第六章幕墙计算与支撑钢结构设计.docx

第X章 幕墙计算及幕墙后支撑钢结构的设计
目录：
第一节、幕墙计算
一、荷载作用
二、荷载作用效应组合
三、材料的力学性能
四、面材的计算
五、立柱及横梁的计算
六、连接节点的计算
第二节、幕墙后支撑钢结构设计
一、幕墙后支撑钢结构体系分类
二、常用钢材的分类及其力学性能
三、幕墙支撑钢结构的计算
四、焊接节点的设计
五、高强度螺栓连接节点的设计与计算
六、普通螺栓连接节点的设计与计算
七、柱脚节点连接的设计与计算

第六章 幕墙计算及幕墙后支撑钢结构的设计
第一节、幕墙计算
一、荷载作用
1、幕墙所承受荷载的分类
幕墙所承受的荷载随时间的变异分类可分为下列三类：
永久荷载，例如结构的自重、静水压力、预应力等
可变荷载，例如风荷载、屋面活荷载、雪荷载等、施工及检修荷载
偶然荷载，地震作用、爆炸力、撞击力等
2、风荷载标准值的计算：

式中： —风荷载标准值（N/mm2）；
—阵风系数。
—风荷载体形系数。
—风压高度变化系数。
—基本风压。
基本风压是根据全国各气象台历年来的最大风速记录，按基本风压的标准要求，将不同风仪高度和时次时距的年最大风速，统一换算为离地10m高，自记10min平均年最大风速（m/s）。然后根据贝努利公式确定基本风压。在《建筑结构荷载规范》附录D中给出了全国各个地区的经过换算的基本风压。在幕墙结构的设计中如果无特殊要求，基本风压取50年一遇。
风压高度变化系数主要考虑的是风压随着建筑物高度变化的变化。其主要决定两个因素，一个是建筑物的高度；另外一个就是地面粗糙度类别，目前《建筑结构荷载规范》考虑了四类地面类别：
—A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；
—B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；
—C类指有密集建筑群的城市市区；

—D类指有密集建筑群而且房屋较高的城市市区；
风荷载体形系数是指风作用在建筑物表面上所引起的实际压力或吸力与来流风的速度压的比值。对于墙面幕墙的体形系数，正压按照《建筑结构荷载规范》表7.3.1取；而负压，对墙面取-1.2，墙角取-2.0。墙角边指房屋宽度的0.1或房屋平均高度的0.4，取其小者，但不小于1.5m。
阵风系数是考虑由于风的脉动引起局部风压瞬时增大，同样与高度及地面粗糙度类别有关。它区别于高层建筑的风振系数。
对于表面形状复杂的幕墙结构或者有风洞实验资料的工程，应该按照实验资料进行计算。
3、地震作用：
幕墙的地震计算主要方法为简化的等效静力方法，这种方法等同于《建筑结构抗震设计规范》中的底部剪力法。但是对于某些特殊的幕墙，如单索幕墙等仅仅用等效的静力方法不足以准确分析幕墙在地震作用下的效应，考虑结构动力特性需要采用时程分析方法既瞬态分析。弹性时程分析的基本方程如下：

对于动力分析方法这里不做讲解。
垂直于幕墙表面的水平地震作用按照下式计算：

式中：
—垂直于幕墙表面的水平地震作用标准值）；
—动力放大系数，取5；
—水平地震影响系数最大值，对于抗震设防烈度为6度的地区取0.04，7度的地区取0.08（0.12），8度的地区取0.16（0.24）。括号中的数值是用于基本地震加速度为0.15和0.3g 的地区。
—幕墙面板的重量；
平行于幕墙表面的集中水平地震作用标准值按照下式计算：
这里主要是计算立柱（竖框）的抗震能力。
二、荷载作用效应组合
建筑结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载（效应）组合，并应根据下列设计表达式进行设计：

式中： —结构重要性系数；
—荷载效应组合的设计值，对于幕墙结构如无特殊要求一般取1；
—结构构件抗力的设计值，。应按照各有关建筑结构设计规范的规定确定
1、幕墙结构在构件承载力极限状态时荷载作用效应组合：
CASE1、无地震作用效应组合

CASE2、有地震作用效应组合

上两式中：
—作用效应组合的设计值；
—永久荷载效应标准值；
—风荷载效应标准值；
—地震作用效应标准值；
—永久荷载分项系数；
—风荷载分项系数；
—地震作用分项系数；
—风荷载的组合值系数；
—地震作用的组合值系数；
2、幕墙在正常使用状态的荷载作用效应组合主要为如下两种组合：
幕墙构件在正常使用状态下，其构件的变形验算时，一般不考虑作用效应的组合。因地震的作用效应相对风荷载作用效应较小，一般不单独进行地震作用下变形验算。在风荷载或永久荷载作用下幕墙的挠度应符合要求，而且在计算时，作用分项系数取1.0。
三、材料的力学性能
幕墙结构在计算时我们主要需要了解的是幕墙结构常用几种材料的力学性能。以下就各种材料的力学性能做详细的阐述：
1、 玻璃
玻璃是典型的脆性材料，其破坏的特征是：几乎所有的玻璃都是由于拉应力产生的表面裂缝而破碎，一直到破坏为止玻璃的应力应变都呈线性关系。
玻璃种类
玻璃厚度t
（mm）
大面强度(N/mm2)
侧面强度(N/mm2)
弹性模量E
(N/mm2)
泊松比
ν
普通玻璃
5
28
19. 5
0.72e5
0.2
浮法玻璃
5-12
28
19.5
15-19
24
17.0
≥20
20
14.0
钢化玻璃
5-12
84
58.8
15-19
72
50.4
≥20
59
41.3
其中大面强度顾名思义是指玻璃大面上的强度，一般玻璃在荷载作用下都是按照这个强度来校核玻璃的强度。但是由于玻璃的侧面由于经过切割、打磨加工而产生应力集中，强度有所降低，因此规范上有给出了侧面强度，一般侧面强度强度取大面强度的70%。在验算玻璃的局部强度、连接强度以及玻璃肋的承载力时会采用玻璃侧面强度设计值。
2、 单层铝合金板
单层铝合金板俗称铝单板。主要力学性能如下：

牌号
试样状态
厚度(mm)
抗拉强度(N/mm2)
抗剪强度(N/mm2)
弹性模量E
(N/mm2)
泊松比
ν
2A11
T42
0.5-2.9
129. 5
75.1
0.70e5
0.33
>2.9-10
136.5
79.2
2A12
T42
0.5-2.9
171. 5
99.5
>2.9-10
185.5
107.6
7A04
T62
0.5-2.9
273. 0
158.4
>2.9-10
287.0
166.5
7A09
T62
0.5-2.9
273. 0
158.4
>2.9-10
287.0
166.5
3、 铝塑复合板
俗称铝塑板，由两边的铝合金板与中间聚乙烯层复合而成。主要力学性能如下：
厚度(mm)
抗拉强度(N/mm2)
抗剪强度(N/mm2)
弹性模量E
(N/mm2)
泊松比
ν
4
70
20
0.2e5
0.25
6
厂家提供
厂家提供
0.3e5
0.25
4、 花岗岩石板
花岗岩石板的抗弯强度设计值，应依据其弯曲强度实验的弯曲强度平均值Fgm决定，抗弯强度设计值、抗剪强度设计值应按下列公式计算：
Fg1=Fgm/2.15—抗弯强度设计值
Fg2=Fgm/4.30—抗剪强度设计值
当弯曲强度实验中任一试件弯曲强度实验值低于8Mpa时，该批的花岗岩石板不得用于幕墙。
花岗岩石板的弹性模量为0.8e5(N/mm2)，泊松比为0.125。
5、 铝合金
牌号
状态
厚度(mm)
抗拉 (N/mm2)
抗剪 (N/mm2)
局部承压(N/mm2)
弹性模量E
(N/mm2)
泊松比
ν
6061
T4
不区分
85.5
49.6
133
0.70e5
0.33
T6
190.5
110.5
199
6063
T5
85.5
49.6
120
T6
140
81.2
161
6063A
T5
≤10
124.4
72.2
150
>10
116.6
67.6
141
T6
≤10
147.7
85.7
172
>10
140.0
81.2
163

四、面板的计算
1、 力学模型
面材的计算就是力学中板的计算，力学模型可以根据板的支撑方式来区分。幕墙面材常用下几种力学模型：
四边支撑简支板、三边支撑简支板、对边支撑简支板、四点支撑简支板、三点支撑简支板、六点支撑简支板
其中：
框支承幕墙——四边支承简支板
点式幕墙——四点、三点、六点支承简支板
全玻璃幕墙（橱窗）——对边支承简支板
在某些面材长宽比大于2时的四边支承简支板也可以简化成对边支承简支板来进行计算。
2、 计算的方法
面材的计算可以根据简化的力学模型分别采用解析法和有限单元法来进行计算。对于支承形式和形状规则的矩形板可以采用解析方法来进行计算，而对于支承形式和形状复杂的板可以采用有限单元法来进行计算。解析法即采用经典解析公式来进行计算。
以下是四边支承力学模型的弹性小挠度解析公式。
四边支承简支板：
板的应力：
板的最大挠度：
上式中：
—弯矩系数，由玻璃的短边与长边的比值，按照《玻璃幕墙工程技术规范》表6.1.2-1选取；
—挠度系数，由玻璃的短边与长边之比的比值，按照《玻璃幕墙工程技术规范》表6.1.3选取；
—玻璃的刚度（N.mm）

但是对于在荷载作用下变形比较大的面材，譬如玻璃、铝单板、铝塑板要考虑大变形几何非线性的影响。当变形较大时玻璃抵抗变形不只是由板的弯曲刚度来抵抗，还要考虑在变形后板的拉伸刚度也对抵抗变形起到很大的贡献。如下图所示，在板发生变形后在两侧产生平衡力p，大变形计算中就是考虑了平衡力p的影响。

因此在幕墙的计算中，对于玻璃、铝单板、铝塑板等面材的计算中，都考虑了大变形几何非线性的影响。上面弹性小挠度解析公式在考虑大挠度的影响后变成：
板的应力：
板的最大挠度：
式中为考虑了大变形后的折减系数。具体取值可以参见《玻璃幕墙工程技术规范（JGJ102-2003）》中相关章节。如果按照小挠度公式来进行计算的变形会比实际值相差30%~50%。
当采用有限单元法来计算时对于大变形的面材同样要采用大变形几何非线性来进行计算。因此在选择有限元软件来进行计算时必须要了解软件是否具有非线性的功能。
对边支承简支板依然采用上面四边简支板的计算公式来计算，只是，弯矩系数和挠度系数分别取0.125和0.013，并且a为跨度。
四点支撑玻璃的计算基本形式与四边支撑相同，但是弯矩系数和挠度系数取值不同，见《玻璃幕墙规范》。
而对于不同支撑方式石板的计算与相同支撑方式的玻璃的计算是一样的，只是不考虑大变形的影响，因此公式中不考虑折减系数，并且弯矩系数、挠度系数应按照《金属与石材幕墙工程技术规范》中的有关内容来取值。

3、 中空及夹层玻璃的荷载分配
对于夹层及中空玻璃，在承受风荷载及地震作用时在计算前必须要进行荷载分配。主要是依据是材料力学中层合板荷载荷载分配的理论，既所分配的荷载的大小与各层板的弯曲刚度成正比。
以夹层玻璃为例，如下图所示：

忽略胶层的作用，则层1及层2所被分配的荷载q1及q2分别为：
、
上式中D1、D2分别为层1和层2的弯曲刚度。单板的弯曲刚度D按照下式计算：

由于层1和层2的弹性模量E及泊松比是相同的因此，每层玻璃的刚度取决于厚度的立方，既。因此可以得到如下关于厚度t来进行分配的公式：
；。
中空玻璃两块玻璃之间有气体层，直接承受荷载的玻璃挠度一般略大于间接承受荷载的玻璃，因此为了安全起见，将直接承受荷载的玻璃再乘以1.1的系数，则，外层直接承受何在的玻璃荷载分配公式变成：

这就是《玻璃幕墙工程技术规范》中夹层及中空玻璃荷载分配公式的来由。
4、 面板变形的控制
框支撑玻璃在风荷载作用下的变形不宜大于其短边边长的1/60；
全玻璃幕墙橱窗玻璃的变形不宜大于其跨度的1/60；
点支撑玻璃的变形不宜大于支撑点间长边边长的1/60；

五、立柱及横梁的计算
立柱和横梁既幕墙中俗称的竖框及横框
1、 立柱横梁所采用的力学模型
立柱的计算模型一般采用的是简支梁或双跨梁，对于特殊的可采用多跨连续梁。
而横梁一般采用的力学模型为简支梁。
简支梁及双跨梁的力学模型如下：

2、 计算的方法
简支梁及双跨梁都有经典的小挠度线弹性解析公式来求解在均布荷载q作用下最大弯矩及挠度。
（1）、弯矩及变形的计算
对于简支梁及双跨梁都有经典的力学公式如下：
简支梁在受均布荷载q作用下的公式如下：
最大弯矩——
最大变形——
I为梁截面的惯性矩。
双跨梁在受均布荷载q作用下的公式如下：
A的弯矩——
O、A、B三点的支反力分别为：

图中L1为长跨，则最大变形发生在L1跨上，L1上的挠度方程为：

但是对于多跨连续梁很难找到公式来进行计算，如果采用力法和位移法手算又特别麻烦，不太适合于工程当中。因此必须要采用软件应用有限单元法来进行计算。需要注意的是如果我们想得到详细的位移分布必须要保证单元划分时的合理性。对于特殊的梁与梁的连接要注意节点之间自由度的传递。
（2）、承载力的验算
当我们采用上述的方法计算得到弯矩后，必须要进行拉压及剪切承载力的验算。
横梁的验算：
横梁截面受弯承载力必须符合下式要求：

式中：
、——横梁绕截面X轴及Y轴的弯矩设计值。在幕墙中X轴为平行幕墙平面的方向，Y轴为垂直于幕墙平面的方向。
、——横梁截面绕X轴、Y轴的净截面抵抗矩（抗弯模量）。
——塑性发展系数，取1.05；
f——型材抗弯强度设计值。
横梁截面受剪承载力必须符合下式要求：
、
式中：
、——分别为横梁X轴和Y轴的剪力设计值；
、——分别为距形心轴Y、X处横线以外面积对形心轴的面积矩；
、——分别为对应形心轴X、Y处截面的宽度。
f——型材抗剪强度设计值。
立柱的验算：
立柱不仅仅承受弯矩的作用还承受轴力的作用。轴力主要由重力产生。如果轴力为压力，则要验算立柱的压弯稳定性能，为了避免出现失稳，一般是把立柱设计成轴心受拉构件，即立柱的上支点设为固定铰，而下端设为滑动铰。如下图所示：

则立柱在承受拉力和弯矩作用下，其承载力应符合下式要求：

式中：
N——立柱的轴力设计值；
M——立柱的弯矩设计值；
A——立柱的净截面面积；
W——立柱截面的抗弯模量；
f——型材抗弯强度设计值；
——截面塑性发展系数，取1.05。
（3）、正常使用状态变形的验算
立柱和横梁在正常使状态的变形要求应符合如下：
对铝合金型材，构件的挠度应小于跨度的1/180；
对钢型材，构件的挠度应小于跨度的1/250。
3、 玻璃肋的计算
玻璃肋作为橱窗玻璃的支撑构件起着抵抗面板玻璃所传递的荷载。玻璃肋的基本受力模型采用的是简支梁力学模型。由于玻璃肋截面为矩形，因此在一定厚度下我们主要是考核在承载力极限状态下的玻璃肋的最小高度，玻璃肋的截面厚度不得小于12mm。
（1）、全玻璃幕墙玻璃肋的截面高度hr（下图）可按下列公式计算：
ｈr =（3WLh2 /8fgt）1/2 （双肋） （6-3）
ｈr =（3WLh2 /4fgt）1/2 （单肋） （6-4）

式中： ｈr——玻璃肋截面高度（mm）
w ——风荷载设计值（N/mm2）
L——两肋之间的玻璃面板跨度（mm）
fg——玻璃侧面强度设计值（N/mm2）
t ——玻璃肋截面厚度（mm）
h——玻璃肋上、下支点的距离，即计算跨度（mm）。
（2）、 全玻幕墙玻璃肋在风荷载设计值作用下的应力可按下式计算：
σ=0.75WL h 2 / hr2t≤fg （单肋） （6-5）
σ=0.375WL h 2 / hr2t≤fg （双肋） （6-6）
（3）、全玻幕墙玻璃肋在风荷载标准值作用下的挠度df可按下式计算：
df =5/32（wkLh4/Ethr3） （单肋） （6-7）
df =5/64（wkLh4/Ethr3） （双肋） （6-8）
式中：wk——风荷载标准值(N/mm2)
E——玻璃弹性模量（N/mm2）
在风荷载标准值作用下，玻璃肋的挠度限值df，lim宜取其计算跨度1/200。
六、连接节点的计算
1、 立柱与主体的连接计算
立柱与主体连接主要通过L形钢角码来连接，如下图：

上图中钢角码与预埋板相焊接，在这个连接中我们主要计算螺栓、钢角码、焊缝的承载能力、竖框局部承压承载力及预埋件的计算。竖框传递给每个钢角码的力水平方向为N、垂直方向为V，见下图。

（1）、钢角码与预埋件焊缝的计算：
钢角码与预埋件间采用三边围焊连接，每个水平焊缝长度为b, 竖向焊缝长度为h, 焊脚尺寸hf，则焊缝的计算厚度为：hE＝0.7×hf
根据规范对围焊在计算时需在端点减去hf，则实际计算焊缝的宽度为b0=b-hf，
钢角码及焊缝所围成的区域如上图所示，
其中：
竖框与钢角码连接螺栓距离焊缝形心点距离为；
e、ef=b0-b0×b0/(2 b0+h)+hf
焊缝所围城区域的几何特性为：
面积：A= hE×(h+2b0)
对形心点惯性矩和极惯性矩为:
Ix=h×h×h×hE/12+ b0×h×h×hE/2
Iy=2×hE×((ef-hf)3+ (b-ef)3)/3+h×hE×(b-ef)2
Ip=Ix+Iy
把与竖框连接螺栓点部位所受的反力移到形心点,则形心点所受内力为:
N=
V=
Mx=V×e=
My=N×ef=
Mz=V×ef=
根据分析认为焊缝最危险点如图中A、B两点
A点所受正应力和剪应力分别为：

——A点到形心的距离
B点所受正应力和剪应力分别为：

——B点到形心的距离
这里认为剪力主要由向焊缝承担
焊缝所采用的焊条为E43型手工焊条，则角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度为160Mpa。因此
（2）、钢角码根部计算：
钢角码根部截面形状为矩形，矩形截面的宽度为钢角码的厚度为t=7mm，长度为h。
则矩形截面的的面积A=h×t
截面的抗弯模量Wx=h×h×t/6
把与竖框连接螺栓点部位所受的反力移到根部则钢角码根部所受内力为：
N=N、V=V、M=V×e
则截面所受正应力和剪应力分别为：

（3）、与竖框连接的螺栓抗剪承载力的验算。
螺栓所承受的剪力为竖框传递给连接件的两个力N及V的平方和开根，既：
（4）、竖框局部承压的计算：
竖框壁局部承压能力为：
NBc=d·t总·fBc
=6×12×133×10-3
=9.576KN
其中：t总—— 型材承压壁的总厚度
d——螺栓直径
fBc——铝型材承压强度设计值
当NBc大于螺栓所承受的剪力时，竖框壁局部承压能力满足要求。
（5）、预埋件与主体混凝土连接锚栓的计算
此部分的计算和钢结构设计中的柱脚的计算是一样的，详细可见后面的钢结构设计中柱脚的计算，这里就不做讲解。
2、 横梁与立柱连接的计算
横框与竖框连接主要通过螺钉来连接，连接也主要是计算螺钉的抗剪承载力。假设横框传递给连接部位的剪力为V，则根据螺钉的数量及面积我们可以得到螺钉总的抗剪面积A，则V/A就是螺钉的剪切应力，从而与许用抗剪强度设计值相比较就可以知道螺钉的承载能力是否符合要求。
3、 胶缝的计算
（1）、隐框幕墙结构硅酮密封胶的强度验算
幕墙玻璃在风荷载作用下的受力状态相当于承受均布荷载下的双向板，如下图所示：

在支撑边缘的最大线均布拉力为aω/2，由结构胶的粘结力承受。则结构胶的最小粘结宽度为：
Ｃs＝W·a／（2·f1）
式中： Ｃs——结构硅酮密封胶的最小粘结宽度 ；
a ——玻璃的短边长度；
f1——结构胶在风荷载或地震作用下的强度设计值，取0.2MPa ；
W——风荷载设计值；
当抗震设计时，W应换成（W+0.5qe），qe为作用在玻璃上地震作用标准值。
在重力荷载作用下竖向玻璃幕墙的结构胶承受长期的剪应力作用，平均剪应力可按照下式进行计算：

剪应力不得超过结构胶在永久荷载作用下的强度设计值，取0.01MPa。
（2）、全玻璃幕墙玻璃肋与面板的胶缝计算
面玻璃支承在玻璃肋上的形式，有后置式、骑缝式、平齐式、突出式。
后置式（见图6--1）。玻璃肋置于面玻璃的后部，用密封胶与面玻璃粘接成一个整体。
骑缝式（见图6--2）。玻璃肋位于面玻璃后部的两块面玻璃接缝处，用密封胶将三块玻璃连接在一起，并将两块面玻璃之间的缝隙密封起来。

图6--1 6--2
平齐式（见图6--3）。玻璃肋位于两块面玻璃之间，玻璃肋的一边与面玻璃表面平齐，玻璃肋与两块面玻璃间用密封胶粘接并密封起来。这种型式由于面玻璃与玻璃肋侧面透光厚度不一样，会在视觉上产生色差。
突出式（见图6--4）。玻璃肋位于两块面玻璃之间，两侧均突出大片玻璃表面，玻璃肋与面玻璃间用密封胶粘接并密封。

图6--3 图6--4
全玻幕墙胶缝承载力应符合下列要求：
A．与玻璃面板平齐或突出的玻璃肋：
qL/2000t1≤f1
B． 后置或骑缝的玻璃肋：
qL/1000t2≤f1
式中：ｑ——垂直于玻璃面板的分布荷载设计值（Ｎ／ｍｍ２），抗震设计时应包含地震作用计算的分布荷载设计值；
L——两肋之间的玻璃面板跨度（ｍｍ）；
ｔ１——胶缝宽度，取玻璃面板截面厚度（ｍｍ）；
ｔ２——胶缝宽度，取玻璃肋截面厚度（ｍｍ）；
ｆ１——硅酮结构密封胶在风荷载作用下的强度设计值，取0.2N/mm2；
3） 胶缝厚度应符合规范第5.6.5条的要求，并不应小于6mm；
第二节、幕墙支撑钢结构的设计
一、幕墙支撑钢结构体系分类
幕墙的支撑钢结构形式多样、千变万化。从受力机理上来区分，大致可以分为刚架结构、桁架结构及预应力索杆结构三种，或者由这三种结构组合而成。
（1）、刚架结构体系
在刚架结构体系中杆件与杆件之间都采用刚性连接。因此结构整体刚度比较大，抵抗变形能力强，在幕墙中得到很广泛的应用。但是为了保证构件之间连接能够很好的传递弯矩，节点连接构造比较复杂，而且质量要求很高。
（2）、桁架结构体系
桁架结构体系是指在体系中构件与构件之间采用铰接的结构，因此构件只产生拉压轴力，而不产生弯矩。这种结构的特点是结构受力简单清晰，节点构造容易实现。某些结构采用手工就可以计算。缺点是整体刚度不如刚架结构，抵抗变形性能不是太好。
（3）、预拉力索杆结构
预应力索杆结构，顾名思义，是在细杆或者索构件中灌注预应力，从而使结构产生刚度以抵抗结构的变形。预拉力索杆结构由于其结构体系轻盈、形式千变万化、通透性强、艺术表现力强，因此得到广大建筑师和投资者的喜爱。
但是其结构刚度受其内力的影响很大，属于几何非线性结构。分析和设计很复杂。因此在这里就不做详细的介绍，只介绍几个基本概念给大家了解。
形——预应力结构在某状态下的几何形状
态——预应力结构在某状态下的内力分布
对于预应力结构的分析是从三个阶段来考虑的：
始态——没有施加预应力前结构的状态。
初态——施加完预应力之后结构在自重或其它恒载作用下的平衡状态。
终态——在初态的基础上考虑了外部可变荷载作用下的平衡状态。
对于复杂结构，这三种状态的确定是很重要的。
二、常用钢材的分类及其力学性能
1、 钢材的分类
在幕墙后支撑钢结构中常用的钢材可分为碳素结构钢、低合金钢、不锈钢。
（1）、碳素结构钢
碳素结构钢是最普遍的工程有钢，按照其含碳量的多少又可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢三种。通常把含碳量为0.03~0.25%称为低碳钢，0.26~0.6%称为中碳钢，0.6~2.0%称为高碳钢。而在建筑中最常用的是Q235牌号的低碳钢及优质碳素结构钢20#钢。
Q235钢在质量上可分为A、B、C、D四个等级。从脱氧方法上可分为沸腾钢F、半镇静钢b、镇静钢Z、特殊镇静钢TZ。
不同厚度钢材的抗弯曲强度是不一样的，厚度越大的钢材其强度越不好。
（2）、低合金高强度结构钢
低合金高强度结构钢是指在炼钢过程中增添一些合金元素，其总量不超过5%的钢材，加入合金元素后刚才的强度可明显提高，在建筑幕墙支撑结构中比较常用的低合金钢为Q345牌号。
Q235钢在质量上可分为A、B、C、D、E五个等级。
不同厚度钢材的抗弯曲强度是不一样的，厚度越大的钢材其强度越不好。
（3）、钢材牌号的表示方法
由代表屈服点的Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四部分组成。
例如：Q235-A、F
在牌号的组成表示中“Z”和“TZ”符号予以省略。
2、 钢材的选择
为保证承重结构的承载能力和防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、钢材厚度和工作环境等因素综合考虑，选用合适的钢材牌号和材性。
承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合现行国家标准《碳素结构钢》GB/T700和《低合金高强度结构钢》GB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时，尚应符合有关标准的规定和要求。
下列情况的承重结构和构件不应采用Q235沸腾钢：
1 焊接结构。
1） 直接承受动力荷载或振动荷载且需要验算疲劳的结构。
2） 工作温度低于－20℃时的直接承受动力荷载或振动荷载但可不验算疲劳的结构以及承受静力荷载的受弯及受拉的重要承重结构。
3） 工作温度等于或低于－30℃的所有承重结构。
2 非焊接结构。工作温度等于或低于－20℃的直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构。
承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接结构承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格证。
对于需要验算疲劳的焊接结构的钢材。应具有常温冲击韧性的合格保证， 当结构工作温度不高于0℃但高于－20℃时，Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性的合格保证；当结构工作温度不高于－20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证；
对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材，也应具有常温冲击韧性的合格保证当结构工作温度不高于，当结构工作温度不高于-20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有0℃的冲击韧性的合格保证。
三、幕墙后支撑钢结构的计算
幕墙后支撑钢结构的计算一般采用有限元软件来进行计算。计算主要分析结构在以下三方面的性能：
（1）、强度的验算
主要是计算在承载能力极限状态作用下构件的强度。在计算时应把各种工况考虑全面。
（2）、变形的验算
不同形式的结构，不同使用功能的结构其变形的控制都不一样，详细的大家可以看《钢结构设计规范》附录部分。对于幕墙中的刚架或者桁架结构，在风荷载作用下的挠度限值为其跨度的1/250，对于悬挑结构跨度取其悬挑长度的2倍。
而对于张拉结构取其跨度的1/200。
（3）、稳定的计算
对于构件的稳定计算可以按照《钢结构设计规范》中相关规定来进行计算。对于复杂的结构可以采用软件进行几何非线性屈曲分析。
对于构件稳定相关内容见《钢结构设计规范》
四、焊接节点的设计
焊缝连接是幕墙中比较常用的连接形式，以下从几个方面来对焊缝的设计和计算来进行讲解。
1、 焊缝的分类及质量等级
常用的焊缝主要包括对接焊缝、角焊缝、对接焊缝与角焊缝的组合焊缝。其中对接焊缝与角焊缝的组合焊缝的计算与角焊缝相同。
对接焊缝质量上分为1、2、3三个等级，其中1级和2级与母材等强度，1级焊缝探伤比例为100%，2级焊缝的探伤比例为20%，而三级焊缝由于不需要无损探伤，因此焊缝的内部质量不易控制，因此焊缝的设计强度需要折减。
角焊缝由于其形状的原因，在受力后应力分布比较复杂，尤其是焊接后残余应力的存在。因此角焊缝设计强度要低于三级对接焊缝。
焊缝应根据结构的重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态等情况，按照下列原则来分别选用不同质量等级的焊缝：
（1）、在需要进行疲劳计算的构件中，凡对接焊缝均应焊透，其质量等级为：
作用力垂直于焊缝长度防哪个乡的横向对接焊缝或T形对接焊缝与角焊缝的组合焊缝，受拉时应为一级，受压时宜为二级；作用力平行于焊缝长度方向的纵向对接焊缝应为二级。
（2）、不需要计算疲劳的构件中，凡要求与母材等强的对接焊缝均应焊透，对于受拉构件，焊缝质量等级不得小于2级，受压宜为2级。
（3）、不要求焊透的T形接头采用的角焊缝或部分焊透的对接焊缝与角焊缝的组合焊缝，以及搭接连接采用的角焊缝，其质量等级为：
对直接承受动力荷载且需要计算疲劳的结构，焊缝的外观质量应符合二级；对于其它结构外观质量应符合三级。
2、 焊接焊条的选用
对应钢材选用合适的焊条是设计人员应该掌握的基础知识。下面给出常用钢材的对应焊条型号：
不同强度钢材之间的焊接，一般应该选择与低强度钢材相适应的焊条。也就是就低不就高的原则。

钢材牌号
质量等级
选用焊条型号
Q235
A
*E4303
B
*E4303、E4328
E4315、E416
C
D
Q345
A
*E5003
B
*E5003、E5015、E5016、E5018
C
E5015、E5016、E5018
D
E
表中*表示用于一般结构、非重大结构。
E——表示焊条
43——表示熔敷金属抗拉强度最小值
0——表示焊接的位置
3——与前位数字组合表示焊接电流种类及药皮类型。
3、 常用焊缝标注
作为设计人员不可能完全跟踪施工中焊接的每个环节，因此图纸中对焊接的技术要求必须要详细和准确，不仅仅要把焊缝的质量要求及选用焊条型号要表述明白，而且对于每个焊接位置具体焊缝的形式和尺寸要求也要表达清晰和准确。详细的焊缝符号表达方式可以查看《焊缝符号表示法》（GB 324）中的规定，以及查看《建筑结构制图标准》中的相关内容。
4、 角焊缝的设计与计算
由于角焊缝施工简便，因此角焊缝是工程中最常用的焊缝。下面介绍常用直角角焊缝的计算。
角焊缝计算中首先是其计算高度的确定，见下图：

he为直角脚焊缝的计算高度，等于0.7hf，hf为焊脚尺寸。
正面角焊缝（作用力垂直于焊缝长度的方向）的强度要满足下式要求：

侧面角焊缝（作用力平行于焊缝长度方向）的强度满足下式要求：

在各种力综合作用下，和共同作用处的强度应满足下式要求：

式中：
——按焊缝有效截面（he*lw）计算，垂直于焊缝长度方向的应力；
——按焊缝有效截面计算，沿焊缝长度方向的剪应力；
——角焊缝的计算高度；
——角焊缝的计算长度，对每条焊缝取其实际长度减去2hf；
f——角焊缝的强度设计值；
——正面角焊缝的强度设计值增大系数；对承受静载和间接承受动载的结构取1.22，对直接承受动力荷载的结构取1.0。
5、 对接焊缝的设计与计算：
在对接接头和T形接头中垂直于轴心拉力或压力方向的对接焊缝，其强度应按照下式计算：

式中：f——为对接焊缝的抗拉或抗剪强度设计值。
t——为连接件的最小板厚。
6、 部分焊透的对接焊缝及角接与T形对接的组合焊缝设计与计算。
部分焊透的对接焊缝及角接与T形对接的组合焊缝设计与计算与角焊缝是相同的，常用组合焊缝的计算高度如下：

计算高度为：he=S-3（mm）
五、高强度螺栓连接节点的设计与计算
1、 高强度螺栓的种类及性能
高强度螺栓从外形上可以分为大六角头和扭剪型两种；目前我们国家大六角头螺栓性能等级有8.8级和10.9级两种，扭剪型只有10.9级一种，而目前在幕墙工程中常用的为大六角头高强度螺栓。
每个高强度螺栓的设计预拉力如下：
螺栓的性能等级
螺栓的公称直径
M16
M20
M22
M24
M27
M30
8.8级
80
125
150
175
230
280
10.9级
100
155
190
225
290
355

2、 高强度螺栓的连接机理分类
高强度螺栓按照其受力状况，可分为摩擦型连接、摩擦-承压型连接、承压型连接及张拉型连接。目前摩擦型连接是普遍使用的连接方式。
（1）、摩擦型连接：
这种连接接头处高强度螺栓紧固，使连接板层夹紧，利用由此产生于连接板层之间的摩擦力来传递外荷载。高强度螺栓在连接接头中不受剪只受拉。这种连接应力传递圆滑、接头刚性好，破坏形式为连接接头滑移。通常所指的高强度螺栓连接都指这种连接。
（2）、承压型连接：
对于高强度螺栓连接接头，当外力超过摩擦力后，接头发生明显的滑移，螺杆与连接板孔壁接触并受力，其破坏形式为螺栓杆被剪断或连接板被破坏。
（3）、摩擦-承压型连接
高强度螺栓连接在摩擦阶段以后到极限破坏状态之前的阶段可视为摩擦-承压型连接，该连接承载力没有没有极限状态来界定，不能用强度准则来设计，只能用变形准则来设计，目前国内规范还没有引用这种连接的设计内容。
（4）、张拉型连接
当外力与螺栓轴向一致时，如法兰连接等高强度连接为张拉型连接。该连接的特点是，作用的外力和紧固螺栓时连接板之间产生的压力相平衡。在外拉力的作用下，螺栓的轴力变化很小，仍能使连接件之间保持较大的夹紧力，保证接头有较大的刚度。
3、 高强度螺栓连接的设计与计算
这里主要介绍摩擦型连接的计算，