后切式背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻

1、后切式背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻摘要 用后切式背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻進(jìn)行外飾面花崗石施工是建筑外面施工的重大突破，試驗(yàn)研究表明背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻有很高的可靠性，本文例出了其構(gòu)造設(shè)計(jì)及計(jì)算，用于復(fù)雜部位的連接設(shè)計(jì)和防水構(gòu)造設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞 后切式背栓點(diǎn)連接；花崗石幕墻；試驗(yàn)；設(shè)計(jì)中圖分類號 tu754.4，tu56+ 4.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 a 文章編號 1001-523x（2003）01-0040-041 概述用后切式背栓點(diǎn)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，它開辟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

2、采用后切式背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻。后切式背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻的背栓僅用作為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(jì)，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，后切式背栓點(diǎn)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，下面安裝石材幕墻。后切式背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻已有20多年歷史，我國在20世紀(jì)90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以下采用了后切式背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻，覆蓋主

3、體結(jié)構(gòu)表面15000m2，花崗石幕墻（其構(gòu)造形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(gè)背栓，花崗石尺寸為（），單塊板重600kg，全國還有很多工種采用了后切式背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻，總用量超過100萬m2。“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，在建造這些幕墻時(shí)，除按慣例進(jìn)行風(fēng)壓變形、空氣滲透、雨水滲漏三項(xiàng)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(yàn)，背栓錨固石材的拉拔試驗(yàn)；背栓錨固的長期（8500h）靜載抗剪、抗拉試驗(yàn)；背栓錨固的疲勞試驗(yàn)，以及背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻的抗震性能振動臺試驗(yàn)，積累了大量試驗(yàn)參數(shù)，證明了背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻有很高的可靠性，

4、同時(shí)找出了局部構(gòu)造改進(jìn)的方向。下面進(jìn)行詳細(xì)討論。1.1 背栓拉伸試驗(yàn)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，規(guī)定非比例伸長應(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)度為59kn（25.6kn、14kn）是背栓錨固石材拉拔力的2.510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(yàn)對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)后，應(yīng)按gb50068第5.0.3條規(guī)定取，背栓抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值按gb550017可取為，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值?，F(xiàn)在有的廠商

5、提供的參數(shù)，取及抗拉材料分項(xiàng)系數(shù)1.8、抗剪材料分項(xiàng)系數(shù)3.2，與gb50068和gb50017不一致，gb50068等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(jì)規(guī)范等設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)遵守本規(guī)范的規(guī)定”。我個(gè)人意見還是按gb50068執(zhí)行。1.2 錨固件抗拉拔承載能力試驗(yàn)從試驗(yàn)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(shí)，承載能力破壞的離散性較大，經(jīng)回歸統(tǒng)計(jì)，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背栓連接抗拉拔承能力為4.5

6、8kn，8mm背栓抗拉拔承載能力為510kn，12mm背栓抗拉拔承載能力為612kn。上述為承載能力標(biāo)準(zhǔn)值，即將拉拔試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，將平均值減去1.645倍標(biāo)準(zhǔn)差，前述錨深12mm離散性較大，其標(biāo)準(zhǔn)差也大，按計(jì)算已考慮了離散性，不必再用系數(shù)折減。其設(shè)計(jì)值。對只進(jìn)行了石材抗壓（抗彎）試驗(yàn)的工程可用應(yīng)力法計(jì)算抗剪強(qiáng)度： 1.3 錨固件錨固的長期靜載試驗(yàn)錨固件長期靜載試驗(yàn)，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(jì)試驗(yàn)時(shí)間為一年（8500h），試驗(yàn)分長期荷載抗剪試驗(yàn)和抗拔試驗(yàn)，抗剪試驗(yàn)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(yàn)與未經(jīng)長期荷載試驗(yàn)

7、的試件作對比，試驗(yàn)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，在長期抗拉拔試驗(yàn)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。1.4錨固件錨固的荷載疲勞試驗(yàn)，即反復(fù)荷載的疲勞試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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

8、即背栓與石材要首先緊固。1.5抗震試驗(yàn)華南城建學(xué)院抗震中心、中國建筑科學(xué)研究院，中國水利科學(xué)研究院進(jìn)行多次石材幕墻抗震性能振動臺試驗(yàn)。試驗(yàn)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(shí)一切正常，華南城建學(xué)院抗震中心試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在0.6g時(shí)背栓有松動跡象，0.8g時(shí)（相當(dāng)于烈度10度）幕墻掛勾有脫出橫梁的可能，經(jīng)分析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(yàn)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0.96g（相當(dāng)于烈度10.2度以上）、層間變位達(dá)到1/54時(shí)（中組部1.8m2.8m后切式背

9、栓點(diǎn)連接花崗石幕墻達(dá)到1.03g），后切式背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻仍完好無損，而且經(jīng)過抗震試驗(yàn)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(yàn)的試件幾乎沒有區(qū)別。從以上試驗(yàn)可以看出，背栓式點(diǎn)連接花崗石幕墻在規(guī)范規(guī)定的使用范圍（68度區(qū)）時(shí)，可以采用無尼龍塑料套墊的單切面背栓，當(dāng)用于8度區(qū)以上烈度區(qū)時(shí)，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。2 設(shè)計(jì)與計(jì)算2.1構(gòu)造設(shè)計(jì)首先要樹立一個(gè)概念：背栓是一個(gè)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)

10、造要求來設(shè)計(jì)連接件。例如和外插式框幕墻（小單元幕墻）相組合時(shí)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)造要求可采用一個(gè)背栓、兩個(gè)背栓、四個(gè)背栓等。當(dāng)采用一個(gè)背栓時(shí)，孔一般應(yīng)位于板中心，孔中到板邊的距離不大于300mm，板與連接件還應(yīng)采用4個(gè)尼龍螺栓頂住板內(nèi)側(cè)，保持板的穩(wěn)定。當(dāng)采用二個(gè)背栓時(shí)，孔中到板頂邊距離不大于400mm，至側(cè)邊不大于300mm，且均不小于3t或100mm，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(gè)螺栓時(shí)，孔中到板邊距離不大于250mm或邊長的20%，不小于3t或100mm。背栓及孔的構(gòu)造要求如表1。表1

11、背栓及孔的構(gòu)造要求型號鉆孔直徑，mm錨固深度，mm連接螺栓錨栓抗拉強(qiáng)度，mm底孔直徑，mm最小板厚，mmwb-m610/8s.a8/41110m6813.520wb-m612/8s.a8/41112m6813.525wb-m615/8s.a8/41115m6813.528wb-m618/8s.a8/41118m6813.530wb-m621/8s.a8/41121m6813.535wb-m815/8s.a8/41315m81515.528wb-m818/8s.a8/41318m81515.530wb-m821/8s.a8/41321m81515.535wb-m825/8s.a8/41325m8

12、1515.540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(yàn)，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。1）一塊板用一個(gè)背栓p=qa或，c取值見表2表2 c取值lx/ly（ly/lx）c1.00.12651.10.13811.20.14781.40.16211.60.17141.80.17692.00.18033.00.1840.1849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）

13、。2）一塊板用兩個(gè)背栓錨固，可簡化為兩端帶懸臂的簡支板計(jì)算 ma=mb=-q/2 r=ql/2 3）一塊板用四個(gè)背栓錨固，按四角支承板計(jì)算 式中：llx、ly中較大； m彎距系數(shù)（表3） 天然花崗石板強(qiáng)度分級見表4a/ln表3 彎距系數(shù)moylx/ly00.0250.050.0750.1000.1250.1500.1750.2000.500.13040.13010.12940.12780.12580.12260.11930.11480.11080.550.13200.13170.13090.12940.12740.12410.12080.11620.11220.600.13390.13360.

14、13280.13120.12920.12590.12250.11780.11380.650.13610.13580.13500.13340.13130.12790.12450.11980.11570.700.13840.13810.13730.13560.13360.13010.12660.12180.11760.750.14080.14050.13970.13800.13590.13240.12880.12390.11970.800.14350.14320.14240.14060.13850.13490.13130.12630.12200.850.14640.14610.14520.1435

15、0.14130.13760.13400.12880.12440.900.14940.14910.14820.14640.14420.14040.13670.13150.12700.950.15260.15230.15140.14950.14730.14340.13960.13430.12971.000.15590.15560.15470.15280.15040.14650.14260.13720.1325表4 天然花崗石板強(qiáng)度分級，n/mm2等級強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ftv彈性模量，e線脹系數(shù)，泊松比 v抗壓抗彎mu11011083.71.90.81040.810-50.1

16、25mu13013094.22.1mu150150104.72.31104mu170170115.12.6mu190190125.62.8mu210210136.13.01.1104mu230230146.53.3mu250250157.93.5mu270270167.53.8mu2902901784.0例1.mu110級（抗彎強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值8n/mm2）花崗石500mm500mm30mm，用背栓1115m6一個(gè)，驗(yàn)算花崗石抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度。wk=400n/m2，qek=336n/ m2解：風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值 w=1.4 wk=5600 n/ mm2 地震（作用）設(shè)計(jì)值 qe=1.3 qek=437n

17、/ mm2 荷載（作用）組合設(shè)計(jì)值 q=1.0w+0.6 qe=5862n/ mm2背栓處集中力 p=abq=1466n石板抗彎截面最大設(shè)計(jì)正應(yīng)力值或需改用mu130級（抗彎強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值9 n/ mm2）花崗石ft= 4.2n/ mm2石板抗板剪截面最大設(shè)計(jì)剪應(yīng)力值例2.上例條件1000mm1000mm30mm花崗石，背栓1115m6四個(gè)，驗(yàn)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 a/l=0.15/1=0.15查彎距系數(shù)moy=0.1426石板抗剪截面最大設(shè)計(jì)正應(yīng)力值石板抗剪截面最大設(shè)計(jì)剪應(yīng)力值 例3.用mu130級（抗彎標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度9 n/ mm2的花崗石）300m

18、m2050mm30mm，兩個(gè)1315m8背栓各距板端400mm，wk=3500n/m2，驗(yàn)算花崗石抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度。解：石板自重標(biāo)準(zhǔn)值：gh=280000.03=840n/ m2地震作用標(biāo)準(zhǔn)值 面荷載（作用）組合設(shè)計(jì)值 線荷載（作用）組合設(shè)計(jì)值q線=bq面=1549n /m2背栓處支座反力 r1=r2= q線l/2=1588n彎矩 m=ql2/81-4（a/l）2=178619n/mm石板截面抵抗矩 w=bt2/6=45000mm3石板抗彎截面最大設(shè)計(jì)正應(yīng)力值=m/w=3.97 n /mm24.2n/ mm2石板抗剪截面最大設(shè)計(jì)剪應(yīng)力值3 背栓點(diǎn)連接花崗石落墻用于復(fù)雜部位連接設(shè)計(jì)有五個(gè)凸角、

19、二個(gè)凹角組成的裝飾線，用背栓將石材緊固在五個(gè)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。4 雨幕原理（the rain screen principle）和石材幕墻防水構(gòu)造設(shè)計(jì)雨幕原理是一個(gè)設(shè)計(jì)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)到壓力平衡。這個(gè)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

20、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(gè)要素：幕墻面上要有縫隙；縫隙周圍要有水；有使水通過縫隙進(jìn)入幕墻內(nèi)部的作用。這三個(gè)要素中如果缺少一項(xiàng)滲漏就不會發(fā)生（如果將這三個(gè)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(gè)設(shè)計(jì)的核

21、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(shí)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(shí)就有可能將水帶入等壓腔。風(fēng)壓在幕墻外表的分布也是不平衡的，風(fēng)壓隨高度增加，有時(shí)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(gè)開口處風(fēng)壓不等或一處

22、為正風(fēng)壓另一處為負(fù)風(fēng)壓時(shí)，等壓腔內(nèi)壓力約為兩個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)際工程中要完全消滅滲漏三要素中任何一項(xiàng)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(xiàng)的目的，但可采取措施使?jié)B漏三要素每一項(xiàng)減少到最最低程度。這樣在學(xué)習(xí)國外經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)本國經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對單元式幕墻插接縫處防水構(gòu)造設(shè)計(jì)已有一套較成熟技術(shù)方案，即在橫（豎）向接縫的外側(cè)設(shè)置雨披，僅在兩