鋼結構建筑和塑料門窗的應用
導讀：
建筑結構是指在建筑物（包括構筑物）中，由建筑模板材料做成用來承受各種荷載或者作用，以起骨架作用的空間受力體系。建筑結構因所用的建筑材料不同，可分為混凝土結構、砌體結構、鋼結構、輕型鋼結構、木結構和組合結構等。
鋼結構簡介
鋼材的特點是強度高、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；材料勻質性和各向同性好，屬理想彈性體，最符合一般工程力學的基本假定；材料塑性、韌性好，可有較大變形，能很好地承受動力荷載；其工業化程度高，可進行機械化程度高的專業化生產；加工精度高、效率高、密閉性好。
鋼結構以鋼材為主，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構形式。是主要的建筑結構類型之一。鋼結構體系具有自重輕、工廠化制造、安裝快捷、施工周期短、抗震性能好、投資回收快、環境污染少等綜合優勢，與鋼筋混凝土結構相比，更具有在“高、大、輕”三個方面發展的獨特優勢，在全球范圍內，特別是發達國家和地區，鋼結構在建筑工程領域中得到合理、廣泛的應用。
鋼結構類型及應用
鋼結構住宅在歐美、日本和我國臺灣地區已廣泛采用，它具有抗震性能高、重量輕、耐久性好、施工速度快的優點。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，因此它屬于節能和環保型住宅。在工程造價方面與鋼筋混凝土結構基本持平，因為鋼結構住宅的施工工期比鋼筋混凝土結構縮短一倍以上，其實際收益更大。因此，鋼結構住宅是代替磚混住宅較為理想的建筑結構體系。鋼結構行業通常分為輕型鋼結構、高層鋼結構、住宅鋼結構、空間鋼結構和橋梁鋼結構5大子類。
輕型鋼結構主要是采用輕型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，壓型鋼板或輕質夾芯板作屋面、墻面圍護結構，采用高強螺栓、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制裝配式鋼結構房屋體系。隨著幾十年不斷發展，相應生產了一系列的配套構件，如防水堵頭、防水膠帶、保溫棉及各種天溝、門窗節點收邊等。因此已經形成了一個比較完整的建筑系統即輕鋼建筑系統。輕鋼建筑廣泛應用于工廠、倉庫、體育館、展覽館、超市等建筑。
高層鋼結構主要是采用型鋼、鋼板連接或焊接成構件，再經連接而成的結構體系。高層鋼結構常采用鋼框架結構、鋼框架—支撐結構、鋼框架—混凝土核心筒（剪力墻）結構等形式，后者在現代高層、超高層建筑中應用較為廣泛，屬于鋼—混凝土混合結構，使鋼材和混凝土優勢互補、充分發揮材料效能。
隨著鋼鐵技術的不斷發展，特別是冷扎薄壁型鋼鐵理論的不斷完善，使得鋼結構領域的一個分支——輕鋼建筑系統得到了極大的發展。
空間鋼結構的分類
空間網架結構：以螺栓球節點、焊接球節點普通鋼網架、不銹鋼網架及其它裝飾性網架，已廣泛應用于工業廠房、體育場館機場、車站、高檔寫字樓及其它公共建筑中。
空間桁架結構：這是一種替代傳統網架的方案，在鋼砼柱上，或落地設計成三角型，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）相貫焊接節點；或采用方鋼管，H型鋼（直線形桁架）對接焊接節點。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。
鋼結構所使用的門窗類型
在鋼結構工程中，輕鋼型鋼結構、高層鋼結構、住宅鋼結構中都有相應的門窗，鋼結構中門窗的選材主要是考慮外觀協調性、整體性，使用性、抗風壓性，施工合理性等幾個方面的因素，由于鋼結構工程中的門窗項目用量不大（單個工程），而且鋼結構工程跨地區施工較多，增加了運輸和管理費。
鋁窗早在二十世紀三十年代就在歐美等先進工業國家開始試制應用，與之不同的是門窗行業產品沒有被鋼結構行業的市場所重視。第二次世界大戰后，由于鋁工業技術的進步，給鋁門窗和幕墻的發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的發展。鋁合金以其優良的特性成為現代建筑工業中除鋼以外應用得最廣泛的金屬材料，鋁門窗成為主要的建筑金屬門窗。而門窗行業產品沒有被鋼結構行業的市場所重視，不及其他類似房地產業，學校，工廠等建筑領域有優勢。所以目前我國鋼結構工程中的門窗，除鋁合金門窗外，多為彩鋼門窗和塑料門窗兩種。
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并被科委列入國家重點科技星火計劃項目。建設部、國家經貿委、質量技監局、建材局四部委重點推廣使用的節能產品（建住房[1999]295號文件），被評為國家級新產品，符合《民用建筑節能設計標準》中要求的建筑門窗產品。 彩鋼門窗原材料為TSt02G優質鍍鋅涂色鋼板軋制成型。鋼板強度為鋁合金的三倍，表面漆層厚度高，再加化學轉化層、初涂層和罩光漆，經高溫烘烤成型。涂料種類為外用聚酯，耐高溫、耐腐蝕，經180度折彎漆層不脫落。其技術要求符合：GB/T12754中的有關規定。彩鋼門窗不靠傳統焊接工藝成型，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硫化而成，不僅具有很好的隔熱、隔音、保溫、節能性能，并能極好地防凝霜、防灰塵污染。組角、拉手和內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制作方法，建立全新而科學的制作工藝，具有不怕風吹、日曬、雨淋、不褪色、保溫、隔音性能好、氣密性、水密性好，在鹽霧、酸霧實驗中750小時不起泡、不銹蝕、高強度，使用中不需任何保養等獨特優點，徹底克服了普通門窗的密封問題，氣密性、水密性和抗風強度等基本物理性能達到了建筑門窗的先進水平；窗型可以根據使用功能變化，顏色可以根據設計選擇，裝飾效果好；產品品種多、經濟適用，能滿足住宅工程配套需要；特別是抗風強度與其它門窗相比，有更大的優勢，彩鋼門窗以較高的性能、豪華的外觀、精湛的工藝、可靠的防腐獨樹一幟，是一種中、高檔產品，是目前建筑行業更新最理想新產品。90年代未，彩鋼門窗技術上逐步發展成熟，奠定了在門窗行業的位置，全國各地建筑行業廣泛采用。
塑料門窗一般是指以未增塑聚氯乙烯樹脂（PVC）為主要原料，按比例加入光穩定劑、熱穩定劑、改性劑、填充劑，通過機械混合、塑化、擠出成型為各種不同斷面結構的型材，作為門窗桿件。按設計尺寸切割型材，放入增強型鋼，焊接，裝上五金件、密封毛條、膠條、玻璃等成為成品塑料門窗。塑料窗是聯邦德國于二十世紀五十年代開始研制，六十年代投產，七十年代世界能源危機后發展成熟的高分子化學建材門窗。歐、美、日等大部分國家的塑窗技術主要是從德國引進的，德國塑料窗的質量和產量世界第一。塑料窗近二十多年來在歐美國家迅速發展，除其本身材料特性外，主要原因，一是1973年中東戰爭引發世界石油危機，使石油和木材價格飛漲，塑料的生產能耗低；二是塑窗保溫節能好；三是各國采取經濟補帖政策，鼓勵和刺激塑窗行業發展，塑窗價格比鋁窗便宜30%左右。
塑料門窗的技術特點塑鋼門窗在材質上，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PVC（聚氯乙烯）型材，具有以下技術特點：
1.由于型材是PVC在熔融狀態下通過模具擠出成型、定型。因此可以形成實現各類功能的精細構造，如有提高強度放置增強型鋼的主型腔，提高保溫、隔聲性能的多腔構造，排水通道，安裝五金件的結構，可以有力的保證門窗功能要求。
2.通過放置不同規格、形狀的增強型鋼，可使塑料窗獲得不同的抗風壓強度。除了滿足普通風壓要求外，也可有很高的抗風壓強度。2003年委員會曾組織了一次對高風壓區的上海、深圳、廈門三個城市高層建筑使用塑料窗的情況的調研，調查結果表明，幾個城市都曾經歷過多次強風吹襲，所使用的塑料窗均完好無損，其中特別值得一提的是，大連實德公司38層的廈門光明大廈安裝的塑料窗在1990年經歷了一場12級以上的臺風，臺風過后，窗依然保持了完好的初始功能。
3.塑料窗的隔聲效果好，據日本資料介紹，要達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境中，使用塑料窗可使室內環境更舒適。
4.塑料門窗耐腐蝕性能好，可用于酸雨、沿海、化工廠等腐蝕嚴重的環境。
5.白色的塑料門窗對室內裝修的色調要求有較大范圍的適應性，近年來相繼應用的雙色共擠、覆膜、噴涂技術可使塑料窗室外側顏色更為豐富，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，從縫隙處漏水的可能性。
7.塑料門窗的型材可回收，重復利用，因為PVC樹脂是熱塑性材料，因此可以反復加熱成型，成為新的制品，循環使用，符合環保要求。
8.塑料窗最大的優點是節能，并在這方面體現出優良的性能價格比。首先就材料的生產能耗來說，單位重量的PVC只是鋼的1/8，鋁的1/16.而且在回收重復利用時不需要重新冶煉、鑄錠，只需將型材破碎后，即可當做原料使用。能耗極少。這一點對于我國資源短缺的情況十分有利。
9 絕熱保溫：PVC塑料導熱系數只是鋁合金的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），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。
鋼結構搭建須知
鋼結構墻架中門窗設計計算在鋼結構建筑中的門窗，與一般建筑的磚混結構和水泥框架結構有所不同，由于門窗外框直接與墻架中的檀條聯接，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，所以鋼結構建筑中的門窗除承受基本風壓外，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，有時還有積灰荷載）以及墻架的自重。而所謂的水平風荷載是指，其基本風壓、風載體型系數和風壓高度變化系數，均按《建筑結構荷載規范》（GB 50000-2001）采。
根據兩個方向的荷載，和工程所在地的基本風壓、風載體型系數和風壓高度，計算墻架構件的強度和所需的截面。對安裝塑料門窗而言，固定門窗的墻梁，除根據設計圖紙所規定的規格外，門窗生產企業需進一步根據所用的窗型和玻璃種類進行墻梁的校核。已確保門窗的穩定性。校核包括墻梁的強度，墻梁的穩定性、墻梁的撓度。
安裝門窗的鋼結構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墻上，鋼結構的圍護結構主要由橫梁、墻架柱、抗風桁架、支撐、墻面板等構成，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上。在進行墻架設計時，需對墻架構件的截面進行計算，墻架結構主要承受的載荷有兩個方向的荷載：豎向荷載和水平風荷載。一般墻架構件的選用，按《鋼結構設計手冊》中國建筑工業出版社出版，第750頁表11-1〈墻梁構件選用表〉所述的材料和規格。橫梁一般采用冷彎內卷邊C型槽鋼，和Z型槽鋼。[3]在墻面荷載作用下繞截面的兩個主軸彎曲，如果荷載作用線不經過剪力中心，還將產生扭矩。但一般墻面的拉結體系能起到阻止檁條扭轉的作用，故可不考慮扭矩的影響按雙向壓彎構件設計。為減小檁條在使用期間和施工過程中的側向變形和扭轉，當檁條跨度超過4米時應在檁條之間設置拉條及撐桿，拉條必須張緊，以保證傳遞拉力。跨度在4～6米時可在跨中設置一道拉條，超過6米時在三分點處設置兩道拉條。墻架柱常用的截面形式有工字鋼、H型鋼等。對有門窗的墻架設計中，還應注意盡量減少門洞、窗洞的規格和門窗的類型，要考慮門窗的標準化和互換性，同時為工廠制作創造有利條件，并應符合《建筑模數協調統一標準》的規定的原則。
鋼結構墻架中門窗洞口尺寸的確定在鋼結構建筑中的門窗，由于鋼材的特性和結構類型，門窗洞口尺寸行業標準《塑料門窗安裝及驗收規程》JGJ 103-96中表2.2.2 <洞口與窗框間隙>的值有所不同。該值需根據固定門窗的墻梁（檁條）的跨度、規格、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，梁的軸線將變為一條在梁的縱對稱面內的平面曲線，該曲線稱為梁的撓曲線。
撓度——彎曲變形時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。
轉角——彎曲變形時橫截面相對其原來的位置轉過的角度稱為轉角，用θ表示。
撓曲線方程——撓度和轉角的值都是隨截面位置而變的。在討論彎曲變形問題時，通常選取坐標軸x向右為正，坐標軸y向上為正。選定坐標軸之后，梁各橫截面處的撓度y將是橫截面位置坐標x的函數，其表達式稱為梁的撓曲線方程，即y = f （ x ）
由于土地資源不可再生，建設部已下令禁止使用傳統的粘土磚，同時，我國的鋼產量已達1.7億噸，嚴重供過于求的狀況已迫使鋼鐵企業另辟蹊徑，引進國外已經成熟的鋼結構住宅建筑體系，同時為建筑業和鋼鐵業找到了新的出路，因此，鋼廠和建材企業走在了鋼結構住宅的前列。另外，北京屬于地震斷裂帶中為8度地震設防區。因此，鋼結構的建筑無疑將成為北京未來建筑的主流。
