蒸压加气条板在钢结构复杂外墙系统中的建造技术研究

1 工程概况

以某医院的综合楼为分析对象，本工程地上结构为装配式钢结构，外围护墙体均采用蒸压加气条板，条板强度等级A5.0，密度级别B06。在医疗综合楼A区1~3层、B区1~5层外围护墙体上的窗户跨度大，跨度最大的窗户达到了42.5m，窗上口的条板加固不能按照常规方式进行。

幕墙预埋件常规做法一般是在楼板处或楼层梁处设置，本工程地上结构均为工字钢梁，楼板仅为120mm厚，幕墙预埋件不能设置在楼板上。

为防止工字钢受扭，不能直接将外幕墙的主龙骨托架直接焊接在工字钢梁腹板上，幕墙与受力体系设置困难。

2 技术难点研究思路

本工程外墙系统复杂，现有图集已经不能满足要求，若外墙条板安装、建筑外窗、外墙外保温系统、外幕墙安装分别施工，将会导致外墙各个系统的受力骨架体系重复设计和施工，造成不必要的浪费。因此，综合考虑外墙构件和外幕墙的受力体系与条板墙安装时外门窗洞口加固设计，将外墙构件、外幕墙的设计荷载，通过一种外墙墙架体系，传导至主体钢结构上，确保外墙体系受力合理，实现建筑效果，并减少施工难度，保证其施工质量。

虽然我国已有很多学者对蒸压加气混凝土板的性能以及节点连接承载力做了大量的试验研究，但是对墙板和主体结构间起荷载传递和连接作用的墙架却鲜有研究。

本工程对复杂外墙墙架形式和性能进行了研究设计，可供工程设计和施工人员参考。

3 施工技术创新

针对本工程复杂外墙体系，提出加气混凝土墙架的设计概念，通过研究墙架的受力性能，提出了墙架组成构件的计算方法，并得到其截面尺寸，供工程设计人员参考。对加气混凝土复杂幕墙系统节点进行了设计研究，提供了一套设计及施工使用的加气混凝土条板复杂外墙建筑及结构节点。

目前该技术解决了图集中对蒸压加气条板应用高度和外窗洞口尺寸的限制，形成了复杂加气条板幕墙系统的设计方法，给出了一套目前图集中尚未给出的加气条板复杂外墙节点做法，保障了条板外墙系统的安全与质量。外墙墙架系统风荷载计算见表1。

表1 外墙墙架系统风荷载计算

      

4 关键技术内容

4.1 外墙墙架设计方案

轻质蒸压砂加气混凝土墙架是一种新型墙架系统，指在主体结构和墙体间承受墙板重量，起荷载传递作用和连接作用的钢构件，通常由角钢和辅助连接件组成，这些连接件包括专用支承件、槽钢以及预埋件等。钢筋混凝土结构和钢结构的墙架形式略有不同，在钢筋混凝土结构中，墙架通过预埋在主体结构中的预埋件与主体结构可靠连接，而钢结构中墙架则直接焊接在钢梁或钢柱上，通过焊缝强度使墙架与主体可靠连接。

本工程外墙墙架设计需要综合考虑条板墙、外幕墙效果、外窗尺寸，结合主体结构布置，通过在钢梁下挂框梁、在钢柱上设置框梁钢托座，为墙架系统提供支撑。墙架系统完成后，再安装墙架中的加气条板和窗户。加气条板与墙架中的钢梁连接均采用钩头螺栓连接，构成柔性连接，直接在外窗的副框安装墙架体系。除此之外，外墙构件和外幕墙的竖向主龙骨均与该墙架体系焊接连接，形成整体。

4.2 墙架构件设计

本工程外幕墙的墙架系统由墙架、支承件和预埋件组成，根据墙板安装方法的特点，墙架的构件截面为角钢或方管，本工程墙板全部为竖向连接。墙板自重和外荷载通过支承件传递给墙架，再由墙架传递给钢柱，墙板自重的偏心作用使钢柱承受轴向压力和弯矩的共同作用。因此墙支架需要满足强度、整体稳定、局部稳定和刚度的要求。

ALC墙板自重：墙板干密度 ρ =6.25kN/m3，含水率按出厂30%计算，墙板自重标准值为1.63kN/m ² 。

窗自重面荷载标准值： g =0.8kN/m ² _。

外墙墙架系统还承担着风荷载带来的水平风压力。本工程所在地基本风压0.45kN/m ² （50年一遇），地面粗糙度类别为B类，围护体型系数为–1.6和1.2，对于作用在条板外墙上的风荷载，可以用式（1）计算。

ω _k = β _gz μ _s ω ₀ （1）

本工程墙架设计运用结构计算软件MIDAS、PKPM等对墙架进行建模计算，墙架系统综合考虑幕墙系统自重、风荷载、地震荷载等作用。经过反复优化计算分析，对不同的外窗洞口采用不同规格的墙架构件，以保障外墙系统的安全，满足其经济性。

墙架系统根据外立面洞口和建筑作法布置，通过在钢梁下挂框梁、钢柱上设置框梁钢托座，为墙架系统提供支撑，墙架系统完成后，再安装墙架中的加气条板和外墙构件及外幕墙受力构件，加气条板与墙架的连接均采用钩头螺栓的方式。

根据窗宽，通过计算归并划分出4个宽度级别用的类型1~5，用于现场选择。

4.2.1 普通窗

普通窗墙架钢梁、钢柱布置如图1所示。

      

图1 普通窗墙架钢梁、钢柱布置示意

4.2.2 长窗

因造型需求通常无法设置钢柱，根据不同部位的布置，结合结构主体，设计出类型2~5（图2），丰富墙架布置方案。 长窗处标准柱跨为8700mm，窗与柱建筑平面关系如图3所示。长窗的出现在无法增加钢柱的情况下，通过在框架柱上焊接钢托座，以及在钢托座间增加钢梁的方法，保证墙架系统力的传递，如图4所示。墙架选用180mm×250mm×12mm×12mm的方钢作为钢梁，通过计算验算，满足需求。

      

（a）

      

（b）

      

（c）

      

（d）

图2 类型2~5墙架钢梁布置示意

（a）类型2；（b）类型3；（c）类型4；（d）类型5

      

图3 长窗建筑平面示意

      

图4 长窗建筑立面加钢托座示意

通过计算，在确保墙架钢柱、钢梁受力满足要求 的前提下，对类型1~5墙架系统结构进行归并设计。

4.3 墙架结构节点设计

外墙墙架通过在主体钢柱上的钢托座和钢框架柱梁的下挂节点，将外墙荷载传递给主体钢结构，其连接方式如图5~图7所示。

      

图5 钢柱钢托座墙架节点示意

      

图6 钢梁下挂墙架节点示意

      

（a）

      

（b）

图7 墙架与混凝土板连接节点示意

（a）示意1；（b）示意2

4.4 条板复杂幕墙系统节点设计

本工程幕墙与条板墙安装统一考虑，窗间墙的遮阳构件连接在外墙的墙架上，减少现场作业量。幕墙主龙骨与外墙墙架连接，以减少外墙龙骨对型钢梁影响。

5 关键技术的应用效果

本技术对蒸压加气条板在复杂外墙中的应用进行了系统研究，采用仿真分析等技术手段，提出了ALC墙体在装配式钢结构建筑上的安装方式，得到 了设计单位的认可，并以图纸的形式予以确认。解决了本工程ALC条板在外围护墙体安装遇到超长窗户时上部条板安装固定难的问题，同时增设的外墙架兼作外墙遮阳挡板的固定钢架（首层以上）和外幕墙的主要受力部件，将外墙部件受力传递给钢结构柱，提高了本工程外墙施工技术的科技含量和生产效率，保证了蒸压加气条板复杂外墙的功能要求、施工质量和结构安全，为项目创造了良好的效益。