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结构用不锈钢案例研究

06 结构用不锈钢案例研究

06 Big Wood 学校的砌体支撑系统 英国诺丁汉的 Big Wood 中学毗邻 Bestwood 乡村公园,这所中学现有约

750 名11 岁至

16 岁的 适龄学生.

作为英国政府 《未来学校建设规划》 的一部分, 这所中学正在进行重建.该项目耗资 1,800 万 英镑, 一期工程是建成三幢

2 层楼的长方形教学楼 (设计平面图为

40 米x20 米) .一期工程于

2009 年 秋季开工. 这些建筑采用了砖砌外墙、 钢结构框架和复合地板. 砖墙由设在窗户上 (有些窗口宽度超过

9 米) 的不锈钢砌体支撑系统来支撑.支撑系统固定在长方形的中空边梁上, 为砖墙提供了水平支架. 材料选择 该砖墙支撑系统采用 1.4301 (S30400) 奥氏体不锈钢制造, 这也是 大多数支撑系统所用的牌号, 符合 EN 845-1[1] 标准中材质参考文献

3 砖墙辅助部件欧洲规范的要求.材料的表面选定为 1D 标准轧制表面 (热扎、 经热处理并经酸洗) ,符合 EN 10088-2[2] 标准的规定 (等同于 ASTM A480 标准的

1 号表面) . 不锈钢支撑系统之所以优于碳钢支撑系统, 是因为碳钢系统有可 能在空心墙所处的潮湿环境下发生腐蚀, 这种腐蚀可能导致砖墙沿灰 浆接缝出现裂纹或出现砖墙鼓起.一旦建筑物建成, 就无法再接触到 砖墙支撑系统;

也不可能再实施清洁、 检查或维护工作以确保其结构 的完整性.在空心墙的条件下, 不锈钢在结构设计寿命内有足够的耐 用性, 这已通过以往记录得到证实. 选择不锈钢的另一个原因是,若不锈钢表面在现场发生了损伤, 则那层密封不锈钢的透明 钝化膜 能够迅速重新形成, 使部件的使用 期限不受影响. 不锈钢的导热率明显低于碳钢 (参见表 1) .由于砖墙支撑系统是 固定在主结构上并穿过隔热空心层至外墙面, 所以较低的导热率能最 大程度地减少冷桥的影响, 让建筑物拥有更好的热效率. 图片 1: Big Wood 中学全貌 金属 导热率 [W/(m ・ K)] 铝160 碳钢

50 奥氏体不锈钢

17 砖0.7 塑料 0.2 表1建筑材料典型的导热率值

19 设计砖墙支撑系统由整条角钢构成, 且设有按一定间隔焊接至角钢垂 直边上的支架.这些支架固定到钢结构框架上.对于较宽的空心墙而 言, 这套系统比传统角钢支撑系统 (角钢必须横跨空心墙的整个宽度) 的经济性更好, 因此可以减少角钢的厚度和重量.支架和角钢的精确 尺寸取决于具体项目的空心墙和载荷.在Big Wood 中学, 这套支架角 钢支撑系统的设计可支撑 4.5 kN/m2 的载荷,

170 mm 的空心墙,且支 架在支撑结构部件下方突出. 图2和图

3 所示为两种在数学和设计教 学区第一层所采用的布置方案. 大多数角钢和支架都采用

4 毫米厚的 钢板制作,有几个特殊的角部部件采用

6 毫米厚的钢板制造. 该系统设计将角钢当作悬臂来建模, 同时还考虑到支架间角钢的 特性, 按照钢结构设计标准进行设计, 并经过了大量物理测试和行业 经验的验证.角钢趾部相对于钢结构架的垂直挠度限制在 1.5 毫米. 支撑钢架采用 RAM 结构系统软件, 按照 BS 5950-1 [3] 标准进行 设计.为了避免支撑系统的过度位移, 结构边缘构件在设计上都以尽 量减少变形为目标, 并能够如参考文献[4] 所述容忍砖墙偏心载荷所引 发的扭力. 砖墙覆面与内空心墙面连接,连接的最大水平间距为

450 毫米, 且在支撑角钢之上

300 毫米范围内.连接细节按照 BS

5628 标准第

1 部分: 采用符合 BS 6399-2 [6] 标准的风载荷进行检查. 将带有窄条砖的预制墙板连接到第

2 层钢架和冷轧钢框架, 以达 到所希望的垂直对缝砌法砖墙效果. 图3: 连接至长方形中空边梁下方角钢的支架 图2: 直接连接至长方形中空边梁的支架 Big Wood 学校的砌体支撑系统 结构用不锈钢案例研究

06 20 Big Wood 学校的砌体支撑系统 图4: 图2所示支撑系统的建造 图5: 由砖墙支撑系统支撑的垂直对缝砌法 砖墙的建造 在不锈钢支撑系统与碳钢结构框架螺栓连接的位置,如果环境变潮 湿, 则存在电偶腐蚀的风险. 这种腐蚀不会影响不锈钢, 但有可能导致 碳钢腐蚀速率增加.为了防止这种腐蚀, 两种金属之间可采用高载荷 DPC (防潮) 分隔条来隔离, 这些分隔条可从卷材上截取, 插入支架的 背面与长方形碳钢中空型材之间. 为支持诺丁汉市在

10 年内成为零碳地区的目标, Big Wood 中学 采取了一系列的创新方案以减少碳排放和用水量. 这所中学配备了由 可再生能源供能的热电联产 (CHP) 装置, 这套装置显著减少了对电网 供电的需求量,其碳排放量比现行英国建筑规范低 60% (这是英国第 一所安装了燃烧纯植物油的热电联产装置的教学大楼) .这所中学可 向电网出售电力, 并通过环保证书实现创收;

在中学大门口有能耗和 发电量显示.通过采用诸如小容量双冲洗模式水箱、 自动喷水龙头和 小流量淋浴喷头, 以及从建筑物屋顶收集雨水用于冲洗马桶的雨水集 流系统, 学校对市政供水的需求也大大减少. 制作和安装 该砖墙支撑系统用板材制造, 并采用冷成型工艺. 作用在支撑系统上的载荷是垂直和静态的, 角钢将永久承受其全 部的设计载荷.制作和安装中必须遵守严格的公差, 这是因为支架尺 寸和砖墙安装位置的轻微偏差都会对载荷位置、 相关变形和应力产生 较大的影响. 在支撑系统设计结束和制作开始前, 对结构钢架的竣工位置从其 边线和标高方面进行了检查. 在安装期间提供了用于对垂直和水平方 向进行小调整的装置 (图6) . 为便于沿角钢长度方向进行水平调整, 设计本系统时在每个角钢 与钢架上预先钻好的水平槽孔之间留出了

10 毫米的标准间隙,以方 便角钢位置的调整. 结构用不锈钢案例研究

06 21 图6:对垂直和水平误差的适应 图7:Steelgrip 螺钉 (专利号

241 0307) 为适应空心墙宽度上的微小偏差, 砖墙在支撑角钢上的承重宽度是可 以调整的.当空心墙宽度小于预期时, 有必要切割砖体以留出角钢半 径间隙.在理想状态下, 角钢上的砖墙设计承重宽度至少为墙体的三 分之二.为适应宽度超过预期的空心墙, 提供了全高度的不锈钢垫片 以供插入结构钢架面与支架背面之间. 这些垫片的最大厚度为固定螺 栓外径与

16 毫米这两个数值中较小的值.Big Wood 中学所用的最大 垫片厚度为

12 毫米. 这些垫片的长度必须足以延伸至支架的底部;

每 个垫片都要尽可能地厚. 为便于进行垂直方向调整, 支架上设有垂直槽孔, 这样可以沿任 一方向进行±30 毫米的垂直调整.为确保固定件不发生滑动, 支架上 的槽孔采用了锯齿状表面, 并采用不锈钢锯齿形垫圈 (在正确的方位) 和不锈钢定位紧固件固定到钢架上. 当可以从钢结构框架两侧接近时,采用 M12 固定螺钉把支架固 定到支撑钢架上, 并安装在

14 毫米宽的水平槽孔内 (参见图 3) . 当只能从一侧接近时,则规定采用装在直径

20 毫米固定孔内的 M12 Steelgrip 紧固件将支架直接固定到中空钢结构型材上 (见图 2) . 这种紧固件是一种与支架上的锯齿面相符的锯........