背栓点连接花岗石幕墙

背栓点连接花岗石幕墙

1. 概述

用背栓点连接花岗石幕墙进行建筑外饰面花岗石施工是建筑外饰面施工技术的重大突破，它开避了石材幕墙施工工艺的新纪元。使石材幕墙有了广阔的使用领域，即任何建筑物、任何高度、任何部位、任何构造形式都可以采用背栓点连接花岗石幕墙。背栓点连接花岗石幕墙的背栓仅用作石板材与连接件的紧固件，这样连接件可按需要灵活设计，而钢销式，短槽式，通槽式的钢销（钢钩）既和横梁（立柱）连接，又和石材连接，它的使用部位和方法带有很大局限性，背栓点连接方法为石材幕墙和玻璃（金属）幕墙组合成组合幕墙创造了条件，即在同一立柱上可左面安装玻璃幕墙，右面安装石材幕墙，在同一横梁上，可上面安装玻璃幕墙，下面安装石材幕墙。

背栓点连接花岗石幕墙已有二十多年历史，我国在二十世纪九十年代开始使用。1998年建成的上海中银大厦（浦东国际金融大厦）高235m，+139m以下采用了背栓点连接花岗石幕墙，复盖主体结构表面15000m²，花岗石幕墙（其构造型式为凸梯形与凸矩形组合）展开面积22000m²，使用了约3万块花岗石，6万个背栓，花岗石尺寸为（H×B）2.05m×0.3m，花岗石幕墙最高点为139m。1999年建成的上海交银大厦采用的背栓点连接花岗石幕墙最高标高达196m，全国还有很多工程采用了背栓点连接花岗石幕墙，总用量超过100万m²。

“实践是检验真理的唯一标准”，在建造这些幕墙时，除按惯例进行风压变形，空气渗透，雨水渗漏三项物理性能检测外，还对背栓和背栓锚固石材的连接部位进行了背栓拉伸试验，背栓锚固石材的拉拔试验，背栓锚固的长期（8500h）静载抗剪、抗拉试验，背栓锚固的疲劳试验，以及背栓点连接花岗石幕墙的抗震性能振动台试验，积累了大量试验参数，证明了背栓点连接花岗石幕墙有很高的可靠性，同时找出了局部构造改进的方向。下面进行详细讨论：

1.背栓拉伸试验。从调查资料看出，背栓的材质与A₂-70不锈钢螺栓相近，其极限抗拉强度接近700N/mm²，非比例伸长应力大于480N/mm²，一颗φ12mm（φ8mm、φ6mm）背栓应力截面积为84.3mm² (36.6mm²、20.1mm²)，其极限拉伸强度为59KN(25.6KN、14KN)是背栓锚固石材拉拔力的2.5倍~10倍,也就是说背栓锚固石材只会是石材冲切破坏，因此只要选对背栓的钢号就行了。

背栓伸拉试验对试验结果进行数理统计后，应按GB50068第5.0.3条规定取f_k=μ_f-1.645σ_f ，背栓抗拉强度设计值按GB50017可取为f_t^b=f_u^b/2.174，抗剪强度设计值f_v^b=f_u^b/2.857。

现在有的厂商提供的参数，取f_k=u_f-2.57σ_f.及抗拉材料分项系数1.8,和抗剪材料分项系数3.2和GB50068和GB50017不一致,GB50068第1.0.3条规定：“制定结构荷载规范以及钢结构设计规范-----等设计规范应遵守本规范的规定”。我个人意见还是按GB50068执行。

2.锚固件抗拉拔承载能力试验，

从试验情况看背栓与石材的锚固处全部是石材冲切破坏，破坏状态为石材锥度破坏，影响破坏的因素有背栓直径，背栓锚深，石材本身强度，其中锚深影响最直接，而且当锚深等于小于12mm时，承载能力破坏的离散性较大，经回归统计，抗拉拔承载能力按锚深的指数1.5增长，基材强度对抗拉拔承载能力按指数0.5增长，6mm背栓连接抗拉拔承载能力为4.5KN~8KN，φ8mm背栓抗拉拔承载能力为5KN~10KN，φ12mm背栓抗拉拔承载能力为6KN~12KN。

上述为承载能力标准值，即将拉拔试验结果进行数理统计，将平均值减去1.645倍标准差，前述锚深≤12mm离散性较大，其标准差也大，按f_K=μ_f-1.645σ_f计算已考虑了离散性，不必再用系数折减。其设计值f_TV=f_K/2.143/2。.对只进行了石材抗压（抗弯）试验的工程可用应力法计算抗剪强度：

τ=P/[π*h/cosα*(D+h*tanα)]≤f_T

3、锚固件锚固的长期静载试验

锚固件长期静载试验，测试背栓锚固不同强度的基材在长期静载下的位移松动及徐变性能，设计试验时间为一年（8500H），试验分长期荷载抗剪试验和抗拔试验，抗剪试验是指背栓在承受荷载抗剪作用下经8500H后，对受拉试件做极限拉拔力试验与未经长期荷载试验的试件作对比，试验结果说明抗剪性能良好，除加载初期观察到较小因装配间隙位移（≤0.3mm）外未见其他破坏，在长期抗拉拔试验中未见破坏和明显位移。

说明背栓与石材的连接即使在长期外荷载下作用也有很大的可靠性。

4、锚固件锚固的荷载疲劳试验，即反复荷载的疲劳试验。

在正压300万次+负压300万次往复动力载荷耐疲劳度试验中，对带尼龙塑料套垫的背栓在栓与孔之间起到三向隔震减震效应，在冲击作用下起到缓冲作用，使背栓锚固连接部位在数百万次强劲往复动力荷载耐疲劳试验中未见损坏和明显位移，而单切面背栓由于背栓本身活动，在往复动力的压、拉作用下，最差的在126次负压破坏，因此可以看出背栓最好要带尼龙套垫，并采用双切面即背栓与石材要首先紧固。

5、抗震试验

华南城建学院抗震中心、中国建筑科学研究院、中国水科科学研究院进行多次石材幕墙抗震性能振动台试验。试验结果表明在地震加速度0.6g以下（相当于烈度9.7度）时一切正常，华南城建学院抗震中心试验中发现在0.6g时背栓有松动迹象，0.8g时（相当于烈度10度）幕墙挂勾有脱出横梁的可能，经分析是主要是栓孔未按公差要求加工，采用单切面无尼龙套垫的背栓，幕墙组件的挂勾与横梁搭接量小于6mm。其他试验采用了带尼龙套垫的双切面背栓，幕墙单元组件挂勾与横梁搭接高度大于10mm，即使在0.9g（相当于烈度10.2度）、层间变位达到1/54时，背栓点连接花岗石幕墙仍完好无损，而且经过抗震试验的试件背栓与石材锚固处的石材抗拉拔能力与未经抗震试验的试件几乎没有区别。

从以上试验可以看出，背栓式点连接花岗石幕墙在规范规定的使用范围（6—8度区）时，可以采用无尼龙塑料套垫的单切面背栓，当用于9度区及9度以上烈度区时，应采用带尼龙塑料套垫的双切面背栓。幕墙组件挂勾与横梁的搭接高度应不少于10mm。

二、设计与计算

1. 构造设计

首先要树立一个概念：背栓是一个紧固件，它把石材和石材幕墙组件中的连接件联结在一起，它属

于可以自由拆卸的紧固件，连接件可按需要即按照每幅幕墙中与石材幕墙相组合的玻璃（金属）幕墙的构造相匹配的构造要求来设计连接件。例如和外插式隐框幕墙（小单元幕墙）相组合时可采用与外插式相匹配的连接件，用背栓将石材固定在外插式付框上。

石材与连接件的连接，视石板材尺寸和构造要求可采用一个背栓、两个背栓、四个背栓等。

当采用一个背栓时，孔一般应位于板中心，孔中到板边距离不大于300mm，板与连接件还应采用4个尼龙螺栓顶住板内侧，保持板的稳定。

当采用二个背栓时，孔中到板顶边距离不大于400mm，至侧边不大于300mm，在背栓两侧用尼龙螺栓顶住板内侧，保持板的稳定。

当采用四个螺栓时，孔中到板边距离不大于250mm。

背栓及孔的构造要求如下表：

表1

背栓与石材锚固部位的施工质量的重要一环是极限（公差）配合的确定和检验，要求孔位偏差

±0.5mm，孔距偏差±0.5mm，孔距与孔位偏差之和不得大于±1.0mm，孔径(φ6~8mm)+0.4mm、-0.2mm，

孔深+0.4mm、-0.1mm，底部扩孔直径±0.3mm。

2.设计计算

1. 一块板用一个背栓

P=qA

σ=（P/t²）*[0.5456L_n(0.64L/t)+1.062]≤f_T 或 σ=（P/t²）*[1.2563l_g(0.64L/t)+1.062]≤f_T

u=C×(P×L²/E×t³)

表2

τ=P/[π*h/cosα*(D+h*tanα)]

式中: L——L_X、 L_y 中较小者（mm）； t —— 板厚（mm）；

D——锚孔直径（mm）； h——锚孔深度（mm）。

1. 一块板用两个背栓锚固，可简化为两端带悬臂的简支板计算

M_A=M_B= －qa²/2

R=qL/2

M_φ=qL²/8×[1－4×（a/L）²]

u_C=u_D=qaL²/24EI[－1+6（a/L）²+3（a/L）³]

u_φ=qL⁴/384EI[5-24（a/L）²]

τ=R/[π*h/cosα*（D+h*tanα）]

1. 一块板用四个背栓锚固，按四角支承板计算

σ=6mqL²/t²

式中： L——L_X、L_y中较大；

m——弯距系数。

τ=（qa/4*1.25）/[π*h/cosα*(D+h*tanα)]

表3 弯距系数表

表4 天然花岗石板强度分级表 N ∕mm² t

例1． MU110级(抗弯强度标准值8N/mm²)花岗石500mm*500*30mm，用背栓11*15M6一个，验算花岗石抗弯强度、抗剪强度。

W_K=4000N/m², q_EK=336N/m², 。

解：风荷载设计值 W=1.4W_K=1.4*4000=5600N/m²

地震（作用）设计值 q_E=1.3q_EK =1.3*336=437N/mm²

荷载（作用）组合设计值 q=1.0 W+ 0.6 q_E =1.0*5600+0.6*437=5862N/mm²

背栓处集中力 P=abq=0.5*0.5*5862=1466N

石板抗弯截面最大设计正应力值

σ=（P/t²）*[0.5456L_n(0.64L/t)+1.062]

=（1466/30²）*[0.5456l_n(0.64*500/30)+1.062]=3.83N/mm²>3.7N/mm²

或 σ= （P/t²）*[1.2563l_g(0.64L/t)+1.062]

=（1466/30²）*[1.2563l_g(0.64*500/30)+1.062]=3.83N/mm²>3.7N/mm²

需改用MU130级(抗弯强度标准值9N/mm²)花岗石f_T=4.2N/mm²

石板抗剪截面最大设计剪应力值

τ=P/[π*h/cos25⁰*(D+h*tan25⁰)]=1466/[15/cos25⁰*3.14159*(13.5+15*tan25⁰)]=1.38N/mm²<1.9N/mm²

例2．上例条件1000mm*1000*30mm花岗石，背栓11*15M6四个，验算花岗石抗弯强度、抗剪强度。

解： 板长宽比 L_X/L_Y=0.7/0.7=1 查弯距系数 m_OY=0.1559

石板抗弯截面最大设计正应力值

σ=6mqL_Y ²=6*0.1559*5.862*10^-3*700²/30²=2.98N/mm²<3.7N/mm²

石板抗剪截面最大设计剪应力值

τ=qa/4*1.25/[π*h/cosα*(D+h*tanα)]

=(5862/4) *1.25/[(15/cos25⁰*3.14159*(13.5+15*tan25^o)] =1.72N/mm²<1.9N/mm²

例3．用MU130级(抗弯标准强度9N/mm²的花岗石)

300mm*2050mm*30mm,两个13*15M8背栓各距板端400mm,

W_K=3500N/mm²，验算花岗石抗弯强度、抗剪强度。

解：石板自重标准值 G_K=28000*0.03=840N/m²

地震作用标准值 q_EK=βeα_maxG_K=5*0.08*840=336N/m²

面荷载（作用）组合设计值

q_面=1.4W+0.78 q_EK =1.4*3500+0.78*336=5162N/m²

线荷载（作用）组合设计值 q_线=b q_面=0.3*5162=1549N/m²

背栓处支座反力 R₁=R₂= q_线L/2=1549*2.05/2=1588N

弯矩 M=qL²/8{1-4(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

石板抗弯截面最大设计正应力值

σ=M/W=178619/45000=3.97N/mm²<4.2N/mm²

石板抗剪截面最大设计剪应力值

τ=R/[π*h/cosα*（D+h*tanα）]=1585/[15/cos25⁰*3.14159*(15.5+15/tan25^o)]

=1.37N/mm²<2.1N/mm²

三．背栓点连接花岗石幕墙用于复什部位连接设计

下图为有五个凸角，三个凹角组成的装饰线，用背栓将石材紧固在五个连接件上顺利完成了装饰要求，这对钢销、钢勾是无法完成的。

四．雨幕原理（The Rain Screen Principle）和石材幕墙防水构造设计

雨幕原理是一个设计原理，它指出雨水对这一层“幕”的渗透将如何被阻止的原理，在这一原理应用中其主要因素为在接缝部位内部设有空腔，其外表面的内侧的压力在所有部位上一直要保持和室外气压相等，以使外表面两侧处于等压状态，其中提到的外表面即“雨幕”。压力平衡的取得是有意使开口处于敞开状态，使空腔与室外空气流通，以达到压力平衡。这个效应是由外壁后面留有空腔所形成，此空腔必须和室外联通才能达到上述目的，由于风的随机性造成的阵风波动亦需在外壁两侧加以平衡。

大家知道，幕墙发生渗漏要具备三个要素：

A．幕墙面上要有缝隙；

B．缝隙周围要有水；

C．有使水通过缝隙进入幕墙内部的作用。

这三个要素中如果缺少一项渗漏就不会发生（如果将这三个要素的效应减少到最低程度，则渗漏可降低到最小程度）。在外壁水和缝隙是无法消除的，只有在作用上下功夫，通过消除作用来使水不通过外壁缝隙进入等压腔。在内壁，缝隙和作用（特别是压差）不能消除，要达到内壁不渗漏，则要使水淋不到内壁，这正好由外壁（雨幕）发挥的效应来达到，外壁内、外侧等压，水进不了等压腔，就没有水淋到内壁，内壁缝隙周围没有水，内壁就不会发生渗漏，这样单元式幕墙对插部位就不会有水渗入室内了。这个设计的核心原理就是外壁（雨幕）内、外侧等压，使雨水进不了等压腔，达到内壁缝隙周围无水，即在内壁消除渗漏三要素中水的因素来达到整体单元式幕墙接缝体系不渗漏。但是，要达到完全等压是困难的，甚至在某些情况下是做不到的，这是由于外壁上的压力是由风引起的，这种由风引起的压力在时间上和空间上都是动态变化的。由阵风所形成的风压变化，使外壁两侧的压力随之变化。在阵风波动的瞬间，外壁内外两侧压力是不等的（即等压腔内压力与室外压力不相等），要通过空气流通来平衡，在空气流通时就有可能将水带入等压腔。风压在幕墙外表的分布也是不平衡的，风压随高度增加，有时幕墙外表面也有局部（边角、顶部）呈负风压状态，当两个开口处风压不等或一处为正风压另一处为负风压时，等压腔内压力约为两个开口处风压（负风压）的平均值，雨水总是沿着压力降方向渗入，外侧压力大于等压腔压力的开口处就会有雨水渗入等压腔，因此应该考虑雨幕层（外壁）必然有少数偶然渗漏的可能，这样就要使已渗入等压腔的水即时排出至室外。这样单元式幕墙接缝处防水构造要使外壁具有防止大量雨水渗入的能力，对少量渗入等压腔的雨水能即时排出，使水淋不到内壁，在内壁消除渗漏三要素中水的因素，从而达到雨水不渗漏到室内的目的。还必须指出这仅是理论上阐述的原理，实际工程中要完全消灭渗漏三要素中任何一项是不容易做到的，但不是说我们就无能为力了，虽然不能到达完全消灭渗漏三要素中任何一项的目的，但可采取措施使渗漏三要素每一项减少到最最低程度。这样在学习国外经验，总结本国经验基础上，对单元式幕墙对插接缝处防水构造设计已有一套较成熟技术方案，即在横（竖）向接缝的外侧设置雨披，仅在两单元组件连接处留一个小开口，使等压腔与室外空气流通，以维持压力平衡，这样形成一个自上而下、自左到右一个连续的外壁（雨幕），雨披沿接缝全长阻止大量雨水渗入幕墙内部，仅开口处有少量雨水渗入，用封口板（集水槽）将沿竖框空腔下落的水分层集水并即时排至室外面板表面下泄，且排水孔远离接缝，减少缝隙周围水的聚集。封口板又将杆件空腔分隔成较短的分隔单元，减少等压腔与室外压力差，从而减少通过开口渗入等压腔的雨水。增设外封口板，将沿板材（付框）构造厚度处竖向空腔（这个腔位于披水内侧与杆件组成的空腔外壁之间）分层分隔，使沿这个空腔下落的水分层排至室外，避免水沿全高下落愈往下水层愈厚的情况发生，减少这些水渗入等压腔的可能，同时外封口板将每层竖向接缝的开口遮挡成为向下的开口构造，使水由于重力而下落无法长驱直入等压腔，而且保持空气流通，达到水不会由于重力作用或气流渗入等压腔的目的。采用这些构造的单元式幕墙经数次检测，其水密性均在2500Pa以上，即在室内外压差超过2500Pa时不发生严重渗漏，气密性达到〈0.05m³/m.h。

JGJ102新稿指出：明框幕墙玻璃与镶嵌槽接缝部位和单元式幕墙组合杆的对插接缝部位宜按雨幕原理进行压力平衡构造设计。美国建筑铝制品协会出版的《铝幕墙设计指导手册》指出：“这样室外和建筑物内部空气压力差的产生部位，不是在外壁表面，而是在内侧空气隔墙部位。因此，这道空气隔墙绝不能象简单的气密薄膜一样，而是要具有结构作用，以能承受风荷载的形成的压力。”即如果对花岗石幕墙采用开口设计，则内壁要和外壁等强，这样就要花费近似两倍外壁的费用，只有当内壁是剪力墙时可考虑采用，但还必须注意开口构造应采取能防止重力，动能，毛细，表面张力等作用使水进入的构造措施。这样做对无墙壁部份是不经济的。