼，和Z型槽鋼。[3]在墻面荷載作用下繞截面的兩個(gè)主軸彎曲，如果荷載作用線不經(jīng)過剪力中心，還將產(chǎn)生扭矩。但一般墻面的拉結(jié)體系能起到阻止檁條扭轉(zhuǎn)的作用，故可不考慮扭矩的影響按雙向壓彎構(gòu)件設(shè)計(jì)。為減小檁條在使用期間和施工過程中的側(cè)向變形和扭轉(zhuǎn)，當(dāng)檁條跨度超過4米時(shí)應(yīng)在檁條之間設(shè)置拉條及撐桿，拉條必須張緊，以保證傳遞拉力。跨度在4～6米時(shí)可在跨中設(shè)置一道拉條，超過6米時(shí)在三分點(diǎn)處設(shè)置兩道拉條。墻架柱常用的截面形式有工字鋼、H型鋼等。對有門窗的墻架設(shè)計(jì)中，還應(yīng)注意盡量減少門洞、窗洞的規(guī)格和門窗的類型，要考慮門窗的標(biāo)準(zhǔn)化和互換性，同時(shí)為工廠制作創(chuàng)造有利條件，并應(yīng)符合《建筑模數(shù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定的原則。

　　3.3鋼結(jié)構(gòu)墻架中門窗設(shè)計(jì)計(jì)算在鋼結(jié)構(gòu)建筑中的門窗，與一般建筑的磚混結(jié)構(gòu)和水泥框架結(jié)構(gòu)有所不同，由于門窗外框直接與墻架中的檀條聯(lián)接，而檀條的鋼材是一種理想彈性體，它有一定的材料塑性、可有較大變形，所以鋼結(jié)構(gòu)建筑中的門窗除承受基本風(fēng)壓外，還承受豎向的荷載，具體承受的荷載如下1 豎向荷載：包括墻體材料重量如彩鋼板等，塑料門窗的重量（型材，鋼襯、五金件，玻璃等的全部重量。）雨篷上的活荷載（屋面均布活荷載或雪荷載，有時(shí)還有積灰荷載）以及墻架的自重。

　　2、水平風(fēng)荷載：其基本風(fēng)壓、風(fēng)載體型系數(shù)和風(fēng)壓高度變化系數(shù)，均按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50000-2001）采。

　　根據(jù)兩個(gè)方向的荷載，和工程所在地的基本風(fēng)壓、風(fēng)載體型系數(shù)和風(fēng)壓高度，計(jì)算墻架構(gòu)件的強(qiáng)度和所需的截面。對安裝塑料門窗而言，固定門窗的墻梁，除根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙所規(guī)定的規(guī)格外，門窗生產(chǎn)企業(yè)需進(jìn)一步根據(jù)所用的窗型和玻璃種類進(jìn)行墻梁的校核。已確保門窗的穩(wěn)定性。校核包括墻梁的強(qiáng)度，墻梁的穩(wěn)定性、墻梁的撓度。

　　3.4鋼結(jié)構(gòu)墻架中門窗洞口尺寸的確定在鋼結(jié)構(gòu)建筑中的門窗，由于鋼材的特性和結(jié)構(gòu)類型，門窗洞口尺寸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《塑料門窗安裝及驗(yàn)收規(guī)程》JGJ 103-96中表2.2.2 <洞口與窗框間隙>的值有所不同。該值需根據(jù)固定門窗的墻梁（檁條）的跨度、規(guī)格、和檁條的撓度變化許可值來確定。常見的門窗位置有兩種，如圖1和圖2所示。圖1 是門窗安裝安裝在墻面的上部或中部，四邊由墻面瓦封閉。圖2門窗安裝安裝在墻面的中部或下部，門窗下部的固定墻梁直接固定在墻上。其它由墻面瓦封閉。

　　撓曲線——如圖3，平面彎曲時(shí)，梁的軸線將變?yōu)橐粭l在梁的縱對稱面內(nèi)的平面曲線，該曲線稱為梁的撓曲線。

　　撓度——彎曲變形時(shí)橫截面形心沿與軸線垂直方向的線位移稱為撓度，用 y表示。

　　轉(zhuǎn)角——彎曲變形時(shí)橫截面相對其原來的位置轉(zhuǎn)過的角度稱為轉(zhuǎn)角，用θ表示。

　　撓曲線方程——撓度和轉(zhuǎn)角的值都是隨截面位置而變的。在討論彎曲變形問題時(shí)，通常選取坐標(biāo)軸x向右為正，坐標(biāo)軸y向上為正。選定坐標(biāo)軸之后，梁各橫截面處的撓度y將是橫截面位置坐標(biāo)x的函數(shù)，其表達(dá)式稱為梁的撓曲線方程，即y = f （ x ）