石材干挂幕墙工艺之背栓优点

石材干挂幕墙工艺之背栓优点
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石材干挂幕墙工艺技术对比
广州 张力平
干挂石材幕墙的方法有多种，那么什么方法是比较安全呢？这是需要从石材的整体受力状态、支撑点的局部受力状态、抗地震能力和包括消除石材厚度差的安装工艺性等四个基本方面去分析。以下是用三种不同的干挂方法进行分析对比：
其疲劳强度更需要认真考虑。因为背槽件与石材是用胶粘结固定的，胶会随着时间的流逝而粘结力下降(石材幕墙不允许胶接受力)。
3、边槽式。目前的边槽式多为在石材边上开条通槽或半圆槽，用T型板扣住槽边。这种安装方式在石材安装时就形成了层层受压，石材成了墙体，幕墙越高压力越大，其T型板处的弯曲应力也越大，致使工程存在安全隐患和出事。因此这种方法改进，目前修订版的JGJ133就规范了该层层受力问题。
２、 背槽式。由于该工艺主要靠胶来承载扭应力和剪应力，而石材幕墙由于胶粘技术问题而被删，因此无法确定其安全可靠性
３、 边槽式。T型槽式是通过上下半圆槽的石材，通过槽内注胶来固定。这种方式由于上下石材无法通过位移通在震动较大时容易发生四边的勾板与石材、石材与石材之间的挤压破坏，防震性能差。
2、背槽式。背槽式需要从边上开一条槽进去，由于开槽会产生槽的底部与端部应力集中，而且槽开的越长应力集中越明显，从试验来分析其安全性大大低于所有的干挂工艺，其主要受力依靠环氧树脂，由于JGJ133在修订中删除了粘贴法，是因为幕墙受外界恶劣环境和胶粘寿命的安全问题，而槽切应力问题将造成石材在切槽处承受应力破坏，从按背栓定位点进行试验中发现一块1000mm*600mm*30mm的石材，取切割深度为10mm，槽切长度120mm(1/5)，上下边距为200mm(1/5)，其抗弯强度相当于18mm的石材板厚。由于该工艺有人也称为背栓，从安全性考虑必须把它区分开，作为引导性还是在JGJ133《石材与金属板幕墙工程技术规程》修订、《石材与人造板幕墙用后切式背栓》、《人造板材幕墙工程技术规程》中放进去了，但对它进行制约。其一、为解决应力影响，总板厚计算应扣除切槽厚度。其二、按四边支撑计算(按开槽式计算，可见赵西安文章)。广州白云国际会展中心10多万平方幕墙，进行了背槽与背栓对比测试---双切面背栓远远胜出，被专家确定采用双切面抗震型背栓(100万棵背栓)。
（2）抗疲劳能力。抗疲劳强度至关重要。因为长期作用于外墙的石材幕墙其主要破坏于风荷载、静荷载、动荷载，而我国是多地震多台风国家，对于长期疲劳的变化造成石材承受的正压负压不断地变化循环，石材承受的实际上是静、动载荷。从试验与原理而言，不同材料的连接，抗疲劳强度最好的方法之一是采用有柔性连接的双切面抗震型锚栓连接，最差的方法之一是用胶粘接(该工艺已被否定用于幕墙)。
3、边槽式。边槽式是通过四边或二边上开槽来支撑，由于该工艺存在着层层受力和抗弯强度差，所以在JGJ133在修订和《人造板材幕墙工程技术规程》中，对它进行了规定,使其成为单块受力,而且对其厚度作出了要求,使其造价上升和安装难度增加。
二、 支撑点的局部受力状态
支撑点的受力状态从两方面分析：
（1）最大支撑反力——石材整体受的力折算到支撑点的最大反作用力。支撑点的承载能力是否满足使用条件，双切面背栓由于采用有限元原理选择了最佳着力点，为板材1/5处,通过四点、二点、三点支撑连接，由于双切面技术通过切除板背栓公差,使得石材在承受正压时以背部支撑点整体受力，因此只需考虑负风压的承载力，而负压受锚固深度和倒椎体影响，通常破坏为135°的椎体破坏，故可用抗拉拔试验方法确定其承载力。由于四点支撑通过有限元力的均分，使板材通过该支撑点得到反力作用，故形成小于一般边距受力的数倍，使得较薄的板也可用于沿海超高层使用，从而在JGJ133修改中对该技术不限于厚度。
一、 石材的整体受力状态
幕墙干挂的石材要承受风载荷和地震载荷，这两种载荷都是均布载荷，好的干挂方法就是能够根据石材工作中的受力特点，给石材选择最佳受力支撑点，使整块石材最大受力处所承受的弯矩相对最小，从而能用最薄的石材，因而具有最佳的经济性和最好的安全性。
1、双切面抗震型背栓式。双切面抗震型背栓式方法可通过有限元(1/5左右)选择支撑点，也可在设计许可范围内任意选择支撑点。而该支撑点在双切面技术把背部剩余公差切除的紧靠受力,通过无应力柔性连接和不损伤板材强度的内大外小圆孔受力的作用下，使得该技术从建筑力学中的材料力学原理分析为脆性板材连接的最佳方案，使得石材承受均布载荷的最大弯矩值最小，材料所需的抗弯模量最小，因此能选用最薄的石材。而且被专家定为可在任何建筑物、任何高度、任何部位、任何形式、任何地震台风地区使用。并被大量使石材、瓷板、陶板、玻璃、微晶玻璃、千思板等幕墙。
1、背栓式。双切面背栓由于采用圆体紧靠点支撑，在通过底部空隙技术后，可将背栓植得更深，大大提高负压值，具有最佳的局部承载力。由于该背栓的柔性连接和紧靠的的铰接悬挂结构，解决了单切面背栓、背槽、槽式扭弯矩问题和位移问题。所以说，用双切面背栓支撑，能求出最佳支撑点，最大限度改善石材的受力，使石材承受的弯矩最小，从而能选择最薄的石材。
另外，由于石材为脆性材料,一但背栓式石材遭到破坏，是不会掉下来，因为4个支撑点的背栓分别把4大块石材吊住，而每棵M6背栓的抗剪力就大于400kg的设计值。足以证明该技术的可靠性。
在抗疲劳强度方面，双切面背栓通过缓冲垫把石材与挂件夹紧，通过铰接结构挂在龙骨上，因而具有极佳的抗疲劳能力。按最大风压值一正一负为一次循环，通过三百万次循环试验（可满足100年风荷载疲劳），试件保持完好。双切面抗震型背栓实际应用已达7年(1999-2005)，在深圳、上重要工程近400个实例使用中无一损坏。
对于超出公差范围偏薄的石材，通过许可加个垫片就能做到石材饰面到幕墙龙骨托件的距离一致，可以用于受力较小的部位。因为背栓埋深范围一般为4.5mm~25mm，约占石材厚度的60%~75%。石材偏薄一点对其支撑承载力减弱的百分比较小。这样，在向石材供应商索赔的同时，不影响安装质量和工程进度。
２、 背槽式。是以铝背槽件的底到石材饰面的距离为标准，如果要解决石材的公差问题，该背槽可通过装饰面以埋深的减少和增加，也能做到消除石材公差，但是对于偏薄的石材该背槽件埋进石材背面很浅，胶结力减小而应力就更集中，而过厚则开槽过深则会加重该槽扭剪应力影响和安装困难，由于承压计算安全考虑，一般适用板块较小和较低处使用。
2、背槽式。从表面来看背槽经侧面开槽进入，以板面1/5定位，是很象4点支撑的背栓原理，但只要一经分析和试验，它与背栓是无法相齐并论，该技术由于受切槽影响,从而使板材受到槽底和端口应力影响，造成板材的强度下降，故在扣除其切槽原度的同时，还需套用边槽公式才能满足，还有其抗扭应力主要依赖于胶的安全问题。
背槽式是从背卡原理中演变而成，而是把一只很薄0.6mm的不锈铁，而改进点是达到铝材厚度符合国家规范3mm，不足之处:应力集中、石材需加厚(例火烧板国标28mm+开槽10mm=38mm)、胶粘寿命等。
从力学的角度分析，双切面抗震型背栓式几乎是完美的：能选择最佳受力支撑点，使石材在相同条件下受力最小，支撑点承载力能够发挥石材本身的最大效用，耐疲劳强度优异，抗震能力极强，能使用其它方法不能的最薄的石材，有很高的安全性(寿命大于100年)。
三、抗变形能力
当地震和台风发生时，建筑物会发生变形（层间位移），因此石材幕墙必须考虑抵御变形的能力。也就是说石材幕墙与建筑物的连接要求位移量大于1/180，其单块石材能独立位移，才能避免被挤压破坏，一般地震试验大于1/100。
１、 双切面背栓式。石材通过背栓铰接挂到幕墙龙骨上，石材与固定在建筑物上龙骨的连接是柔性的，能够很有效地避免建筑物层间位移对石材的挤压。再加上石材与背栓、石材与挂件和挂件与龙骨的连接都有缓冲垫，能大大减少震动对脆性石材的冲击，因此被国家定名 “抗震型”。
四、 消除石材厚度差和安装的工艺性
加工石材一般根据国家标准允许有的厚度±公差， 而公差又分光板、毛面板、石材等级。能否消除这个公差的影响，保证石材墙面的平整度，容易安装调整，大量减少安装调整的工作量，是判断石材干挂方法优劣的主要指标之一。
１、 背栓式。可通过高精确拓孔机械以石材装饰面通过双切面拓孔将公差同时切除，使石材背面的切面到装饰面的厚度为一常量。后面连接的缓冲垫和挂件都是用模具生产的，也就是说，石材饰面到幕墙龙骨托件的距离是一固定值，不受石材厚度公差的影响。只要调准龙骨上的托件（定好基准后整个面的托件一起调），一块块挂上去的石材就能保证有很高的平整度，而在窗口、柱、门边只需将边板连在主板可一气完成(边板无需龙骨)。而且在装好后能够方便地再进行单块石材的调整和任意拆装，能够在装好的整幅石幕墙上任意互换石材的安装位置非常方便，由于受压和抗震能力较强，亦适用于超大规格板块使用。
３、 边槽式。不能消除石材的公差，只能在安装时逐块石材调整，然后打胶固定。再加上石材比用背栓式的要厚要重，安装调整的工作量很大，工时成本高。而且装上后就不能再调整和卸下。
综合上述四个方面对比分析可知：
边槽式受结构原理的限制，导致抗位移变形能力差，支撑点局部承载力低，要用很厚的石材，安装费力费时。用这种方法做的幕墙不能用大分格尺寸的石材，其主要原因就是抗弯度和抗变形较差和层层受压，针对这种类型的干挂方式的安全隐患，国家已对JGJ133进行了修改，将T型的双面扣件改为L型单面扣，以每块为一单元扣于龙骨，并且采用高承载力的龙骨改变层层受压。