淺談旋進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構體系與面板組成的建筑外圍結構，根據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。實際應用時，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采用玻璃、金屬、石材等作為幕墻的面板。2012年我國建筑幕墻達到9130萬m2，其中石材幕墻約占30％，約3000萬m2左右。上世紀90年代后期，石材幕墻年平均約50萬m2，15年時間年平均用量增長了近60倍�，F在中國石材幕墻最高度已達到230m；最大風荷載的設計值已達12kPa，單個工程使用石材幕墻用量可達到了10萬m2。

    石材是脆性材料，自重較大，材質變化大，強度分散大， 在石材幕墻快速發(fā)展的同時，對其安全使用自然有種種疑慮，在石材幕墻的實際工程中，也出現了不少令人擔憂的現 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，項目總數96項，兼含石材幕墻20項，有故障及隱患的7項，約占總數量的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)普遍關注的課題。

    石材幕墻工程實踐表明：面板材料安全和連結可靠互為影響、互相依存，面板與支承連結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，集中在干掛連結結構研究和開發(fā)，先后有兩個方面的干掛連結結構件，即石材側面干掛連結結構件和石材背面干掛連結結構件。側面干掛連結結構件有：銷釘掛件、T型掛件、蝴蝶掛件、通槽掛件、L形掛件、復合掛件等。石材側面干掛連結結構件主要是從國外引進的，經過30年的實踐，試驗和施工實踐經驗都表明銷釘掛件、T型掛件、蝴蝶掛件等的可靠性、可拆性較差，通用性不強，市場逐漸縮小。從以上一些照片可看出，側面連結也較背式連接質量問題多，石材的槽壁根部承受彎剪應力，石材面板槽壁板脊根部易發(fā)生剪切彎曲破壞。加之傳統的開槽工藝容易損壞石材，使得側面干掛連結結構法的安全性不高。目前石材幕墻市場不斷擴展，背式連接掛件也不斷改進、完善，先后出現兩種背栓安裝工藝：敲擊式背栓和旋進式背栓。敲擊式背栓的代表是慧魚敲擊式背栓、斯泰敲擊式背栓；旋進式背栓的代表是凱爾旋進式背栓、旗魚旋進式背栓。

    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，通過錨栓凸形結合與框架支撐協調組合而成的干掛石材的新技術、新工藝。背栓式也稱無應力錨固式，采用在專業(yè)設備上由專門與錨栓匹配的金剛石鉆頭拓孔技術，一般對石材不會損傷；錨栓在拓孔部分與錨固技術形成凸形結合，通過嚙合將荷載傳給錨固基底，膨脹環(huán)有三個對稱的接觸點，保證了應力的均勻分部；其壽命提高，造價降低，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，我國在二十世紀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，在139m以下采用了背式點連接花崗石幕墻，復蓋主體結構表面15000 m2，花崗石幕墻(其構造型式為凸梯形與凸矩形組合)展開面積22000 m2，使用了約3萬塊花崗石，6萬個背栓，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，全國還有很多工程采用了背式點連接花崗石幕墻。

    2、背式連接石材幕墻的試驗。

    “實踐是檢驗真理的唯一標準”，在建造這些幕墻時，除進行風壓變形、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行了背式點連接背栓錨固石材的拉拔試驗，背栓拉伸試驗，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，證明了背式點連接背栓點連接花崗石幕墻有很高的可靠性，同時找出了局部構造改進的方向。

    2.1、 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、石材本身強度，其中錨深影響最直接，而且當錨深等于小于 12mm 時，承載能力破壞的離散性較大，經回歸統計，抗拉拔承載能力按錨深的指數 1.5 增長，基材強度對抗拉拔承載能力按指數 0.5 增長，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。背栓用A2-70  不銹鋼制造，一顆φ12mm （φ 8mm 、φ 6mm ）背栓應力截面積為84.3mm2 (36.6mm2 、20.1mm2)，其極限拉伸強度為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。

    2.3、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度的基材在長期靜載下的位移松動及徐變性能，設計試驗時間為一年 （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 8500H 后，對受拉試件做 極限拉拔力試驗與未經長期荷載試驗的試件作對比，試驗結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，在長期抗拉拔試驗中未見破壞和明顯位移。

    2.4、錨固件錨固的荷載疲勞試驗，即反復荷載的疲勞試驗。

    在正壓 300 萬次、負壓 300 萬次往復動力載荷耐疲勞度試驗中，使背栓錨固連接部位在數百萬次強勁往復動力荷載耐疲勞試驗中未見損壞和明顯位移。

    2.5、抗震試驗。 

    華南城建學院抗震中心、中國建筑科學研究院、中國水科科學研究院進行多次石材幕墻抗震性能振動臺試驗。華南城建學院抗震中心1998 年對鋼銷式、通槽式、短槽式、背栓式五種連接方式石材幕墻試驗，試驗結果表明在地震加速度0.6g（相當于烈度 9.6 度）以下時一切正常，在地震加速度0.6g 時，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，背栓有松動跡象，在地震加速度 0.8g 時（相當于烈度 10 度），幕墻一個上部掛勾脫出橫梁（圖 6），經分析是主要是栓孔未達到公差精度要求，幕 墻組件的掛勾與橫梁搭接量小于 3mm。根據試驗中出現的問題，改進掛勾與橫梁搭接設計，即增加兩者搭接量（≥5mm）（圖 6-b），并用硅酮密封膠填縫（使掛勾可在槽內活動），1999 年進行試驗，在地震加速度 0.9 g、位移 1/60 時，幕墻完好無損。2001 年單元式通槽連接石材幕墻試驗結果，在地震加速度 0.8g、位移 1/150 時，幕墻完好無損。中組部 2m×2.7m背栓點連接花崗石幕墻，在地震加速度 1.0g、位移 1/100 時，背栓點連接花崗石幕墻仍完好無損。而且經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抗震試驗的試件幾乎沒有區(qū)別。

    2.6、用背栓點連接花崗石幕墻進行建筑外飾面花崗石施工是建筑外飾面施工技術的突破，使石材幕墻有了廣闊的使用領域，背栓點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計，其他干掛連接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，下面安裝石材幕墻。

    3、背栓石材幕墻需要考慮和改進的問題

    3.1、石材的拓孔工藝的改進

    鉆孔后再擺動擴孔的拓孔工藝，在石材底孔根部造成損傷。易使孔根部產生裂紋或損傷，改進后的打孔方法，是采用特殊工藝加工而成的鉆頭通過改變鉆頭的運動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)內人士對膨脹環(huán)背栓的埋人可靠性產生憂慮，旋進式背栓進行了改進，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

    試驗結果表明：原背栓與改進背栓不同工藝的不同孔深條件下，改進背栓抗拔力高于原背栓抗拔力。通過旋進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用

    應當說明背栓點連接方法和工藝，是德國公司首先在中國推廣應用。在中國率先引入背面連接技術理念。德國公司對中國石材幕墻的發(fā)展作出了貢獻。實踐發(fā)展表明德國慧魚背栓有很多優(yōu)點，但也有值得改進之處，中國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)展了背式連接的長處，不斷改進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。

    4、旋進式背栓性能簡要分析

    4.1、熱脹冷縮及壓脹應力對比分析

    花崗石屬脆性材料，在與不銹鋼硬性擴脹抵觸時，易造成脹應力，至使花崗石直線進裂破壞，或因此留下安全隱患導致石材在溫差、地震時進裂。面對以上問題，旋轉背式連接背栓通過旋轉式安裝的方法并對背栓進行頂進限位設計，背栓套將膨脹到設定大小后，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、受正風壓對比分析

    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，當背栓植入深度較深時，在正風壓的影響下，可能會出現頂裂石材問題。旋轉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壓的影響，從而背栓深度可以加深，大大提高了安全系數�？蛇m用于各種高度，最大風壓地區(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，使背栓系統與石材不能形成整體，在外力作用下而產生扭力與剪力，在此綜合應力下，板材會造成下垂等缺陷，旋轉背式連接背栓由于最大限度克服了間隙與公差，形成了一個整體抗扭抗剪的態(tài)勢，從而有力了解決了這個問題。見圖10所示。

    4.4、錨固件抗拉拔承載力能力試驗及拉伸試驗

    從實驗情況看，旋轉式連接背栓對石材的錨固處產生破壞，破壞狀態(tài)為石材錐度破壞。影響破壞的因素有背栓錨深、石材本身強度、背栓直徑等，其中錨深影響最直接。經統計，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背栓其極限拉伸強度為14kN，而8mm背栓其極限拉伸強度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是石材被沖切破壞。從上面的數據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，在石材沖切破壞時并不起決定性作用。而通常都是因為石材本身的強度不夠而被破壞的。故應在石材選用上多加控制。

    4.5、抗震性能分析

    旋轉式連接背栓具有限位擴張無脹應力、無壓應力，形成了抗震抗風荷載較理想的懸掛小單元。在通過國家工程質量監(jiān)督檢驗中心采用最新規(guī)范抗震實驗時，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、成孔質量的可預見性

    成孔的質量是背栓與板材是否能牢固連接的很關鍵的一環(huán)。所以板材在掛好之前的每一步檢測都非常重要�，F在市場上敲擊式背栓是通過強力敲擊進人板材內部，再通過異形螺桿帶動背栓套的擴張達到固定的效果。故而它對孔尺寸要求不高，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)范設計的錨栓可以消除敲擊式背栓的安全隱患。這種通過獨特的設計不僅避免了應力集中過大，而且它可以在背栓安裝時就能檢測出孔的合格與否并及時糾正，并有良好的可更換性。這是市面上現有的背栓無法做到的。

    5、背面連接石材幕墻設計的建議：

    5.1  在石材背面進行連在時，應按照連接形式合理選用其設計計算方法。宜通過試驗確定其承載力。

    背面連接的石材面板，其跨度可以減小；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口背栓、敲擊式背栓、旋進式背栓、背槽、背卡等多種，受力情 況各不相同，相應采用不同的設計計算方法。背面連接方式的承載力與石材類型及強度。金屬連接付的形式和構造都有密切關系，一做首先通過試驗得到其承載力與各種因素的相關關系，再推導出設計方法。

    5.2、背卡、背槽等連接的槽口內，宜灌注干掛石材幕墻用環(huán)氧粘接劑，其性能應符合《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。 背栓連接用于較軟弱的有孔洞的石材面板時，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、多孔性石材中應用時，為防止連 結處過分薄弱而使背柱失效，宜在孔內注膠。

    5.3、在較軟弱和有孔洞的石板中采用背面連接時，宜采取加貼玻璃纖維布或設置加強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，局部應力也較多集中，為 了防止連接件在失效或石材破裂時墜落，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有足夠承載力，工作性能應可靠。有些工程在石板后面簡單涂刷膠粘利后，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計，開放式板縫應符合下列規(guī)定。

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

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

    5.7、小塊石板采用 1 個或 2 個背栓連接時，應在內側加設尼龍頂緊螺栓。

    5.8、背栓式連接石板抗彎設計應符合以下規(guī)定：

    A）在風荷載、地震作用下，四點支承板最大彎曲應力標準值可按下列公式計算：

    B）由各種荷載和作用在石板中產生的最大彎曲應力標準值應按新規(guī)范規(guī)定組合，其最大彎曲應力設計值不應超過石材抗彎強度設計 值。

    5.9 背栓的承載力設計值取其承載力標準值除以系數 2.15 后采用。

    5.10 背栓在風荷載或地震作用下，其拉力標準值按下列公式計算：

    5.11、背栓拉力標準值應按新規(guī)范規(guī)定進行組合，所得拉力設計值不應大于背栓受拉承載力設計值。

    5.12、背栓抗剪設計應符合以下規(guī)定：

    A）單個背檢剪力設計值可按下式計算：

    B）背面連接的石材面板背栓剪力設計值不應大于背栓抗剪承載力設計值。