淺談旋進(jìn)式背栓石材幕墻的發(fā)展

    1、石材幕墻及背栓石材幕墻的發(fā)展

    1.1 石材幕墻的發(fā)展

    建筑幕墻是由幕墻支承結(jié)構(gòu)體系與面板組成的建筑外圍結(jié)構(gòu)，根據(jù)建筑幕墻使用的面板材料，可分為玻璃幕墻、金屬幕墻、石材幕墻等。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，尤其是大型工程中，往往采用組合式幕墻，即在同一工程中同時(shí)采用玻璃、金屬、石材等作為幕墻的面板。2012年我國(guó)建筑幕墻達(dá)到9130萬(wàn)m2，其中石材幕墻約占30％，約3000萬(wàn)m2左右。上世紀(jì)90年代后期，石材幕墻年平均約50萬(wàn)m2，15年時(shí)間年平均用量增長(zhǎng)了近60倍�，F(xiàn)在中國(guó)石材幕墻最高度已達(dá)到230m；最大風(fēng)荷載的設(shè)計(jì)值已達(dá)12kPa，單個(gè)工程使用石材幕墻用量可達(dá)到了10萬(wàn)m2。

    石材是脆性材料，自重較大，材質(zhì)變化大，強(qiáng)度分散大， 在石材幕墻快速發(fā)展的同時(shí)，對(duì)其安全使用自然有種種疑慮，在石材幕墻的實(shí)際工程中，也出現(xiàn)了不少令人擔(dān)憂的現(xiàn) 象。

    1.2  2011年抽查十城市既有幕墻安全情況抽查基本情況見表1，項(xiàng)目總數(shù)96項(xiàng)，兼含石材幕墻20項(xiàng)，有故障及隱患的7項(xiàng)，約占總數(shù)量的30％。

    1.3 石材幕墻破裂舉例 ( 見圖1-4)

    1.4 如何提高石材幕墻安全性？安全性建筑行業(yè)普遍關(guān)注的課題。

    石材幕墻工程實(shí)踐表明：面板材料安全和連結(jié)可靠互為影響、互相依存，面板與支承連結(jié)可靠性直接影響石材幕墻安全性。因此，石材幕墻在摒棄水泥濕貼工藝之后，集中在干掛連結(jié)結(jié)構(gòu)研究和開發(fā)，先后有兩個(gè)方面的干掛連結(jié)結(jié)構(gòu)件，即石材側(cè)面干掛連結(jié)結(jié)構(gòu)件和石材背面干掛連結(jié)結(jié)構(gòu)件。側(cè)面干掛連結(jié)結(jié)構(gòu)件有：銷釘掛件、T型掛件、蝴蝶掛件、通槽掛件、L形掛件、復(fù)合掛件等。石材側(cè)面干掛連結(jié)結(jié)構(gòu)件主要是從國(guó)外引進(jìn)的，經(jīng)過30年的實(shí)踐，試驗(yàn)和施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都表明銷釘掛件、T型掛件、蝴蝶掛件等的可靠性、可拆性較差，通用性不強(qiáng)，市場(chǎng)逐漸縮小。從以上一些照片可看出，側(cè)面連結(jié)也較背式連接質(zhì)量問題多，石材的槽壁根部承受彎剪應(yīng)力，石材面板槽壁板脊根部易發(fā)生剪切彎曲破壞。加之傳統(tǒng)的開槽工藝容易損壞石材，使得側(cè)面干掛連結(jié)結(jié)構(gòu)法的安全性不高。目前石材幕墻市場(chǎng)不斷擴(kuò)展，背式連接掛件也不斷改進(jìn)、完善，先后出現(xiàn)兩種背栓安裝工藝：敲擊式背栓和旋進(jìn)式背栓。敲擊式背栓的代表是慧魚敲擊式背栓、斯泰敲擊式背栓；旋進(jìn)式背栓的代表是凱爾旋進(jìn)式背栓、旗魚旋進(jìn)式背栓。

    1.5、背栓石材幕墻的發(fā)展

    背栓式石材幕墻是一組底部拓孔，采用專用工藝，通過錨栓凸形結(jié)合與框架支撐協(xié)調(diào)組合而成的干掛石材的新技術(shù)、新工藝。背栓式也稱無應(yīng)力錨固式，采用在專業(yè)設(shè)備上由專門與錨栓匹配的金剛石鉆頭拓孔技術(shù)，一般對(duì)石材不會(huì)損傷；錨栓在拓孔部分與錨固技術(shù)形成凸形結(jié)合，通過嚙合將荷載傳給錨固基底，膨脹環(huán)有三個(gè)對(duì)稱的接觸點(diǎn)，保證了應(yīng)力的均勻分部；其壽命提高，造價(jià)降低，易于更換，使用維修也比較方便。

    背栓石材幕墻已有二十多年歷史，我國(guó)在二十世紀(jì)90年代開始使用。1998年建成的上海中銀大廈(浦東國(guó)際金融大廈)高235m，在139m以下采用了背式點(diǎn)連接花崗石幕墻，復(fù)蓋主體結(jié)構(gòu)表面15000 m2，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22000 m2，使用了約3萬(wàn)塊花崗石，6萬(wàn)個(gè)背栓，花崗石尺寸為(H×B)2.05m ×0.3m。類似的還有上海交銀大廈，見圖5所示。

    中組部背式點(diǎn)連接花崗石幕墻花崗石尺寸為(H×B)2m × 2.7m，單塊板重600kg。此外，全國(guó)還有很多工程采用了背式點(diǎn)連接花崗石幕墻。

    2、背式連接石材幕墻的試驗(yàn)。

    “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(cè)外， 還對(duì)背栓和背栓錨固石材的連接部位進(jìn)行了背式點(diǎn)連接背栓錨固石材的拉拔試驗(yàn)，背栓拉伸試驗(yàn)，背栓錨固的長(zhǎng)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，積累了大 量試驗(yàn)參數(shù)，證明了背式點(diǎn)連接背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻有很高的可靠性，同時(shí)找出了局部構(gòu)造改進(jìn)的方向。

    2.1、 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(zhǎng)，基材強(qiáng)度對(duì)抗拉拔承載能力按指數(shù) 0.5 增長(zhǎng)，6mm 背栓連接抗拉拔承載能力為4.5KN~8KN，φ 8mm背栓抗拉拔承載能力為5KN~10KN，φ12mm背栓抗拉拔承載能力為 6KN~12KN。

    2.2、 背栓拉伸試驗(yàn)。背栓用A2-70  不銹鋼制造，一顆φ12mm （φ 8mm 、φ 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 2.5 倍~10 倍，也就是說背栓錨固石材只會(huì)是石材沖切破壞。

    2.3、錨固件錨固的長(zhǎng)期靜載試驗(yàn)。 錨固件長(zhǎng)期靜載試驗(yàn)，測(cè)試背栓錨固不同強(qiáng)度的基材在長(zhǎng)期靜載下的位移松動(dòng)及徐變性能，設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)間為一年 （8500H），試驗(yàn)分長(zhǎng)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(duì)受拉試件做 極限拉拔力試驗(yàn)與未經(jīng)長(zhǎng)期荷載試驗(yàn)的試件作對(duì)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(zhǎng)期抗拉拔試驗(yàn)中未見破壞和明顯位移。

    2.4、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(wàn)次、負(fù)壓 300 萬(wàn)次往復(fù)動(dòng)力載荷耐疲勞度試驗(yàn)中，使背栓錨固連接部位在數(shù)百萬(wàn)次強(qiáng)勁往復(fù)動(dòng)力荷載耐疲勞試驗(yàn)中未見損壞和明顯位移。

    2.5、抗震試驗(yàn)。 

    華南城建學(xué)院抗震中心、中國(guó)建筑科學(xué)研究院、中國(guó)水科科學(xué)研究院進(jìn)行多次石材幕墻抗震性能振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。華南城建學(xué)院抗震中心1998 年對(duì)鋼銷式、通槽式、短槽式、背栓式五種連接方式石材幕墻試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明在地震加速度0.6g（相當(dāng)于烈度 9.6 度）以下時(shí)一切正常，在地震加速度0.6g 時(shí)，通槽 T 形勾 2 塊有輕微裂縫，短槽 T 形勾 1 塊有輕微裂縫。在地震加速度 0.6g 時(shí)，背栓有松動(dòng)跡象，在地震加速度 0.8g 時(shí)（相當(dāng)于烈度 10 度），幕墻一個(gè)上部掛勾脫出橫梁（圖 6），經(jīng)分析是主要是栓孔未達(dá)到公差精度要求，幕 墻組件的掛勾與橫梁搭接量小于 3mm。根據(jù)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，改進(jìn)掛勾與橫梁搭接設(shè)計(jì)，即增加兩者搭接量（≥5mm）（圖 6-b），并用硅酮密封膠填縫（使掛勾可在槽內(nèi)活動(dòng)），1999 年進(jìn)行試驗(yàn)，在地震加速度 0.9 g、位移 1/60 時(shí)，幕墻完好無損。2001 年單元式通槽連接石材幕墻試驗(yàn)結(jié)果，在地震加速度 0.8g、位移 1/150 時(shí)，幕墻完好無損。中組部 2m×2.7m背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻，在地震加速度 1.0g、位移 1/100 時(shí)，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。

    2.6、用背栓點(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)的突破，使石材幕墻有了廣闊的使用領(lǐng)域，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)，其他干掛連接的使用部位和方法帶有很大局限性，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。

    3、背栓石材幕墻需要考慮和改進(jìn)的問題

    3.1、石材的拓孔工藝的改進(jìn)

    鉆孔后再擺動(dòng)擴(kuò)孔的拓孔工藝，在石材底孔根部造成損傷。易使孔根部產(chǎn)生裂紋或損傷，改進(jìn)后的打孔方法，是采用特殊工藝加工而成的鉆頭通過改變鉆頭的運(yùn)動(dòng)方向來一次性完成鉆拓孔的打孔工藝。

    3.2、埋人背栓的可靠性

    圖7是膨脹環(huán)背栓的膨脹環(huán)未到位照片，使業(yè)內(nèi)人士對(duì)膨脹環(huán)背栓的埋人可靠性產(chǎn)生憂慮，旋進(jìn)式背栓進(jìn)行了改進(jìn)，提高了埋人背栓深度的精確性和可靠性。

    3.3、背栓埋深的精確性和抗拔性

    試驗(yàn)結(jié)果表明：原背栓與改進(jìn)背栓不同工藝的不同孔深條件下，改進(jìn)背栓抗拔力高于原背栓抗拔力。通過旋進(jìn)式工藝背栓埋深的精確性大大得到提高。

    3.4、薄板及人造板推廣應(yīng)用

    應(yīng)當(dāng)說明背栓點(diǎn)連接方法和工藝，是德國(guó)公司首先在中國(guó)推廣應(yīng)用。在中國(guó)率先引入背面連接技術(shù)理念。德國(guó)公司對(duì)中國(guó)石材幕墻的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。實(shí)踐發(fā)展表明德國(guó)慧魚背栓有很多優(yōu)點(diǎn)，但也有值得改進(jìn)之處，中國(guó)一些公司這方面的研發(fā)工作也一直未停，這些企業(yè)發(fā)展了背式連接的長(zhǎng)處，不斷改進(jìn)了原背栓一些的短處，尤其是在以上所述的需要考慮的問題上有較大改進(jìn)。

    4、旋進(jìn)式背栓性能簡(jiǎn)要分析

    4.1、熱脹冷縮及壓脹應(yīng)力對(duì)比分析

    花崗石屬脆性材料，在與不銹鋼硬性擴(kuò)脹抵觸時(shí)，易造成脹應(yīng)力，至使花崗石直線進(jìn)裂破壞，或因此留下安全隱患導(dǎo)致石材在溫差、地震時(shí)進(jìn)裂。面對(duì)以上問題，旋轉(zhuǎn)背式連接背栓通過旋轉(zhuǎn)式安裝的方法并對(duì)背栓進(jìn)行頂進(jìn)限位設(shè)計(jì)，背栓套將膨脹到設(shè)定大小后，便不再膨脹，避免了敲擊所帶來的突變荷載造成的脹應(yīng)力，消除了膨脹環(huán)未到位的隱患，有效地解決了由于熱脹冷縮及壓脹應(yīng)力帶來的不利影響。確保了脆性板材的安全可靠性。如圖8所示。

    4.2、受正風(fēng)壓對(duì)比分析

    由于石材自身的厚度不一，為控制裝飾面的平整度，錨固深度難以控制，當(dāng)背栓植入深度較深時(shí)，在正風(fēng)壓的影響下，可能會(huì)出現(xiàn)頂裂石材問題。旋轉(zhuǎn)背式連接背栓利用背栓套根部螺栓形成的切面與石材緊密相連，避免了背栓底部受正風(fēng)壓的影響，從而背栓深度可以加深，大大提高了安全系數(shù)。可適用于各種高度，最大風(fēng)壓地區(qū)使用。如圖9所示。

    4.3、抗扭剪分析

    普通背栓由于間隙與公差，使背栓系統(tǒng)與石材不能形成整體，在外力作用下而產(chǎn)生扭力與剪力，在此綜合應(yīng)力下，板材會(huì)造成下垂等缺陷，旋轉(zhuǎn)背式連接背栓由于最大限度克服了間隙與公差，形成了一個(gè)整體抗扭抗剪的態(tài)勢(shì)，從而有力了解決了這個(gè)問題。見圖10所示。

    4.4、錨固件抗拉拔承載力能力試驗(yàn)及拉伸試驗(yàn)

    從實(shí)驗(yàn)情況看，旋轉(zhuǎn)式連接背栓對(duì)石材的錨固處產(chǎn)生破壞，破壞狀態(tài)為石材錐度破壞。影響破壞的因素有背栓錨深、石材本身強(qiáng)度、背栓直徑等，其中錨深影響最直接。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，6mm背栓連接抗拉拔承載能力4.5-8kN，8mm背栓連接抗拉拔承載能力為5-10kN，而6mm背栓其極限拉伸強(qiáng)度為14kN，而8mm背栓其極限拉伸強(qiáng)度25.6kN，是背栓錨固石材拉拔力的2.5-10倍，也就是說背栓錨固石材只會(huì)是石材被沖切破壞。從上面的數(shù)據(jù)分析可知背栓的直徑并不能顯著提高背栓的連接抗拉拔承載能力，在石材沖切破壞時(shí)并不起決定性作用。而通常都是因?yàn)槭�材本身的�?qiáng)度不夠而被破壞的。故應(yīng)在石材選用上多加控制。

    4.5、抗震性能分析

    旋轉(zhuǎn)式連接背栓具有限位擴(kuò)張無脹應(yīng)力、無壓應(yīng)力，形成了抗震抗風(fēng)荷載較理想的懸掛小單元。在通過國(guó)家工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心采用最新規(guī)范抗震實(shí)驗(yàn)時(shí)，幕墻試件在峰值加速度為70gal、100gal、200gal、400gal、620gal的“EL-Centro”地震波和“人工”地震波的X、Y和Z方向模擬地震作用過程中，沒有發(fā)生任何損傷和破壞。

    4.6、成孔質(zhì)量的可預(yù)見性

    成孔的質(zhì)量是背栓與板材是否能牢固連接的很關(guān)鍵的一環(huán)。所以板材在掛好之前的每一步檢測(cè)都非常重要�，F(xiàn)在市場(chǎng)上敲擊式背栓是通過強(qiáng)力敲擊進(jìn)人板材內(nèi)部，再通過異形螺桿帶動(dòng)背栓套的擴(kuò)張達(dá)到固定的效果。故而它對(duì)孔尺寸要求不高，也就是說孔大小不是很重要。這正是其帶來安全隱患弊端的不可預(yù)見性。其危害程度是潛在的，所以往往不為人所重視，最終造成的損失將是慘痛的。采用最新規(guī)范設(shè)計(jì)的錨栓可以消除敲擊式背栓的安全隱患。這種通過獨(dú)特的設(shè)計(jì)不僅避免了應(yīng)力集中過大，而且它可以在背栓安裝時(shí)就能檢測(cè)出孔的合格與否并及時(shí)糾正，并有良好的可更換性。這是市面上現(xiàn)有的背栓無法做到的。

    5、背面連接石材幕墻設(shè)計(jì)的建議：

    5.1  在石材背面進(jìn)行連在時(shí)，應(yīng)按照連接形式合理選用其設(shè)計(jì)計(jì)算方法。宜通過試驗(yàn)確定其承載力。

    背面連接的石材面板，其跨度可以減��；石板承受的彎矩較小，拆裝也比較方便，目前已采用的背面連接方式有進(jìn)口背栓、敲擊式背栓、旋進(jìn)式背栓、背槽、背卡等多種，受力情 況各不相同，相應(yīng)采用不同的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。背面連接方式的承載力與石材類型及強(qiáng)度。金屬連接付的形式和構(gòu)造都有密切關(guān)系，一做首先通過試驗(yàn)得到其承載力與各種因素的相關(guān)關(guān)系，再推導(dǎo)出設(shè)計(jì)方法。

    5.2、背卡、背槽等連接的槽口內(nèi)，宜灌注干掛石材幕墻用環(huán)氧粘接劑，其性能應(yīng)符合《干掛石材幕墻用環(huán)氧膠粘劑》 JC788 的規(guī)定。

    背卡、背槽連接的金屬件要通過與石材之間的粘結(jié)力來發(fā)揮作用，同此要灌注于掛石材幕墻用膠粘劑予以充分粘結(jié)。 背栓連接用于較軟弱的有孔洞的石材面板時(shí)，背栓孔宜灌注石材幕墻用環(huán)氧膠粘劑或植筋膠。 背栓主要通過石板擴(kuò)孔后形成的錐面?zhèn)髁Γ�一般情況下可以不注膠。但在疏松、多孔性石材中應(yīng)用時(shí)，為防止連 結(jié)處過分薄弱而使背柱失效，宜在孔內(nèi)注膠。

    5.3、在較軟弱和有孔洞的石板中采用背面連接時(shí)，宜采取加貼玻璃纖維布或設(shè)置加強(qiáng)粘膠層等防破碎墜落措施。

    背面連接方式屬局部連接方式，對(duì)疏松、多孔和軟弱的石材面板的局部缺陷影響較為敏感，局部應(yīng)力也較多集中，為 了防止連接件在失效或石材破裂時(shí)墜落，通常在背面粘貼防止石材破碎后墜落的玻璃布或聚合物膠層。上述玻璃纖維織物或膠層應(yīng)有足夠承載力，工作性能應(yīng)可靠。有些工程在石板后面簡(jiǎn)單涂刷膠粘利后，粘貼玻璃纖維絲，不宜采用。

    5.4、背栓連接方式應(yīng)采用不銹鋼背栓，背栓直徑不小于 6mm， 連接件厚度不小于 3mm,  錨深宜大于 12mm。      

    5.5、背栓與石板邊距不宜大于 300m；也不宜小于 100m；背栓間距離不宜大于 800mm。

    5.6  背栓式連接石材幕墻可采用開放式板縫設(shè)計(jì)，開放式板縫應(yīng)符合下列規(guī)定。

    A）背部空間應(yīng)防止積水，并采取措施順暢排水；B）面板背面的保溫材料應(yīng)有防水措施，可采用鍍鋅鋼板、 鋁板防水；C）背部空間應(yīng)保持通風(fēng)，使潮濕水汽可以順暢排出； D）支承結(jié)構(gòu)和金屬連接件應(yīng)采取更有效的防腐措施： 

E）開縫設(shè)計(jì)的石材面板宜在背面粘貼玻璃纖維織物或采用涂布加強(qiáng)粘膠層等防墜落措施。

    5.7、小塊石板采用 1 個(gè)或 2 個(gè)背栓連接時(shí)，應(yīng)在內(nèi)側(cè)加設(shè)尼龍頂緊螺栓。

    5.8、背栓式連接石板抗彎設(shè)計(jì)應(yīng)符合以下規(guī)定：

    A）在風(fēng)荷載、地震作用下，四點(diǎn)支承板最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值可按下列公式計(jì)算：

    B）由各種荷載和作用在石板中產(chǎn)生的最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按新規(guī)范規(guī)定組合，其最大彎曲應(yīng)力設(shè)計(jì)值不應(yīng)超過石材抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì) 值。

    5.9 背栓的承載力設(shè)計(jì)值取其承載力標(biāo)準(zhǔn)值除以系數(shù) 2.15 后采用。

    5.10 背栓在風(fēng)荷載或地震作用下，其拉力標(biāo)準(zhǔn)值按下列公式計(jì)算：

    5.11、背栓拉力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按新規(guī)范規(guī)定進(jìn)行組合，所得拉力設(shè)計(jì)值不應(yīng)大于背栓受拉承載力設(shè)計(jì)值。

    5.12、背栓抗剪設(shè)計(jì)應(yīng)符合以下規(guī)定：

    A）單個(gè)背檢剪力設(shè)計(jì)值可按下式計(jì)算：

    B）背面連接的石材面板背栓剪力設(shè)計(jì)值不應(yīng)大于背栓抗剪承載力設(shè)計(jì)值。