了解冷弯型钢幕墙构件：设计、材料与性能

了解冷弯型钢幕墙构件：设计、材料与性能

本文引用的设计并不排除使用其他材料、组件、结构或设计，只要这些其他设计和材料在预期用途上表现出同等性能；并且 CFSEI 文件并不排除使用和实施任何其他设计或施工技术。

介绍：

自 20 世纪初推出以来，金属和玻璃幕墙系统在现代建筑设计中非常受欢迎。这些轻质外墙覆层通常由冷弯型钢制成，并使用各种建筑外饰面。幕墙附在建筑结构的主要框架上，旨在适应结构变形（包括由风和地震力引起的变形），控制环境渗透或泄漏，并提供长期、低维护的性能。

第一部分 定义

以下列出的各种冷弯型钢幕墙组件的基本定义虽然并不全面，但可能对设计师有所帮助。带星号的定义来自 AISI S100-07 或 AISI S200-07。

A.1.1 角连接件：* 通常用于连接的短 L 形钢板（通常弯曲 90 度）。

A.1.2 角钢连接器：用于连接幕墙立柱和主框架的角钢。角钢通常采用热轧厚度（3/16 至 3/8 英寸），但如果跨度和负载要求相对较小，则可以使用更薄的材料。

A.2 支撑（桥接）* 安装用于对其他框架构件提供约束或支撑（或两者）的结构部件，以使整个组件形成稳定的结构。常用的支撑构件有冷轧槽钢、扁钢和实心块。

A.3 斜撑（裙板） 斜撑用于幕墙组件的侧向支撑，水平安装时，该支撑称为裙板。

A.4 预埋热轧钢板或角钢，配以剪力钉或钢筋，浇铸在混凝土楼板或梁中，用于连接连续支撑角钢。

A.5 紧固件 自钻螺钉是最常用的紧固件类型。有关螺钉的信息，请参阅 CFSEI 技术说明 F102-11《冷弯型钢框架结构的螺钉紧固件选择》。

A.6 窗框梁* 支撑墙板的水平结构构件，墙板主要承受水平载荷（如风载荷）的弯曲。在钢立柱肩墙结构中，通常设计连续空心钢型材以清除相邻柱之间的跨度，以支撑作用在立柱墙上的风力。使用窗框梁可以消除劳动密集型的对角踢。

A.7 滑动夹 允许主框架偏转的连接装置，主框架上安装有螺柱。滑动夹或偏转装置可能是允许垂直或垂直和横向漂移的专有连接器。

A.8 滑轨*（滑轨）一种带有延伸法兰的轨道，用于墙顶，使结构能够独立于墙柱垂直移动。有关设计指导，请参阅 CFSEI 注释 TN W100-08a，滑轨。

A.9 结构构件（结构螺柱）* 除非定义为非结构构件，否则可抵抗适用建筑规范所要求的设计荷载。结构螺柱为 C 型截面，通常由 33 毫米及更厚的钢板制成。螺柱可承受风荷载和自重（它们所附着材料的重量）。螺柱间距取决于外墙饰面系统、施加的荷载和螺柱的结构特性。标准构件横截面几何形状由 AISI S201《北美冷弯型钢框架标准 - 产品数据》（2007 年）定义。法兰尺寸通常从 1-3/8 英寸到 2 英寸不等。通常需要最小 1-5/8 英寸的 C 型法兰。法兰较窄的螺柱会使砌体连接或护套产品的现场安装更加困难。结构螺柱的最小屈服强度为 33 ksi。需要更高屈服强度（即 50 ksi）的情况包括安装中需要承受静载荷和风载荷的情况。立柱厚度由工程设计预测，但以下最小厚度很常见：* 对于涉及自钻螺钉连接的填充墙应用，允许使用 33 mil 框架组件。* 在任何需要焊接冷成型产品的情况下，建议最小构件直径为 43 mm。美国砖协会 BIA 技术说明 28B 要求在任何砖贴面/钢立柱应用中至少使用 4300 mil 的产品。平面外挠度通常会影响幕墙框架组件的选择；增加构件深度会产生有益的影响。例如，6 英寸螺柱 x 43 密耳螺柱（指定为 -43）（Ix = 2.3 平方英寸）的刚度约为 3-5/8 x 43 密耳螺柱（或 -43）（Ix = 0.71 平方英寸）的 3 倍。但是，两者之间的重量和成本差异可能并不那么显著。

A.10 轨道（或导轨）* 仅由一个腹板和两个翼缘组成的框架构件。轨道腹板深度测量在翼缘内侧进行。

B.1 砖贴面 由钢框架系统横向（有时垂直）支撑的砖贴面。框架系统外部的组件包括：砖、砂浆、防水外护套、砌体墙拉杆、流孔、搁板角、接缝和接缝密封剂、防水板、绝缘材料、空气空间和防潮层。AISI CF03-1《钢立柱砖贴面设计指南》可提供额外的设计指导。

B.2 除框架系统之外的瓷砖组件包括：丙烯酸乳胶灌浆、确保与砂浆粘结的瓷砖、丙烯酸乳胶改性干凝砂浆、改性波特兰水泥砂浆、菱形网金属板、防水外护套、接缝和接缝密封剂、绝缘材料和防潮层。

B.3 外墙保温饰面系统 (EIFS) 一种轻质、节能的外墙产品，外墙采用灰泥或预制混凝土。框架系统外的组件包括：聚合物或聚合物改性基层和饰面，采用金属板条或玻璃纤维加固，发泡或挤塑聚苯乙烯或聚苯乙烯保温材料，防水外护套，接缝密封剂，空腔保温材料和防潮层。

B.4 玻璃纤维增​​强混凝土 (GFRC) 一种用耐碱玻璃纤维制造的复合产品，用水泥/骨料浆增强。制造方法各不相同，但最常见的是使用手动设备喷涂成所需的形状和尺寸，或在生产线上进行机械喷涂。GFRC 面板具有高抗冲击载荷能力、不易燃、重量轻，并且有多种表面处理可供选择。由于是成型的，GFRC 面板允许自由表达建筑。夹角和销钉用于螺柱框架和 GFRC 面板之间的过渡。

B.5 金属板 工厂涂漆的压型/波纹钢板，单层或芯材由异氰脲酸酯绝缘材料、聚氨酯或硅片铝组成。可提供建筑饰面。

B.6 改性波特兰水泥（灰泥）波特兰水泥、水、沙子和少量石灰（波特兰水泥灰泥）用于外表面。饰面用膨胀金属板条固定在支撑物上，膨胀金属板条连接到防水护套产品和立柱框架上。其他系统包括薄铸砖、大型石材（如花岗岩或石灰石）、木质壁板等。

C.1 填缝 幕墙构件（预制板、砖饰面等）接缝的密封，防止空气和水的渗入。

C.2 控制缝设置在建筑构件中以形成薄弱点的缝隙，以防止随机开裂等。

C.3 伸缩缝 在结构中策略性放置的缝隙，用于适应周围材料的膨胀或收缩。

C.4 防火阀：隐蔽空间内的坚固、严密的屏障，用于防止火势和烟雾在这些空间蔓延。

C.5 石膏板是由不燃石膏板芯和为性能或用途专门设计的材料包裹而成的产品。

C.5.1 石膏墙板或灰泥板 - 使用适当的紧固件和接头后，其表面适合涂漆等的室内产品。

C.5.2 石膏护套——外部产品由防水石膏芯组成，完全包裹在粘合的防水纸或玻璃纤维表面中。

C.6 过梁通常是指支撑墙洞以外砖石重量的钢角钢，而门柱以外砖石又对其进行支撑。

C.7 女儿墙延伸至相邻屋顶上方的墙体部分。

C.8 预制（镶板）在远离施工现场的施工现场将钢框架组件组装成尺寸面板或框架。这通常伴随着预安装合成石膏、瓷砖等装饰材料。

C.9 改造 重建现有结构以增强其外观和/或功能。外墙翻新通常使用钢框架组件。该产品适合改造应用，因为其重量通常不会使现有结构超载。检查现有结构是幕墙改造设计的一个关键方面。

C.10 垫片 插入两个表面之间以填充间隙或空隙的薄钢板。 公差 指定尺寸或大小允许的变化范围。

C.12 墙拉杆（或砖或砌体拉杆）将砌体与立柱连接起来的金属锚栓。拉杆的作用是将砌体的侧向力传递到立柱上。燕尾榫或类似样式的砖拉杆可从不同制造商处购买。波纹拉杆不应用于涉及钢结构构件的施工中。

C.13 承重加固构件（腹板加固构件）* 附在腹板上的附加材料，用于增强构件强度并防止腹板强度下降。

第 2 部分 设计载荷

施加在冷弯型钢框架幕墙组件上的典型设计载荷有：重力载荷（自重）、热载荷或应力；地震载荷和风载荷。

A “自重”的应用无需解释。但应注意的是，应仔细评估其影响。除了正常的单层墙体自重外，其他应用包括：来自上方堆叠墙体系统的重量对最低值柱施加的轴向载荷；来自附在柱墙上的砖支撑角的集中载荷、力矩和应力；来自檐口凸起、“眉形”框架等的偏心施加自重载荷的影响。

B 热负荷或热应力通常表现为两种形式：1) 构件在被限制在一个大型、非常坚固、尺寸稳定的主框架内时，由于温度变化而收缩或伸长的趋势而引起的轴向力（图 1）；或 2) 外部组件弯曲引起的热致弯曲力，这些弯曲力受到外部和内部表面温差的影响，例如绝缘复合金属夹层板固有的温差（图 2）。这通常不是适当绝缘的 CFS 框架墙的问题。

C 地震荷载地震荷载通常是地震期间墙体组件质量加速而作用于构件上的横向力。因此，力与墙体组件的重量和地震事件的严重程度有关。地震事件的严重程度通常针对特定的地震区或地区编制。幕墙内力是根据规范计算的，而不是根据某些部分和部件或次要结构段的主要抗侧力系统力计算的。应该注意的是，墙体组件的各个部分，如胸墙、装饰凸起等，以及连接件和紧固件，可能与墙的其余部分承受不同的地震设计力。

D 风荷载是幕墙组件最典型的控制设计力。与地震荷载类似，它们是基于风速区编制的，通常也是次要结构部件。建筑物的高度（高于地面）、水平尺寸、屋顶结构、周围环境、与飓风海岸线的距离以及用途都会影响风荷载的发展。除角风荷载和负风荷载外，风荷载通常随高度而变化。

第三部分 结构分析与设计

A. 结构分析 结构分析决定了组件所需的强度。幕墙组件的结构分析采用普遍接受的结构工程原理。组件被隔离并建模为自由体图或图纸，其中设计载荷和反应指示在与主要结构或其他支撑构件连接的位置。结果可以手动计算或使用计算机软件选择。在进行结构分析时，应考虑 AISI S211 载荷和载荷组合的 A3 节。

B. 根据幕墙的结构分析，将所需强度（即力矩和力）与组件的设计强度进行比较。这些组件的强度是根据北美冷弯型钢结构设计规范 (AISI S100) 计算的。冷弯型钢幕墙的典型强度或临界强度评估为：弯曲强度、轴向强度、剪切强度、腹板破坏强度；和/或这些强度的组合。

C. 冷弯型钢幕墙最典型的形状是 C 形立柱。C 形是单对称的，由于伴随的几何特性，C 形立柱在风荷载下会扭曲和偏转（偏离墙面）。这种行为趋势称为扭转弯曲屈曲。风荷载风荷载是幕墙组件上最典型的控制设计力。与地震荷载类似，它们是基于风速区编制的，通常也是次要结构组件。建筑物高度（高于地面）、水平尺寸、屋顶结构、周围环境、与飓风多发海岸线的距离以及使用情况都会影响风荷载的发展。风荷载通常随高度而变化，角区风荷载和负风荷载除外。材料可以约束立柱。扭转屈曲构件的设计强度可以根据 AISI S100 计算。立柱截面抵抗轴向和弯矩弯曲的能力可根据 AISI S100 计算，具体取决于所用支撑的类型。一般而言，减小支撑/桥接间距可增加构件的设计强度，而增加支撑间距则降低设计强度。机械支撑/桥接（连续槽、拉杆、阻塞或其他）是支撑 C 型立柱墙的最常见和首选方法。根据 AISI S211 的 B1(b) 节，允许使用护套支撑设计。请注意，本节的使用会对组装施加某些限制：立柱的两个法兰上都连接有相同的护套。如果护套类型不相同，则出于设计目的，应假定两个护套中较弱的护套位于两侧。护套连接到底部和顶部水平构件（通常是轨道），为立柱提供横向和扭转支撑。工程图应将护套标识为结构构件。对于以下荷载和抗力系数设计 (LRFD) 荷载组合，应估算无护套支撑的墙柱：

1.2D + (0.5L 或 0.2S) + 0.2W

由于这些要求，依靠覆层加固进行设计通常是不切实际的，特别是如果存在滑动连接而使衬里无法连接到顶部，或者负载组合需要一排或多排没有衬里的钢支撑。

D. 适用性/挠度 典型的适用性考虑因素可能包括整体移动、振动、视觉考虑或构件挠度。在典型的立柱框架外幕墙中，构件平面外挠度是主要的适用性问题。挠度限值通常由建筑饰面决定。这些通常在项目规范中指定，有时会附有记录工程师的建议。虽然不是一份明确的清单，但以下是一些用于螺栓框架幕墙的典型挠度限值：

金属面板 L/180 -L/240

外墙外保温系统 L/240 -L/360

外部水泥灰泥/灰泥 L/360

石头 L/360 -L/600

砖 L/600

悬臂（护墙、悬垂结构等）的经验法则是根据两倍悬臂长度来限制挠度，如图 3 所示。这些挠度应根据悬臂挠度计算，仅用于计算支撑构件旋转的影响，或检查悬臂和相邻跨度挠度，长度相等，距离为悬臂端最大跨度挠度的两倍。这两种方法背后的原理是，虽然最终的悬臂端位移考虑了支撑点的旋转，但并不能准确反映使用限制通常试图反映的曲率问题。然而，应该考虑完整的悬臂位移（例如，不大于 1/2 英寸或其他实际挠度限制）。对于挠度，结构分析通常仅基于螺柱性能进行。在评估挠度时，AISI S211 规定使用 70% 的构件和覆层载荷。

E. 主要框架运动 幕墙框架设计中需要考虑的几种不同的建筑运动：楼层摇摆、扭转位移、蠕变和收缩（通常在混凝土结构中）以及重力荷载挠度。相对于冷弯型钢立柱墙，楼层摇摆和重力荷载挠度是最重要的考虑因素。在风大和地震多发地区，楼层摇摆可能需要非常特殊的设计。在多跨条件下，构件和连接以及各种幕墙应用中的基本连接细节可能会出现问题，尤其是在建筑物的角落区域。这些问题的解决方案可能千差万别——从构件应力或平面内剪切强度验证到双向滑动或漂移夹连接。当窗间梁承受活载时，初始框架重力荷载的挠度对幕墙设计最为关键。理论上，不同楼层的活载挠度可能变化到 L/360 甚至 L/240，这可以在中等大小的隔间中产生一英寸或更大的移动公差。在所有实际概率中，此类运动很少会超过这个值的一小部分。无论如何，一旦根据工程规范、结构设计说明或记录工程师确定了运动公差，设计就必须适应这种公差。最典型的解决方案包括滑轨连接、开槽连接和预制滑动夹。有关这些类型连接的更多信息，请参阅 CFSEI 技术说明 W101（弯曲轨道的常见设计问题）、W100（单滑道设计）和 W103（CFS 结构中的旁路滑动连接器设计）。

F.设计文档及辅助工具相关设计文档及辅助工具汇编如下：

AISI D110，冷弯型钢框架设计指南，2007 年版，美国钢铁协会，华盛顿特区。本指南重点介绍与冷弯型钢框架结构相关的冷弯型钢设计基本原理。它展示了在进行建筑系统设计时如何使用产品文献。

AISI S100，《北美冷弯型钢结构设计规范》，2007 年版，美国钢铁协会，华盛顿特区

AISI S211，北美冷弯型钢框架墙柱设计标准，2007 年版，美国钢铁协会，华盛顿特区

AISI S212，北美冷弯型钢框架结构标准 - 头设计，2007 年版，美国钢铁协会，华盛顿特区

钢结构建筑立面附件，钢结构设计指南 22，美国钢结构协会，伊利诺伊州芝加哥，2008 年。本指南重点介绍附件策略及其对钢结构设计、制造和安装的影响。

钢柱砖贴面设计指南，CF03-1，美国钢铁协会，华盛顿特区，2003 年。

第 4 部分

除了本出版物中已经提到的滑动连接之外，本节还介绍了幕墙立柱设计中使用的更多典型连接细节。这些细节和其他细节的电子版可从 CFSEI 网站获取。

A. 基本连接——图 4 和图 5 显示了将栏杆连接到甲板、混凝土或钢材的典型螺栓。

B. 横梁或门槛卡槽连接 - 图 6 显示的是一个箱形横梁，但也可以使用背对背或 L 形横梁。图 7 显示了典型的门槛轨道。

C.连续角连接——该细部通常用于柱间框架，采用现场焊接连接。安装角度必须与柱直线一致，并根据侧向力、重力和偏心力进行设计（图8）；

D. 角连接 - 这种连接通常用于防滑旁路或窗间框架连接。

E. 风梁连接 - 这种连接通常用于较高的拱肩框架情况，并使用螺柱

F. 支腿夹 - 如图 11 所示，该连接由一小段角钢组成，用作轴向承载的支柱，将幕墙螺柱的横向反作用力传递回结构。

G. 斜柱支撑（支撑） - 用作底部拱肩柱支撑的斜柱构件。这些支撑总体上不如支腿夹或环形框架连接具有成本效益。支撑还可能给幕墙立柱和墙体连接的顶部增加显著的垂直力（图 12 和 13）。

H. 螺柱对螺柱连接——可使用搭接接头或轨道对轨道连接。有时这些连接需要留出移动空间，可通过滑轨或滑动销型细部容纳（图 14 和 15）。有关可使用此细部的情况，请参阅技术说明 W103《旁路滑动连接器设计》。

I. 矮墙基座 - 这是矮墙或短墙基座处的弯矩连接，如图 16 所示，通常是连续或带状窗户条件下的独立式胸墙或一段长墙。由于弯矩相对较高且基座连接强度较低，这种连接可能会出现问题。紧固件拉出或板拉出以及边缘距离不足是设计考虑因素。

J. 连接的现场调整 - 面板附件可能需要现场调整，以考虑结构变化，例如主框架的制造和安装公差。这些调整可能包括：调整面板边缘封闭板相对于肩梁的内外位置。调整幕墙面板框架相对于面板边缘的内外位置。垂直或水平调整附件锚的位置。有关现场调整的更多讨论，请参阅 AISC 钢结构设计指南 22 立面钢框架建筑附件。

本《冷弯型钢结构技术说明》由冷弯型钢工程师协会 (CFSEI) 发布。本出版物中提供的信息不构成 CFSEI 或任何个人明示或暗示的任何陈述或保证，即该信息适用于任何一般或特定用途，未经合格工程师、建筑师或建筑设计师咨询不得使用。任何使用本出版物中提供的信息的个人或实体均承担由此产生的所有风险和责任。CFSEI 认为本出版物中包含的信息符合当前的工程实践标准。但是，本出版物中提供的任何信息并不代表 CFSEI 的任何官方立场，也不排除使用和实施任何其他设计或施工技术。