彭志丰
(多维联合集团有限公司,北京 100070)
摘 要:金属幕墙夹芯板系统凭借其优异的保温、美观、防火、节能等性能,在工业和民用建筑中得到了广泛的应用。但金属幕墙夹芯板系统对主体结构和墙面骨架安装的精度要求很高,因此要实现金属幕墙夹芯板的优异性能,其与主体结构连接成为关键所在。鉴于哈芬槽预埋件能够克服传统预埋件安装不方便、人工成本高、误差大等 缺点,将哈芬槽预埋件应用到金属幕墙夹芯板系统中。结合西安三星工程对哈芬槽预埋件的构成、埋置方式、破坏方式进行详细介绍,指出忽视哈芬槽预埋件中槽钢卷边破坏模式可能导致工程不安全,并给出防止槽钢卷边破坏的实用计算方法。
关键词:哈芬槽预埋件;金属幕墙夹芯板系统;卷边破坏 DOI:10. 13206/j,gjg201603014
金属幕墙夹芯板系统因承载力相对较高且宏伟大气,不会产生光污染,所以得到了广泛的应用。金属幕墙夹芯板系统对主体结构和墙面骨架的安装精度要求很高,要实现金属幕墙夹芯板系统的优良性能,其与主体结构的连接是关键。特别是混凝土结构的外围护系统采用金属幕墙夹芯板系统时,其与混凝土结构的连接是一个难点。
传统工艺是在混凝土结构中预先埋设钢板预埋件,然后通过现场焊接连接件方式固定金属幕墙夹芯板系统的骨架。预埋件较长的锚筋容易与主体结构钢筋碰撞,导致不易进行安装;}昆凝土浇筑及振捣容易造成预埋件偏位,导致连接件上螺栓孔失效;传统预埋件只能在一维或二维调节误差,达不到金属幕墙夹芯板系统安装精度要求,造成墙面不平整;连接件与预埋件焊接方式破坏了防腐锌层,容易产生锈蚀,需要后期涂刷防腐涂料,焊接和涂刷工序需要大量的人工,而且构件的镀锌层降低了焊接质量,容易造成安全隐患。哈芬槽预埋件能够克服传统预埋件的上述缺点,而且试验研究和有限元分析表明哈芬槽预埋件具有优良的抗拉、抗震等性能,本文结合工程实践对哈芬槽预埋件的构成、埋置方式、破坏方式进行详细介绍,指出忽视哈芬槽预埋件中槽钢卷边破坏模式可能导致工程不安全,并给出防止槽钢卷边破坏的实用计算方法。
1 工程简介
西安三星电子项目位于西安高新技术开发区。主体结构为钢一混结构,墙面围护体系采用75 mm厚新型岩棉四面企口金属幕墙夹芯板系统,此板型具有安装快捷、保温性能优良、插口密封性好等特点,最重要的是该板型设计新颖,整体效果美观。
2 哈芬槽预埋件的构成
哈芬槽预埋件又称槽式预埋件,由槽钢、锚筋、T形螺栓组成,哈芬槽预埋件构造详见图1。槽钢与锚筋材质均为Q235B;槽钢与锚筋通过焊接或铆接形式连接;T形螺栓为8.8级高强螺栓,常用规格为M16和M20,T形螺栓与槽钢通过螺栓连接。哈芬槽预埋件带有镀锌层,具有良好防腐能力;哈芬槽预埋件构造简单、体积小,便于工厂标准化生产和现场安装。哈芬槽预埋件和檩条连接件在工厂制作,实现了西安三星金属幕墙夹芯板系统施工现场无焊接连接的理念。
3 哈芬槽预埋件的埋置形式
哈芬槽预埋件的埋设方式分为混凝土柱侧放和楼板平放(图2)。混凝土柱侧放方式能够实现槽钢长度方向、竖向高度方向、骨架侧面水平方向的三维安装调接功能,具有消除一定施工误差影响的能力,施工方便,同时哈芬槽埋件体积小,不会与主体结构钢筋碰撞,便于其在混凝土柱中安装定位。混凝土楼板平放方式能够实现槽钢长度方向、垂直槽钢长度方向、骨架侧面竖向方向的三维安装调接功能,减小施工误差影响,施工方便。哈芬槽预埋件节点构造见图3。在连接件上布置50 mm的长圆孔,以减小施工误差对骨架螺栓安装的影响;在连接件的垂直受力方向设置1~2 mm刻痕以增加T形螺栓摩擦面的摩擦系数,提高了预埋件节点的受力性能。连接件和金属幕墙檩条在工厂焊接完毕后再采用热镀锌工艺,金属幕墙夹芯板系统现场无焊接处理,所以金属幕墙夹芯板骨架系统焊接质量和防腐能力得到了保障。
4 哈芬槽预埋件节点的破坏模式及计算
4.1 哈芬槽预埋件节点的破坏模式
哈芬槽预埋件节点的破坏通常为T形螺栓的拉断、剪断及拉剪破坏,锚筋的拉断、剪断及拉剪破坏,混凝土锥体受拉破坏、受剪破坏及拉剪破坏,混凝土劈裂破坏和剪撬破坏,哈芬槽节点破坏模式详见图4a-图4d。张晋峰等指出槽式预埋件抗拉试验中槽钢变形过大将会导致T形螺栓与槽钢连接面的拉脱破坏。郑圆圆在哈芬预埋槽钢抗震试验中指出在拉拔作用下T形螺栓将槽钢卷边咬出缺口,T形螺栓从缺口被拔出,此破坏属于槽钢卷边的剪压复合破坏,而不是单纯的槽钢卷口的剪切破坏、受压破坏。考虑该破坏模式可能会造成金属幕墙夹芯板系统节点不安全,所以建议在哈芬槽预埋件节点设计时考虑槽钢卷边的剪压复合破坏,槽钢卷边破坏模式见图4e。
4.2哈芬槽预埋件节点的计算
根据上述哈芬槽预埋件的破坏模式,给出哈芬槽预埋件的计算方法。一般通过控制预埋件至混凝土边缘的最小距离和保护层厚度等构造措施防止混凝土的劈裂破坏和剪撬破坏。通过文献的计算可防止T形螺栓的拉断、剪断及拉剪破坏,锚筋的拉断、剪断及拉剪破坏,混凝土锥体受拉破坏、受剪破坏及拉剪破坏。本文将重点介绍通过计算防止槽钢的剪压复合破坏发生,由于槽钢的剪压复合破坏计算比较复杂,先应考虑槽钢卷边的剪切破坏、受压破坏计算,最后考虑剪压复合破坏计算。
4.2.1槽钢卷边的剪切破坏
哈芬槽预埋件在受拉时,槽型钢卷边有可能发生剪切破坏。忽视槽钢的剪切破坏,可能造成节点的不安全。虽然每个T形螺栓与槽钢有两个受剪接触面易发生剪切破坏,但考虑到受力、材质的不均匀,施工误差等因素,偏安全地认为每个T形螺栓每头与槽钢只有1个受剪接触面。假定T形螺栓传递给槽钢的剪力沿T形螺栓宽度边缘以450在槽钢卷边扩散,则剪切面长度为(t e+2t),如图5所示,故可使槽钢卷口剪力满足式(1),不发生剪切破坏:
式中:t为槽形钢卡槽处的厚度;t e为T形螺栓T字头宽度;f v为槽形钢的抗剪强度设计值;n为T形螺栓的个数;V e为槽形钢所受的剪力设计值。
4.2.2槽钢卷边的受压破坏
槽钢卷边的受压破坏通常是伴随剪切破坏发生,受压破坏将加大剪切破坏程度。因槽钢卡槽的厚度在平行于T形螺栓螺杆方向较小,所以需要验算其抗压承载力。虽然每个T形螺栓与槽钢有两个受压接触面发生受压破坏,但考虑到受力、材质的不均匀,施工误差等因素,偏安全地认为每个T形螺栓与槽钢只有1个受压接触面,故可以通过式(2)防止槽钢卷边的受压破坏:
式中:t1为槽形预埋件卷边的长度;f为槽钢的抗压强度设计值;Ne为槽钢所受的压力设计值。
4.2.3槽钢卷边的剪压破坏
因为单纯地考虑槽钢卷边的剪切破坏和受压破坏与工程实际具有一定差距,所以考虑槽钢卷边的剪压比较合理。可以通过式(3)防止槽钢卷边的剪压破坏,若满足式(3),则槽钢剪压复合强度满足要求:
5 哈芬槽预埋件柱侧放节点计算实例
金属幕墙系统自重由竖向通直骨架全部承担,并传至基础,哈芬槽预埋件仅需承担受荷区域的风压,不承担金属幕墙系统中夹芯板自重,所以混凝土楼板平放哈芬槽预埋件不会发生槽口卷边破坏,不需要验算槽口卷边承载力;而混凝土柱侧放哈芬槽预埋件可能会发生槽口卷边破坏,需要验算槽口卷边承载力。
槽钢剪压复合承载力满足要求。
从以上数据可知:柱侧放哈芬槽槽钢卷边具有良好的抗剪承载力、抗压承载力及剪压复合承载力,其本质是型钢混凝土结构的层高和金属幕墙夹芯板系统中夹芯板限制了骨架的跨度和间距,使哈芬槽槽钢卷边具有良好的承载力。
6 结束语
金属幕墙夹芯板系统中的哈芬槽预埋件既可侧放于混凝土柱表面,又可平放于混凝土楼板上。哈芬槽预埋件节点能够实现三维螺栓调节,减少混凝土施工误差影响,便于施工。楼板平放哈芬槽预埋件不会发生槽口卷边破坏,不需要验算槽口卷边承载力;而混凝土柱侧放哈芬槽预埋件可能会发生槽口卷边破坏,需要验算槽边卷边的抗剪、抗压及剪压复合承载力。在西安三星一期工程中,将哈芬槽预埋件引用到金属幕墙夹芯板系统,可供类似工程借(鉴和参考。
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