背栓點連接花崗石幕墻

1、 背栓點連接花崗石幕墻一 概述 用背栓點連接花崗石幕墻進(jìn)行建筑外飾面花崗石施工是建筑外飾面施工技術(shù)的重大突破，它開避了石材幕墻施工工藝的新紀(jì)元。使石材幕墻有了廣闊的使用領(lǐng)域，即任何建筑物、任何高度、任何部位、任何構(gòu)造形式都可以采用背栓點連接花崗石幕墻。背栓點連接花崗石幕墻的背栓僅用作石板材與連接件的緊固件，這樣連接件可按需要靈活設(shè)計，而鋼銷式，短槽式，通槽式的鋼銷（鋼鉤）既和橫梁（立柱）連接，又和石材連接，它的使用部位和方法帶有很大局限性，背栓點連接方法為石材幕墻和玻璃（金屬）幕墻組合成組合幕墻創(chuàng)造了條件，即在同一立柱上可左面安裝玻璃幕墻，右面安裝石材幕墻，在同一橫梁上，可上面安裝玻璃幕墻，下

2、面安裝石材幕墻。 背栓點連接花崗石幕墻已有二十多年歷史，我國在二十世紀(jì)九十年代開始使用。1998年建成的上海中銀大廈（浦東國際金融大廈）高235m，+139m以下采用了背栓點連接花崗石幕墻，復(fù)蓋主體結(jié)構(gòu)表面15000m2，花崗石幕墻（其構(gòu)造型式為凸梯形與凸矩形組合）展開面積22000m2，使用了約3萬塊花崗石，6萬個背栓，花崗石尺寸為（hb）2.05m0.3m，花崗石幕墻最高點為139m。1999年建成的上海交銀大廈采用的背栓點連接花崗石幕墻最高標(biāo)高達(dá)196m，全國還有很多工程采用了背栓點連接花崗石幕墻，總用量超過100萬m2。 “實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，在建造這些幕墻時，除按慣例進(jìn)行風(fēng)壓

3、變形，空氣滲透，雨水滲漏三項物理性能檢測外，還對背栓和背栓錨固石材的連接部位進(jìn)行了背栓拉伸試驗，背栓錨固石材的拉拔試驗，背栓錨固的長期（8500h）靜載抗剪、抗拉試驗，背栓錨固的疲勞試驗，以及背栓點連接花崗石幕墻的抗震性能振動臺試驗，積累了大量試驗參數(shù)，證明了背栓點連接花崗石幕墻有很高的可靠性，同時找出了局部構(gòu)造改進(jìn)的方向。下面進(jìn)行詳細(xì)討論： 1.背栓拉伸試驗。從調(diào)查資料看出，背栓的材質(zhì)與a2-70不銹鋼螺栓相近，其極限抗拉強(qiáng)度接近700n/mm2，非比例伸長應(yīng)力大于480n/mm2，一顆12mm（8mm、6mm）背栓應(yīng)力截面積為84.3mm2 (36.6mm2、20.1mm2)，其極限拉伸強(qiáng)

4、度為59kn(25.6kn、14kn)是背栓錨固石材拉拔力的2.5倍10倍,也就是說背栓錨固石材只會是石材沖切破壞，因此只要選對背栓的鋼號就行了。背栓伸拉試驗對試驗結(jié)果進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計后，應(yīng)按gb50068第5.0.3條規(guī)定取fk=f-1.645f ，背栓抗拉強(qiáng)度設(shè)計值按gb50017可取為ftb=fub/2.174，抗剪強(qiáng)度設(shè)計值fvb=fub/2.857。現(xiàn)在有的廠商提供的參數(shù)，取fk=uf-2.57f.及抗拉材料分項系數(shù)1.8,和抗剪材料分項系數(shù)3.2和gb50068和gb50017不一致,gb50068第1.0.3條規(guī)定：“制定結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范以及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范-等設(shè)計規(guī)范應(yīng)遵守本規(guī)范的規(guī)定”

5、。我個人意見還是按gb50068執(zhí)行。2.錨固件抗拉拔承載能力試驗，從試驗情況看背栓與石材的錨固處全部是石材沖切破壞，破壞狀態(tài)為石材錐度破壞，影響破壞的因素有背栓直徑，背栓錨深，石材本身強(qiáng)度，其中錨深影響最直接，而且當(dāng)錨深等于小于12mm時，承載能力破壞的離散性較大，經(jīng)回歸統(tǒng)計，抗拉拔承載能力按錨深的指數(shù)1.5增長，基材強(qiáng)度對抗拉拔承載能力按指數(shù)0.5增長，6mm背栓連接抗拉拔承載能力為4.5kn8kn，8mm背栓抗拉拔承載能力為5kn10kn，12mm背栓抗拉拔承載能力為6kn12kn。上述為承載能力標(biāo)準(zhǔn)值，即將拉拔試驗結(jié)果進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計，將平均值減去1.645倍標(biāo)準(zhǔn)差，前述錨深12mm離散性

6、較大，其標(biāo)準(zhǔn)差也大，按fk=f-1.645f計算已考慮了離散性，不必再用系數(shù)折減。其設(shè)計值ftv=fk/2.143/2。.對只進(jìn)行了石材抗壓（抗彎）試驗的工程可用應(yīng)力法計算抗剪強(qiáng)度：=p/*h/cos*(d+h*tan)ft3、錨固件錨固的長期靜載試驗錨固件長期靜載試驗，測試背栓錨固不同強(qiáng)度的基材在長期靜載下的位移松動及徐變性能，設(shè)計試驗時間為一年（8500h），試驗分長期荷載抗剪試驗和抗拔試驗，抗剪試驗是指背栓在承受荷載抗剪作用下經(jīng)8500h后，對受拉試件做極限拉拔力試驗與未經(jīng)長期荷載試驗的試件作對比，試驗結(jié)果說明抗剪性能良好，除加載初期觀察到較小因裝配間隙位移（0.3mm）外未見其他破壞，

7、在長期抗拉拔試驗中未見破壞和明顯位移。說明背栓與石材的連接即使在長期外荷載下作用也有很大的可靠性。4、錨固件錨固的荷載疲勞試驗，即反復(fù)荷載的疲勞試驗。在正壓300萬次+負(fù)壓300萬次往復(fù)動力載荷耐疲勞度試驗中，對帶尼龍塑料套墊的背栓在栓與孔之間起到三向隔震減震效應(yīng)，在沖擊作用下起到緩沖作用，使背栓錨固連接部位在數(shù)百萬次強(qiáng)勁往復(fù)動力荷載耐疲勞試驗中未見損壞和明顯位移，而單切面背栓由于背栓本身活動，在往復(fù)動力的壓、拉作用下，最差的在126次負(fù)壓破壞，因此可以看出背栓最好要帶尼龍?zhí)讐|，并采用雙切面即背栓與石材要首先緊固。5、抗震試驗華南城建學(xué)院抗震中心、中國建筑科學(xué)研究院、中國水科科學(xué)研究院進(jìn)行多次

8、石材幕墻抗震性能振動臺試驗。試驗結(jié)果表明在地震加速度0.6g以下（相當(dāng)于烈度9.7度）時一切正常，華南城建學(xué)院抗震中心試驗中發(fā)現(xiàn)在0.6g時背栓有松動跡象，0.8g時（相當(dāng)于烈度10度）幕墻掛勾有脫出橫梁的可能，經(jīng)分析是主要是栓孔未按公差要求加工，采用單切面無尼龍?zhí)讐|的背栓，幕墻組件的掛勾與橫梁搭接量小于6mm。其他試驗采用了帶尼龍?zhí)讐|的雙切面背栓，幕墻單元組件掛勾與橫梁搭接高度大于10mm，即使在0.9g（相當(dāng)于烈度10.2度）、層間變位達(dá)到1/54時，背栓點連接花崗石幕墻仍完好無損，而且經(jīng)過抗震試驗的試件背栓與石材錨固處的石材抗拉拔能力與未經(jīng)抗震試驗的試件幾乎沒有區(qū)別。從以上試驗可以看出，

9、背栓式點連接花崗石幕墻在規(guī)范規(guī)定的使用范圍（68度區(qū)）時，可以采用無尼龍塑料套墊的單切面背栓，當(dāng)用于9度區(qū)及9度以上烈度區(qū)時，應(yīng)采用帶尼龍塑料套墊的雙切面背栓。幕墻組件掛勾與橫梁的搭接高度應(yīng)不少于10mm。二、設(shè)計與計算1、 構(gòu)造設(shè)計首先要樹立一個概念：背栓是一個緊固件，它把石材和石材幕墻組件中的連接件聯(lián)結(jié)在一起，它屬于可以自由拆卸的緊固件，連接件可按需要即按照每幅幕墻中與石材幕墻相組合的玻璃（金屬）幕墻的構(gòu)造相匹配的構(gòu)造要求來設(shè)計連接件。例如和外插式隱框幕墻（小單元幕墻）相組合時可采用與外插式相匹配的連接件，用背栓將石材固定在外插式付框上。 石材與連接件的連接，視石板材尺寸和構(gòu)造要求可采用一

10、個背栓、兩個背栓、四個背栓等。 當(dāng)采用一個背栓時，孔一般應(yīng)位于板中心，孔中到板邊距離不大于300mm，板與連接件還應(yīng)采用4個尼龍螺栓頂住板內(nèi)側(cè)，保持板的穩(wěn)定。 當(dāng)采用二個背栓時，孔中到板頂邊距離不大于400mm，至側(cè)邊不大于300mm，在背栓兩側(cè)用尼龍螺栓頂住板內(nèi)側(cè)，保持板的穩(wěn)定。 當(dāng)采用四個螺栓時，孔中到板邊距離不大于250mm。 背栓及孔的構(gòu)造要求如下表： 表1 型 號鉆孔直徑錨固深度連接螺栓最大錨固厚度底孔直徑最小板厚fzp1112m6/3a41112m6313.520fzp1112m6/9a41112m6913.520fzp1115m6/6a41115m6613.528fzp1315m

11、8/4a41315m8415.528fzp1315m8/25a41315m82515.535fzp1320m8/10a41320m81015.535fzp1321m8w/5a41321m8515.535fzp1321m8w/20a41321m82015.535fzp1119m6/6kt/3al111014m6313.520fzp1121m6/6kt/4al111216m6413.520fzp1324m6/6kt/3al131519m8315.530fzp1326m8/6kt/5al131721m8515.534fzp1121m6/es/4al111216m6413.520fzp1324m8/e

12、s/4al131519m8415.530 背栓與石材錨固部位的施工質(zhì)量的重要一環(huán)是極限（公差）配合的確定和檢驗，要求孔位偏差0.5mm，孔距偏差0.5mm，孔距與孔位偏差之和不得大于1.0mm，孔徑(68mm)+0.4mm、-0.2mm，孔深+0.4mm、-0.1mm，底部擴(kuò)孔直徑0.3mm。2.設(shè)計計算a. 一塊板用一個背栓 p=qa =（p/t2）*0.5456ln(0.64l/t)+1.062ft 或 =（p/t2）*1.2563lg(0.64l/t)+1.062ft u=c(pl2/et3) 表2 lx/ly(ly/lx)c1.00.12651.10.13811.20.14781.40

13、.16211.60.17141.80.17692.00.18033.00.1840.1849 =p/*h/cos*(d+h*tan) 式中: llx、 ly 中較小者（mm）； t 板厚（mm）； d錨孔直徑（mm）； h錨孔深度（mm）。b. 一塊板用兩個背栓錨固，可簡化為兩端帶懸臂的簡支板計算 ma=mb= qa2/2 r=ql/2 m=ql2/814（a/l）2 uc=ud=qal2/24ei1+6（a/l）2+3（a/l）3 u=ql4/384ei5-24（a/l）2 =r/*h/cos*（d+h*tan）c 一塊板用四個背栓錨固，按四角支承板計算 =6mql2/t2 式中： llx、

14、ly中較大； m彎距系數(shù)。 =（qa/4*1.25）/*h/cos*(d+h*tan) 表3 彎距系數(shù)表 lx/lym 0500130405501320060013390650136107001384075014080800143508501464090014940950152610001559 表4 天然花崗石板強(qiáng)度分級表 n mm2 t等級強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值抗彎強(qiáng)度設(shè)計值fr抗剪強(qiáng)度設(shè)計值ftv彈性模量 e線脹系數(shù) 泊松比 抗壓抗彎mu11011083.71.90.8*1040.8*10-50.125mu13013094.22.1mu150150104.72.31*104mu170170115.1

15、2.6mu190190125.62.8mu210210136.13.01.1*104mu230230146.53.3mu250250157.03.5mu270270167.53.8mu2902901784.0例1 mu110級(抗彎強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值8n/mm2)花崗石500mm*500*30mm，用背栓11*15m6一個，驗算花崗石抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度。 wk=4000n/m2, qek=336n/m2, 。 解：風(fēng)荷載設(shè)計值 w=1.4wk=1.4*4000=5600n/m2 地震（作用）設(shè)計值 qe=1.3qek =1.3*336=437n/mm2 荷載（作用）組合設(shè)計值 q=1.0 w+ 0.6

16、 qe =1.0*5600+0.6*437=5862n/mm2 背栓處集中力 p=abq=0.5*0.5*5862=1466n 石板抗彎截面最大設(shè)計正應(yīng)力值 =（p/t2）*0.5456ln(0.64l/t)+1.062 =（1466/302）*0.5456ln(0.64*500/30)+1.062=3.83n/mm23.7n/mm2 或 = （p/t2）*1.2563lg(0.64l/t)+1.062 =（1466/302）*1.2563lg(0.64*500/30)+1.062=3.83n/mm23.7n/mm2 需改用mu130級(抗彎強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值9n/mm2)花崗石ft=4.2n/mm2

17、 石板抗剪截面最大設(shè)計剪應(yīng)力值 =p/*h/cos250*(d+h*tan250)=1466/15/cos250*3.14159*(13.5+15*tan250)=1.38n/mm21.9n/mm2 例2上例條件1000mm*1000*30mm花崗石，背栓11*15m6四個，驗算花崗石抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度。解： 板長寬比 lx/ly=0.7/0.7=1 查彎距系數(shù) moy=0.1559 石板抗彎截面最大設(shè)計正應(yīng)力值=6mqly 2=6*0.1559*5.862*10-3*7002/302=2.98n/mm23.7n/mm2 石板抗剪截面最大設(shè)計剪應(yīng)力值 =qa/4*1.25/*h/cos*(d+

18、h*tan) =(5862/4) *1.25/(15/cos250*3.14159*(13.5+15*tan25o) =1.72n/mm21.9n/mm2 例3用mu130級(抗彎標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度9n/mm2的花崗石)300mm*2050mm*30mm,兩個13*15m8背栓各距板端400mm,wk=3500n/mm2，驗算花崗石抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度。解：石板自重標(biāo)準(zhǔn)值 gk=28000*0.03=840n/m2地震作用標(biāo)準(zhǔn)值 qek=emaxgk=5*0.08*840=336n/m2 面荷載（作用）組合設(shè)計值 q面=1.4w+0.78 qek =1.4*3500+0.78*336=5162n/m2線荷

19、載（作用）組合設(shè)計值 q線=b q面=0.3*5162=1549n/m2背栓處支座反力 r1=r2= q線l/2=1549*2.05/2=1588n彎矩 m=ql2/81-4(a/l)2 =1549*1.252/8*1-4*(0.4/1.25)2=178.619n/m=178619n/mm石板截面抵抗矩 w=bt2/6=300*302/6=45000mm3石板抗彎截面最大設(shè)計正應(yīng)力值 =m/w=178619/45000=3.97n/mm24.2n/mm2石板抗剪截面最大設(shè)計剪應(yīng)力值 =r/*h/cos*（d+h*tan）=1585/15/cos250*3.14159*(15.5+15/tan2

20、5o)=1.37n/mm22.1n/mm2 三背栓點連接花崗石幕墻用于復(fù)什部位連接設(shè)計 下圖為有五個凸角，三個凹角組成的裝飾線，用背栓將石材緊固在五個連接件上順利完成了裝飾要求，這對鋼銷、鋼勾是無法完成的。四雨幕原理（the rain screen principle）和石材幕墻防水構(gòu)造設(shè)計 雨幕原理是一個設(shè)計原理，它指出雨水對這一層“幕”的滲透將如何被阻止的原理，在這一原理應(yīng)用中其主要因素為在接縫部位內(nèi)部設(shè)有空腔，其外表面的內(nèi)側(cè)的壓力在所有部位上一直要保持和室外氣壓相等，以使外表面兩側(cè)處于等壓狀態(tài)，其中提到的外表面即“雨幕”。壓力平衡的取得是有意使開口處于敞開狀態(tài)，使空腔與室外空氣流通，以達(dá)

21、到壓力平衡。這個效應(yīng)是由外壁后面留有空腔所形成，此空腔必須和室外聯(lián)通才能達(dá)到上述目的，由于風(fēng)的隨機(jī)性造成的陣風(fēng)波動亦需在外壁兩側(cè)加以平衡。大家知道，幕墻發(fā)生滲漏要具備三個要素：a幕墻面上要有縫隙；b縫隙周圍要有水；c有使水通過縫隙進(jìn)入幕墻內(nèi)部的作用。這三個要素中如果缺少一項滲漏就不會發(fā)生（如果將這三個要素的效應(yīng)減少到最低程度，則滲漏可降低到最小程度）。在外壁水和縫隙是無法消除的，只有在作用上下功夫，通過消除作用來使水不通過外壁縫隙進(jìn)入等壓腔。在內(nèi)壁，縫隙和作用（特別是壓差）不能消除，要達(dá)到內(nèi)壁不滲漏，則要使水淋不到內(nèi)壁，這正好由外壁（雨幕）發(fā)揮的效應(yīng)來達(dá)到，外壁內(nèi)、外側(cè)等壓，水進(jìn)不了等壓腔，就

22、沒有水淋到內(nèi)壁，內(nèi)壁縫隙周圍沒有水，內(nèi)壁就不會發(fā)生滲漏，這樣單元式幕墻對插部位就不會有水滲入室內(nèi)了。這個設(shè)計的核心原理就是外壁（雨幕）內(nèi)、外側(cè)等壓，使雨水進(jìn)不了等壓腔，達(dá)到內(nèi)壁縫隙周圍無水，即在內(nèi)壁消除滲漏三要素中水的因素來達(dá)到整體單元式幕墻接縫體系不滲漏。但是，要達(dá)到完全等壓是困難的，甚至在某些情況下是做不到的，這是由于外壁上的壓力是由風(fēng)引起的，這種由風(fēng)引起的壓力在時間上和空間上都是動態(tài)變化的。由陣風(fēng)所形成的風(fēng)壓變化，使外壁兩側(cè)的壓力隨之變化。在陣風(fēng)波動的瞬間，外壁內(nèi)外兩側(cè)壓力是不等的（即等壓腔內(nèi)壓力與室外壓力不相等），要通過空氣流通來平衡，在空氣流通時就有可能將水帶入等壓腔。風(fēng)壓在幕墻外表

23、的分布也是不平衡的，風(fēng)壓隨高度增加，有時幕墻外表面也有局部（邊角、頂部）呈負(fù)風(fēng)壓狀態(tài)，當(dāng)兩個開口處風(fēng)壓不等或一處為正風(fēng)壓另一處為負(fù)風(fēng)壓時，等壓腔內(nèi)壓力約為兩個開口處風(fēng)壓（負(fù)風(fēng)壓）的平均值，雨水總是沿著壓力降方向滲入，外側(cè)壓力大于等壓腔壓力的開口處就會有雨水滲入等壓腔，因此應(yīng)該考慮雨幕層（外壁）必然有少數(shù)偶然滲漏的可能，這樣就要使已滲入等壓腔的水即時排出至室外。這樣單元式幕墻接縫處防水構(gòu)造要使外壁具有防止大量雨水滲入的能力，對少量滲入等壓腔的雨水能即時排出，使水淋不到內(nèi)壁，在內(nèi)壁消除滲漏三要素中水的因素，從而達(dá)到雨水不滲漏到室內(nèi)的目的。還必須指出這僅是理論上闡述的原理，實際工程中要完全消滅滲漏三要素中任何一項是不容易做到的，但不是說我們就無能為力了，雖然不能到達(dá)完全消滅滲漏三要素中任何一項的目的，但可采取措施使?jié)B漏三要素每一項減少到最最低程度。這樣在學(xué)習(xí)國外經(jīng)驗，總結(jié)本國經(jīng)驗基礎(chǔ)上，對單元式幕墻對插接縫處防水構(gòu)