面板背部连接的石材幕墙设计

　　摘　要：目前，背栓式连接石材幕墙已在国内广泛应用，背卡、背槽连接石材幕墙已有许多工程实例，本文对其设计方法和构造要求提出建议，以提高背部连接石材幕墙的安全性和使用质量
　　关键词：背部连接面板 石材幕墙 幕墙设计
　　1 概述
　　1.1 面板背部连接的石材幕墙
面板背部连接的石材幕墙已在我国幕墙工程中广泛应用，其中历史最长、应用最普遍的是背栓式连接面板（图1），近年来我国自行开发的面板背部连接技术如背卡、背槽也正在推广（图2~图4）。石材面板采用背部连接方式的优点是：
（1）背部连接可以减小石材面板的支承间距，从而减小石板承受的弯曲应力，减薄板的厚度。
（2）连接可靠，对石板的削弱较小。这就减少了连接部位石材局部破坏的可能性，使石材面板有较高的抗震能力。
现行《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133-2001中未对背部连接的石材幕墙作出规定，本文根据国内工程经验，对其设计提出一些建议。
　　1.2 面板背部连接石材幕墙的抗震性能
　　中国建筑科学研究院分别进行了背栓、背卡、背槽连接的石材幕墙的振动台试验。结果表明：这些连接方式均通过了8度设防的抗震试验要求。
　　抗震试验在6自由度大型三向振动台进行，台面尺寸为5m×5m，幕墙的支承钢框架尺寸为3m×3m×5m（高），输入地震波为人工波和美国El-Centro地震波，台面输入加速度Amax由0.07g开始逐级加大到0.8g以上。一般而言，相当于中震设防烈度，7度时Amax为0.1g，8度时为0.2g，9度时为0.4g，10度时为0.8g。
　　1. 背栓连接试验
　　（1）试验一
　　石材为山东樱花红，抗弯强度为10.8N/mm2，板厚18mm~32mm不等。采用慧鱼FZP不锈钢M6和M8背栓。一直试验到Amax为0.9g，最大顶点相对位移到1/54，幕墙及连结件完好无损。
　　（2）试验二
　　石材为广东西丽红，抗弯强度为8.4N/mm2，板厚18mm~35mm不等，采用斯泰STAN不锈钢M6背栓。一直试验到Amax为0.97g，层间变位达1/55，幕墙及连接件完好无损坏。
　　2. 背卡连接试验
　　石材为山东崂山红，厚度分别为20mm,25mm,30mm，采用厚度为0.5mm的不锈钢背卡连接。试验时台面输入加速度Amax最大达0.9g。幕墙平面外最大相对位移达1/36，平面内最大相对位移1/80。幕墙及连接件无损坏。
　　3. 背槽连接试验
　　石材种类为：25mm,30mm厚花岗岩板；15mm,20mm花岗岩板加1.6mm厚纤维增强复合层共四种类型，采用埋入槽内的铝合金可调连接件。板后开槽，槽深取决于板厚，分别为10~12mm（花岗岩板）和6~8mm（复合板）。
试验输入最大加速度Amax达0.949g（x向）和0.872g（y向），最大层间位移角达1/52，连接件及幕墙无损坏。
　　2 一般要求
　　2.1 石材面板
　　1. 石材种类
　　背部连接方式可应用于岩浆岩（花岗岩、玄武岩等），也可用于沉积岩（砂岩、石灰岩等）和变质岩（大理岩、片麻岩等）。背卡连接和背槽连接的连接面较大，对多孔岩石的孔洞缺陷不很敏感，软弱多孔石材也可以适用；采用背栓连接时，如果栓位遇到孔洞，宜采取注胶等加强措施。
　　2. 石材的性能要求
　　用于背面连接的石材，材性应符合表1的要求。
表1 石材的物理力学性能要求

　　3. 石材面板的厚度
石材面板的厚度宜符合表2的要求。

当带有可受力的、较厚的纤维复合层时，石材面板的厚度限值可以适当减小。

　　4. 防止破碎坠落的措施
　　石材面板可在背面粘结玻璃纤维织物或采用增强胶层等措施来防止石材破碎后坠落，提高其安全性。当采用非注胶板缝或石材软弱、带有孔洞时，宜采用这项措施。
　　5. 表面防水处理
　　岩浆岩石材面板宜进行表面防水处理，其它石材面板应进行表面防水处理。应先进行钻孔、开缝、开槽，清水冲净，待石材干燥后，方可进行防水处理。
防水剂宜采用透气性有机硅或有机氟涂料。涂装后不应改变石材的颜色和光泽。防水剂至少应有5年的使用寿命，并且应可以再次涂刷。
　　2.2 连接件
　　1. 背栓连接

　　2. 背卡连接
　　背卡由高弹性不锈钢片冷弯成蝴蝶形断面（图3），长度为50mm，钢片厚度不小于0.5mm。背卡的前爪片嵌入石板背面的水平开缝中，后侧嵌入铝横梁的凹槽中。
　　3. 背槽连接
　　背槽截面为空心梯形，外露边宽24mm，入槽边宽31mm，高18mm，长50mm，材质为6063铝合金；C形挂件厚3mm，材质也为6063铝合金。连结螺栓直径8mm，采用304或316不锈钢。
　　2.3 灌缝胶
　　背卡的窄缝和背槽宜先灌胶，再植入连接件。灌缝宜采用干挂石材幕墙用环氧胶粘剂，胶粘剂应符合标准《干挂石材幕墙用环氧胶粘剂》JC887的规定。
　　背栓连结用于软弱和多孔石材面板时，宜在钻孔内注胶。


　3 面板设计
　　3.1 一般原则
　　面板主要承受风力和地震力，石材面板可视为多点支承受弯板，连接件则承受拉力或压力。在自重作用下，连接件受弯和受剪。因此，应根据其连接方式合理选择设计计算方法，并宜通过试验确认其承载力。
烧毛板，天然粗糙表面等厚度较均匀的石材面板，其计算厚度宜按实际厚度扣减3mm采用。厚度变化很大的石材面板，其计算厚度宜取计算截面的最小厚度。
　　3.2 面板的受弯计算
　　1. 支承点位于面板的对边上时
　　当背槽、背卡连接的合力中心接近于板的边缘时，可以认为是支承点
　　位于板的一组对边。此时可按四角支承板进行计算，最大弯曲应力的标准值为：
2. 支承点位于板的中部，四周有悬挑时
　　背栓支承或背槽、背卡支承点离开板的边缘时，支承点位于面板中部，四周有悬挑部分（图5），其弯曲应力可按下式计算：
3.3 连接件设计
　　1. 连接件的承载力设计值
　　连接件（背栓、背槽、背卡）承载力的总安全系数K不应小于3.0。所以其承载力设计值可取其承载力标准值除以系数2.15后取用。
当承载力试验值的数量足够多时，承载力标准值按其试验平均值减去1.645倍标准差后取用；当试件数量较少时，承载力标准值可取其最小的试验值。
　　2. 受拉和受压计算
　　在风力和地震力作用下，连接件的拉力或压力可按下式计算：
4. 板缝设计
　　4.1 设计原则
　　背部连接的石材面板之间，应留出板缝。当主体结构、支承结构由于水平侧移、温度变化使面板产生相对移动和面板自身的温度膨胀时，开放式板缝两侧的面板不应相碰；注胶式板缝中，密封材料的拉压变形不应超出其耐受能力。
　　板缝的宽度不宜小于8mm。

　　4.2 注胶式板缝
　　1. 概述
　　注胶式板缝是最普遍采用的板缝形式，其气密性能和水密性能比较可靠，承建商也熟悉，施工质量有保证，一般工程可以采用注胶式板缝。
　　2. 设计要点
　　（1）板缝底部宜用泡沫条充填。宜采用硅酮耐候密封胶嵌缝，硅酮胶缝厚度不宜小于3.5mm，宽度不宜小于厚度的2倍。不应采用三面粘结的胶缝；
　（2）石材胶缝应采用无污染、无渗油的石材专用密封胶。选用前宜进行污染性试验，确认无渗油现象；
　（3）注胶式板缝也可以采用聚胺酯密封胶嵌缝，聚胺酯胶缝厚度宜为缝宽的0.5~1.0倍，且不宜小于5mm；
　（4）建筑设计有需要时也可以采用深胶缝。深胶缝表面与石材表面的距离可以大于5mm.
　　3. 石材专用密封胶
　　石材专用密封胶除符合一般硅酮建筑密封胶的性能要求外，还要求对石材不产生污染。石材专用密封胶的部份牌号为：
　　广州白云：SS602、SS602B；
　　杭州之江：JS888；
　　郑州中原：MF889A。
　　4.3 开放式板缝
　　1. 概述
　　开放式板缝不作密封处理，防水层移至板后的空间，放在保温层的前面。
　　因此，会有少量雨水渗入板的背部空间，要采取多项措施来消除其影响。
由于有潮气进入，其背面的钢结构要采取更有效的防腐措施。开放式板缝无耐候胶四边粘结，所以石材面板宜考虑防止破碎后坠落的措施。
　　2. 设计要点
　　（1）背部空间应防止积水，要采取措施顺畅排水；
　　（2）背面的保温材料应有防水措施，可采用镀锌钢板、铝板作为防水衬板；
　　（3）背部空间应保持通风，使潮湿水汽可以顺畅排出；
　　（4）支承结构和连接件应采取更有效的防腐措施；
　　（5）石材面板宜在背面粘贴玻璃纤维织物或涂布加强粘胶层，防止面板破碎后坠落；
　　（6）石板宜进行六面防水处理；
　　（7）防水衬板及其支承框架应能承受作用在它上面的风荷载，必要时进行承载力计算。

目前，面板背部连接的石材幕墙已积累了较多的工程经验，其设计与施工技术已日渐成熟。正在修订的《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133即将增补相关的条文，这将为幕墙厂商应用这种幕墙提供更多的技术依据。