钢铝组合结构在幕墙设计中的应用分析
摘要：本文首先介绍了钢铝组合结构的优点，然后阐述了钢铝组合结构的发展以及存在的问题，重点分析钢铝组合结构在幕墙设计中应用计算机辅助计算，最后提出了幕墙设计的发展方向。
关键词：钢铝组合结构，幕墙设计，优点，计算机辅助计算。
中图分类号： tu318 文献标识码： a 文章编号：
一、钢铝组合结构的优点
1、钢铝组合结构的质量轻
相同面积下，将钢铝组合的立柱型材应用于幕墙结构中，同陶板幕墙、瓷板幕墙、微晶玻璃幕墙、混凝土板幕墙、千思板幕墙相比，能够减轻幕墙的质量，也就减轻了建筑物的质量。
2、钢铝组合结构的强度大
同铝合金立柱型材在幕墙结构设计中的应用相比，铝合金弹性模量是0.7×105mpa，强度设计值85.5mpa，在风荷载较大或楼层数较多的建筑物上，往往不能达到幕墙的使用要求；而钢材的弹性模量是2.1×105mpa，强度设计值为215mpa，其弹性模量是铝合金的3倍，而强度是铝材的2.5倍，所以，在幕墙设计中应用钢铝组合，其荷载承重力将得到加强。
3、钢铝组合结构设计灵活
钢铝组合结构应用于幕墙结构设计中是将钢材与铝材这两种建
筑物的材料有机结合起来，钢材主要承担幕墙荷载，而铝材主要重外表的装饰效果，这种设计既发挥了钢材的高强度、高弹性、价格
低的优势，又发挥了铝材好的装饰效果和高耐腐蚀性能的特点，使整个幕墙结构具有高可靠性且经济性良的特点。
4、钢铝组合结构设计的防火性能较强
铝合金在幕墙结构中不能用于承重，因为其强度在高温情况下损失得十分严重，当温度达到250℃时，其强度就会降为原来的1/2，在370℃时，其强度会全部丧失。钢材是典型的建筑不燃材料，它的强度在100℃时会有所降低，但随着温度的升高，其强度又会不断增加。所以，将钢材用于幕墙的承重结构中，整个幕墙的防火性能能够得到提高。
二、钢铝组合结构的产生和发展
随着建筑幕墙技术的发展，幕墙被应用到越来越多的建筑中，而对于大分格、大跨度、大风压地区（如大连、厦门、深圳等）的玻璃幕墙，采用铝合金结构已不能满足幕墙对骨架结构强度和刚度的要求。于是有设计师开始选用工字钢、方钢通等钢型材来做为受力构件。但实际使用中，由于生产加工过程中其精度难以控制在理想范围，导致装饰效果差，而且由于受表面处理的局限性和材料本身性能的影响，极易出现褪色、漆膜脱落等现象，严重者甚至锈迹斑斑。有的设计师想到在钢结构外包饰一层铝塑复合板，但新的问题又出现了，由于铝塑复合板需在工地现场折弯，折弯角度难以控制，导致横梁不平、立柱不直，装饰效果难以保证。有的设计师想到在铝型材内部插入钢加强芯，显而易见的是，由于安装工艺的限制，钢铝直接接触是不可避免的，而钢铝直接接触会导致电化腐蚀，这
是决不允许出现的。
似乎山穷水尽，然而不断地总结经验教训，终于得出了一个比较理想的方案——钢铝组合结构。通过采用一种全新的钢型材—铝型材组合结构作为横梁和立柱，将以上各种结构型式的不足一一弥补，从而有效解决大分格、大跨度、大风压玻璃幕墙给结构所带来的种种问题。
三、钢铝组合结构应用于幕墙设计中存在的问题
钢铝组合结构在幕墙设计中的应用缺少相应的标准规范。伴随着建筑幕墙技术在国内建筑物上的广泛应用，其市场前景十分广阔，国家对幕墙技术的使用也制订了相关的法规性政策，其行业内部监管部门也出台了技术标准，但钢铝组合结构在幕墙设计中的应用还处于初期的探索阶段，各项规范、规程、标准还没有形成基本配套的体系，这就缺少对这种技术的监管依据，对工程质量的可靠性产生影响。
四、钢铝组合结构在幕墙设计中应用计算机辅助计算
在幕墙设计中应用钢铝组合结构，就要对钢铝组合结构的性能进行分析与计算，让其承载力能够满足幕墙设计要求。组合中的钢材和铝型材共同组成一个截面，这个截面共同承受外荷载，那么，就要对这个组合截面的承载力进行计算，这种计算必须依靠专业的计算机程序对其组合截面进行模拟，这点是较难实现的。下面探讨一种简便的计算机辅助计算方法。
1、计算机辅助计算方法的假设条件的设定
1）由于在钢铝组合结构中，钢材和铝型材紧密地结合成一体，其在垂直于结构的承载作用可以认为二者是相同的，所以，假设在水平荷载作用下，钢材和铝型材的挠度相等，即等挠度原理；
2）除此之外，轴向力所引起的应力极小，所以可以不予考虑，假设轴向力所引起的应力为0。
2、等效形心轴的求解
由上述基本假定2），应力公式可简化为：
σ=m/(γw) （1）
式中：
σ——应力，mpa；
m——立柱弯矩设计值，n·mm；
γ——截面塑性发展系数；
w——在弯矩作用方向的净截面抵抗矩，mm3。
由上述基本假定1）可知
u=u1=u2（2）
式中：
u1——钢铝组合结构中钢材, mm。
u2——铝型材在荷载作用下的挠度，mm。
联立挠度公式和式（2）可知：
q/ei=q1/e1i1=q2/e2i2（3）
式中q1、q2——钢铝组合结构中，钢材、钢铝型材分别承受的线荷载，n/mm：
e1、e2——钢铝组合结构中，钢材、钢铝型材的弹性模量，mpa；i1、i2——钢铝组合结构中，钢材、钢铝型材的截面惯性矩，mm4。由于水平均布线荷载为矢量，可知：
q=q1+ q2（4）
联立式(3)和式(4)可知：
ei=e1 i1+e2i2 （5）
式（5）表明钢材和铝型材分别承受的荷载是按刚度分配的。由于刚度为弹性模量e和惯性矩j的乘积，因此求解计算组合截面惯性矩必需的等效形心轴时，必须先将不同截面组成材料的弹性模量进行等效转换，才能求出真正共同工作的等效形心轴。由e1=2.1
×10 mpa和e2=0.7×l0mpa可将式（5）转化为：
ei=3e1i2+e1i1=e1(3i2+i1) （6）
式（6）表明，等效形心轴是基于组合惯性矩3i2 +i1的形心轴。
3、钢铝组合结构的计算机辅助计算方法
求出等效形心轴，就可以对已经形成整体面域的钢铝组合结构的截面图形使用“炸开”命令，而后，再执行“面域”步骤和“布尔运算差集”步骤，之后再对钢材和铝型材截面图形执行“质量特性”命令，就可以求出基于等效形心轴的和值。
依据式（3）和式（4），可求出q1和q2，进而可求出钢材和铝材的弯矩设计值m1和m2；再由基于等效形心轴的i1、i2和y1、y2可求出净截面抵抗矩w1和w2，代入式（1）即可求出钢材和铝型材最大正应力σ1和σ2。
