浅谈建筑幕墙用石材铝蜂窝板的设计

浅谈建筑幕墙用石材铝蜂窝板的设计

深圳市方大建科集团有限公司李超

摘要：结合建筑幕墙用石材铝蜂窝板自身的特点，计算分析复合板的受力状况，为幕墙设计师设计石材铝蜂窝板提供有力的论证。

关键词：石材铝蜂窝板荷载抗弯强度挠度抗拉强度

0 引言

蜂窝板是由两块表板和充填其中用以保证两块表板砌合在一起共同工作的蜂窝中间层所组成。表板可以选用不同的材料:当两块表板都是铝板或钢板时，称为铝蜂窝板或钢蜂窝板；当其中一块表板为石材、钛合金板、搪瓷板、木材、玻璃钢、塑料时，分别称为石材蜂窝板、钛合金蜂窝板、搪瓷蜂窝板、木材蜂窝板、玻璃钢蜂窝板、塑料蜂窝板等。中间蜂窝层采用铝箔、纸箔和塑料时，分别称之为铝蜂窝、纸峰窝、塑料蜂窝。这里主要针对建筑幕墙用石材铝蜂窝板进行设计分析，石材蜂窝板构造示意图如下：

石材铝蜂窝板构造图1

说明：1—石材；2—与石材面板粘结的蜂窝板面板（铝板、镀铝锌钢板、玻纤板）；3—铝蜂窝芯；4—蜂窝板面板（铝板、镀铝锌钢板、玻纤板）；5—胶粘剂层。

石材铝蜂窝板的优点在这里不再赘述，在外力作用下它的常见破坏模式如下：

1)石材蜂窝板弯曲刚度不够导致总体失稳；

2)蜂窝剪切模量过小，胶黏剂剪切强度过低，产生挠曲引起蜂窝剪切皱折；

3)胶黏剂平面拉伸强度不够而产生表板向外凸出；

4)由于表板太薄，蜂窝孔太大导致蜂窝孔间铝表板失稳（起皱），表板断裂；

5)蜂窝平面压缩强度不够，挠度过大，受力时蜂窝挠曲压塌；

6)表板与蜂窝剥离强度不够导致表板与蜂窝分离；

石材蜂窝板设计的基本要求是能抵制上述各种模式或其组合的破坏，在实际幕墙工程设计和石材蜂窝板开发生产时，应对复合板的抗弯，挠度，及埋在复合板中的背栓抗拉强度进行校核。

现行《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133-2001中并没有给出超薄石材复合板相关的计算方法，计算参考自北京市地方标准《建筑装饰工程石材应用技术规范》DB 11/T512-2007。下面以深圳市某项目16m高处吊顶石材为对象进行验算分析，其节点图如下：

1 荷载计算

1.1 吊顶负风压

标高为16m处立面墙角区风荷载计算(GB50009-2012)

W0:基本风压（按50年一遇）

W0=0.75 kN/m2

βgz: 16m高处阵风系数(按C类区计算)

βgz=1+1.15×(Z/10)-0.22=2.037

μz: 16m高处风压高度变化系数(按C类区计算):

μz=0.544×(Z/10)0.44 (C类区，在10米以下按15米计算)

=0.669

局部体型系数取μsl=2.0 （墙角区）

风荷载标准值:

W k=βgz×μz×μsl×W0……………………(GB50009-2012)

=2.037×0.699×（-2.0）×0.75

=-2.136kN/m2

1.2 自重荷载标准值计算

本石材系统面板采用30mm厚超薄石材复合板，超薄石材复合板自重荷载标准值为：

G k=0.1344kN/m2;

2 超薄石材复合板的选用与校核

基本参数：

1：计算点标高：16m

2：板块净尺寸(短边×长边)：a×b=830mm×1000mm；

3、背栓孔到短边端面的垂直距离a1=150mm；背栓孔到长边端面的垂直距离b1=150mm；

4、超薄石材复合板配置：总厚度δ=30mm，其中石板厚10mm，蜂窝板厚20mm，四或六个背栓；

5：模型简图2为

背栓连接板块模型简图2

2.1 超薄石材复合板板块荷载计算

(1)垂直于幕墙平面的分布水平地震作用标准值：深圳市设计基本地震加速度为0.10g，抗震设防烈度为7度。本工程为标准设防类建筑，按7度进行设计;

q EAk：垂直于幕墙平面的分布水平地震作用标准值(MPa)；

βE：动力放大系数，取5.0；

αmax：水平地震影响系数最大值，取0.08；

G k：超薄石材复合板板块的重力荷载标准值(N)0.1344KN；

A：幕墙平面面积(mm2)；

q EAk=βEαmax G k/A ............................................5.3.4[JGJ102-2003] =5×0.08×0.1344

=0.000064MP a

(2)超薄石材复合板板块荷载集度设计值组合：

采用S w+0.5S E设计值组合：

q=1.4W k+0.5×1.3q EAk

=1.4×2.136x10-3+0.5×1.3×0.000064

=0.003032MPa

(3)超薄石材复合板板块荷载集度标准值组合：

采用S w+0.5S E标准值组合： q k=W k+0.5×q EAk

=2.136x10-3+0.5×0.000064

=0.002168MPa

2.2超薄石材复合板整体板面的抗弯设计

(1)计算边长的计算： b0：支撑点间板块长边边长(mm)；

a0：支撑点间板块短边边长(mm)；

a：板块短边边长(mm)；

b：板块长边边长(mm)；

a1：背栓孔到短边端面的垂直距离(mm)；

b1：背栓孔到长边端面的垂直距离(mm)；

a-2a1=530mm≤b-2b1=700mm

所以：a0=a-2a1=530mm；b0=b-2b1=700mm；

(2)整体板面材料的抗弯校核计算：

校核依据：σ=6mqb02/t2…………………………………4.4.10-1[DB 11/T512-2007]

σ≤f sc=3.72MPa

σ：超薄石材复合板中产生的弯曲应力设计值(MPa)；

f sc：超薄石材复合板的抗弯强度设计值(MPa)；

m：超薄石材复合板最大弯矩系数，按支撑点间板块短边边长与长边边长的比0.7571，查表4.4.10-1[DB 11/T512-2007]得：0.1398；

q：超薄石材复合板板块水平荷载集度设计值组合(MPa)；

b0：支撑点间板块长边边长(mm)；

t：超薄石材复合板厚度：30mm；

在按上面公式计算超薄石材复合板的时候，要考虑大挠度变形对起弯曲应力的影响，对公式4.4.10-1[DB 11/T512-2007] 计算的应力应该进行折减，折减系数按表 4.4.10-2[DB 11/T512-2007]采用；

在表4.4.10-2[DB 11/T512-2007]中：θ=q k a4/Et4

θ：计算参数；

q k：超薄石材复合板板块荷载集度标准值组合(MPa)；

a：无肋时，取超薄石材复合板板块短边边长(mm)；有肋时，取肋区格内短边边长(mm)；E：超薄石材复合板近似弹性模量(MPa)；

t：超薄石材复合板厚度：30mm；

θ=q k a4/Et4

=0.002168×8304/3000/304

=0.4234

查表4.4.10-2[DB 11/T512-2007]，得η=0.4

σ=6mqb02η/t2

=6×0.1398×0.003032×7002×0.4/302

=0.5539MPa 0.5539MPa≤3.72MPa

超薄石材复合板强度能满足要求。

2.3 超薄石材复合板面材与基材的抗弯设计

校核依据：σ面=D1/D0×σ.......................4.4.10-3[DB 11/T512-2007] σ基=D2/D0×σ………………..4.4.10-4[DB 11/T512-2007]

上面两个公式中：σ：水平荷载作用下板块最大弯曲应力设计值(N)；

σ面：水平荷载作用下板块面材最大弯曲应力设计值(N)；

σ基：水平荷载作用下板块基材最大弯曲应力设计值(N)；