石材幕墙中面板连接方式研究

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引言

　　建筑幕墙中采用石材幕墙的外立面已越来越普及，石材幕墙干挂技术的发展及规范的逐步完善，以及避免湿贴法存在的缺陷，使得石材幕墙已被越来越多的业主和建筑设计师广泛采用。目前我国通行的幕墙体系均在外部进行安装施工，幕墙可拆卸性设计被忽视，以致幕墙整体完工后进行局部更换变得相当困难，尤其是石材幕墙( 早期常用的几种结构) ，这种现象相当严重，这就要求设计人员应充分考虑石材幕墙的可拆卸性设计，否则石材幕墙的使用和维护费用将增大。因此，一个好的设计节点同时要综合考虑各方面性能。

　　1 石材幕墙面板连接方式

　　1) 钢销式 钢销式连接是 20 世纪 90 年代初期在国内最早广泛采用的一种连接方式，它是在石材板上、下边钻圆孔，插入不锈钢钢销，钢销与不锈钢板焊接，不锈钢板再与横梁连接。一个连接件连接上、下两块石材，使石材板安装、拆卸困难，容易使上面石材自重传递到下面石材上，形成累加，而且钢销与石材之间接触受力集中容易破损，现在已不采用( 见图 1) 。

　　2) 短槽式 在石材板上、下边开有效长度的沟槽，宽板金属挂件连接，与石材接触面积大，受力较钢销式更为均匀。前期使用的 T 形和蝶形不锈钢金属挂件连接上、下两块石材，由于拆卸不便以及加工工艺影响，规范规定已很少使用。L 形金属挂件是一个金属挂件连接一块石材，目前还有使用，弊端是内侧空间有限、不易施工。现在基本是采用结构性铝合金金属挂件配合短槽式施工，如用 S，E组合挂件安装，使用效果较好，如图 2 所示。

　　图 2 短槽式连接

　　Fig. 2 Connection with short slot

　　3) 通槽式 与短槽式相比，通槽式连接是石材上、下边开通长的沟槽，采用通长的连接件与横梁连接固定，受力较短槽式分散，不产生应力集中现象，相应石材沟槽受力较好，安全性能比短槽式要强，但加工不便、运输中易损坏。

　　4) 小单元式 由金属副框、单块石材采用组装式装配结构，通过金属挂钩与骨架连接的可拆卸石材幕墙，石材面板厚度可以减薄，在工厂加工非常快，加快了施工进度，从而缩短工期，结构受力合理，抗震性能好。近期在永丰产业基地工程中采用此种连接形式，单块石材损坏卸下重装不影响相邻其他板块。需采用石材专用结构胶粘接，如图 3所示。

　　5) 背栓式 背栓式石材幕墙源于欧洲，是较为先进的石材连接形式，其特点是对石材锥孔实现无膨胀应力加工，利用不锈钢背栓连接锚固，实现无侧向应力，连接强度好，石材受力好，不用环氧胶粘接。在国防大学综合楼工程中采用此种结构，此种连接方式对石材强度的要求降低 1/3 左右，若采用通常连接方式，石材板面无法满足强度要求，此连接方式可成功解决，故适用于高层和大板块石材幕墙。尾部连接结构采用挂式可实现三维调节，安装方便，石材板块抗变位能力强，满足抗震性能要求，可随时更换破损石材，维修性能好，可实现复杂造型，可均化石材板块的厚度偏差。采用专用设备加工，精度高、速度快，石材安装后不需过多调整，即可实现非常高的板面平整度，外观效果优美，线条平直流畅，如图 4 所示。

　　6) 组合式 短槽式、通槽式、小单元式、背栓式图 3 小单元式连接方式的 2 种及以上组合，常用短槽式和背栓式的组合。

　　石材与金属挂件间粘接固定优先选用干挂石材用环氧胶，不应使用不饱和聚酯类胶; 石材是多孔性材料，与面板接触的密封胶对石材的污染要符合检测要求; 石材幕墙的面板应采用便于各板块独立安装和拆卸的支承固定系统; 横梁和立柱之间应采用有一定相对位移能力的体系。

　　2 石材幕墙面板连接方式受力计算

　　背栓式连接破坏形式为近似呈椎体拔出，其他连接方式破坏是沟槽的侧壁石板崩裂折断，折断壁厚接近板厚的 1/3，单栓受拉受力面积 Ac，n= S2cr． n，而 Scr． n= 3hef，其中 hef是单栓深入石材的深度，一般是石材板厚的 1/2。背栓( 4 个背栓) 连接受力形式如图 5 所示。背栓式连接支承点在板的中部，使跨度大大减小，相应弯曲应力也减小，板块可以比其他连接大。

　　图 5 背栓式受力示意

　　取同一位置的石材面板的弯曲应力进行比较，背栓式弯曲应力最小，小单元式弯曲应力次之，短槽式弯曲应力最大。

　　背栓式连接计算: 风荷载作用下，4 点支承背栓式连接板最大弯曲应力标准值 σwk= 6mwklxly/ t2( m为弯矩系数，wk为风荷载标准值，lx，ly分别为石材板水平、竖向边长，t 为石材板厚) ，垂直于板面地震作用下，最大弯曲应力标准值 σEk= 6mqEklxly/ t2( qEk为地震荷载标准值) ，应力作用组合 σ = 1. 4σwk+1. 3 × 0. 6σEk。石材板面需满足 σ ＜ fg，其中 fg为石材弯曲强度设计值。

　　3 石材幕墙几组试验结论

　　1) 参考有关对比性试验数据证明: 在同等受力状态，板材规格尺寸相同的情况下，背栓体系的承载性能高于传统销钉销板体系 3 ～4 倍，而相应的板材变形仅为其 1/2 或更小。

　　2) 中国建筑科学研究院对慧鱼公司委托的石材幕墙背栓式连接方式进行模拟振动台动力试验，当相当于 9 度罕遇地震时，背栓无一失效，面板无一破损，框架层间位移达到层高的 1/102，这种幕墙满足抗震要求。

　　3) 广州明华抗震技术工程公司进行的一组对比试验: A 面为小单元石材幕墙，B 面为通槽式石材幕墙，C 面为短槽式及钢销式石材幕墙。在台面地震加速度为 0. 6g 以下时，A，B，C 面的石材和 4 种连接方式表现均较好; 在台面地震加速度为 0. 6g时，B 面和 C 面各有一块石材在连接处有局部损坏;在相当于 8 度地震时，A 面小单元石材幕墙没有损坏，表现较好。

　　4 石材幕墙面板常用连接方式性能比较( 见表 1)5 结语通过以上分析和试验说明，高层建筑中石材幕墙优先考虑背栓式和小单元式连接方式，当然石材面板的强度计算需要满足要求，在大板块石材幕墙中背栓式要好于小单元式连接方式。考虑经济性，中低层建筑优先选取短槽式连接方式是合适的。

　　针对不同的工程，合理选取连接方式，这样才会满足规范要求并且经济合理。

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