浅谈旋进式背栓石材幕墙的发展

    1、石材幕墙及背栓石材幕墙的发展

    1.1 石材幕墙的发展

    建筑幕墙是由幕墙支承结构体系与面板组成的建筑外围结构，根据建筑幕墙使用的面板材料，可分为玻璃幕墙、金属幕墙、石材幕墙等。实际应用时，尤其是大型工程中，往往采用组合式幕墙，即在同一工程中同时采用玻璃、金属、石材等作为幕墙的面板。2012年我国建筑幕墙达到9130万m2，其中石材幕墙约占30％，约3000万m2左右。上世纪90年代后期，石材幕墙年平均约50万m2，15年时间年平均用量增长了近60倍。现在中国石材幕墙最高度已达到230m；最大风荷载的设计值已达12kPa，单个工程使用石材幕墙用量可达到了10万m2。

    石材是脆性材料，自重较大，材质变化大，强度分散大， 在石材幕墙快速发展的同时，对其安全使用自然有种种疑虑，在石材幕墙的实际工程中，也出现了不少令人担忧的现 象。

    1.2  2011年抽查十城市既有幕墙安全情况抽查基本情况见表1，项目总数96项，兼含石材幕墙20项，有故障及隐患的7项，约占总数量的30％。

    1.3 石材幕墙破裂举例 ( 见图1-4)

    1.4 如何提高石材幕墙安全性？安全性建筑行业普遍关注的课题。

    石材幕墙工程实践表明：面板材料安全和连结可靠互为影响、互相依存，面板与支承连结可靠性直接影响石材幕墙安全性。因此，石材幕墙在摒弃水泥湿贴工艺之后，集中在干挂连结结构研究和开发，先后有两个方面的干挂连结结构件，即石材侧面干挂连结结构件和石材背面干挂连结结构件。侧面干挂连结结构件有：销钉挂件、T型挂件、蝴蝶挂件、通槽挂件、L形挂件、复合挂件等。石材侧面干挂连结结构件主要是从国外引进的，经过30年的实践，试验和施工实践经验都表明销钉挂件、T型挂件、蝴蝶挂件等的可靠性、可拆性较差，通用性不强，市场逐渐缩小。从以上一些照片可看出，侧面连结也较背式连接质量问题多，石材的槽壁根部承受弯剪应力，石材面板槽壁板脊根部易发生剪切弯曲破坏。加之传统的开槽工艺容易损坏石材，使得侧面干挂连结结构法的安全性不高。目前石材幕墙市场不断扩展，背式连接挂件也不断改进、完善，先后出现两种背栓安装工艺：敲击式背栓和旋进式背栓。敲击式背栓的代表是慧鱼敲击式背栓、斯泰敲击式背栓；旋进式背栓的代表是凯尔旋进式背栓、旗鱼旋进式背栓。

    1.5、背栓石材幕墙的发展

    背栓式石材幕墙是一组底部拓孔，采用专用工艺，通过锚栓凸形结合与框架支撑协调组合而成的干挂石材的新技术、新工艺。背栓式也称无应力锚固式，采用在专业设备上由专门与锚栓匹配的金刚石钻头拓孔技术，一般对石材不会损伤；锚栓在拓孔部分与锚固技术形成凸形结合，通过啮合将荷载传给锚固基底，膨胀环有三个对称的接触点，保证了应力的均匀分部；其寿命提高，造价降低，易于更换，使用维修也比较方便。

    背栓石材幕墙已有二十多年历史，我国在二十世纪90年代开始使用。1998年建成的上海中银大厦(浦东国际金融大厦)高235m，在139m以下采用了背式点连接花岗石幕墙，复盖主体结构表面15000 m2，花岗石幕墙(其构造型式为凸梯形与凸矩形组合)展开面积22000 m2，使用了约3万块花岗石，6万个背栓，花岗石尺寸为(H×B)2.05m ×0.3m。类似的还有上海交银大厦，见图5所示。

    中组部背式点连接花岗石幕墙花岗石尺寸为(H×B)2m × 2.7m，单块板重600kg。此外，全国还有很多工程采用了背式点连接花岗石幕墙。

    2、背式连接石材幕墙的试验。

    “实践是检验真理的唯一标准”，在建造这些幕墙时，除进行风压变形、空气渗透、雨水渗漏三项物理性能检测外， 还对背栓和背栓锚固石材的连接部位进行了背式点连接背栓锚固石材的拉拔试验，背栓拉伸试验，背栓锚固的长期（8500h）静载抗剪、抗拉试验，背栓锚固的疲劳试验，以及背栓点连接花岗石幕墙的抗震性能振动台试验，积累了大 量试验参数，证明了背式点连接背栓点连接花岗石幕墙有很高的可靠性，同时找出了局部构造改进的方向。

    2.1、 锚固件抗拉拔承载能力试验。 从试验情况看背栓与石材的锚固处全部是石材冲切破坏，破坏状态为石材锥度破坏，影响破坏的因素有背栓直径、背栓锚深、石材本身强度，其中锚深影响最直接，而且当锚深等于小于 12mm 时，承载能力破坏的离散性较大，经回归统计，抗拉拔承载能力按锚深的指数 1.5 增长，基材强度对抗拉拔承载能力按指数 0.5 增长，6mm 背栓连接抗拉拔承载能力为4.5KN~8KN，φ 8mm背栓抗拉拔承载能力为5KN~10KN，φ12mm背栓抗拉拔承载能力为 6KN~12KN。

    2.2、 背栓拉伸试验。背栓用A2-70  不锈钢制造，一颗φ12mm （φ 8mm 、φ 6mm ）背栓应力截面积为84.3mm2 (36.6mm2 、20.1mm2)，其极限拉伸强度为59KN(25.6KN、14KN)是背栓锚固石材拉拔力的 2.5 倍~10 倍，也就是说背栓锚固石材只会是石材冲切破坏。

    2.3、锚固件锚固的长期静载试验。 锚固件长期静载试验，测试背栓锚固不同强度的基材在长期静载下的位移松动及徐变性能，设计试验时间为一年 （8500H），试验分长期荷载抗剪试验和抗拔试验，抗剪试验是指背栓在承受荷载抗剪作用下经 8500H 后，对受拉试件做 极限拉拔力试验与未经长期荷载试验的试件作对比，试验结果说明抗剪性能良好，除加载初期观察到较小因装配间隙位 移（≤0.3mm）外未见其他破坏，在长期抗拉拔试验中未见破坏和明显位移。

    2.4、锚固件锚固的荷载疲劳试验，即反复荷载的疲劳试验。

    在正压 300 万次、负压 300 万次往复动力载荷耐疲劳度试验中，使背栓锚固连接部位在数百万次强劲往复动力荷载耐疲劳试验中未见损坏和明显位移。

    2.5、抗震试验。 

    华南城建学院抗震中心、中国建筑科学研究院、中国水科科学研究院进行多次石材幕墙抗震性能振动台试验。华南城建学院抗震中心1998 年对钢销式、通槽式、短槽式、背栓式五种连接方式石材幕墙试验，试验结果表明在地震加速度0.6g（相当于烈度 9.6 度）以下时一切正常，在地震加速度0.6g 时，通槽 T 形勾 2 块有轻微裂缝，短槽 T 形勾 1 块有轻微裂缝。在地震加速度 0.6g 时，背栓有松动迹象，在地震加速度 0.8g 时（相当于烈度 10 度），幕墙一个上部挂勾脱出横梁（图 6），经分析是主要是栓孔未达到公差精度要求，幕 墙组件的挂勾与横梁搭接量小于 3mm。根据试验中出现的问题，改进挂勾与横梁搭接设计，即增加两者搭接量（≥5mm）（图 6-b），并用硅酮密封胶填缝（使挂勾可在槽内活动），1999 年进行试验，在地震加速度 0.9 g、位移 1/60 时，幕墙完好无损。2001 年单元式通槽连接石材幕墙试验结果，在地震加速度 0.8g、位移 1/150 时，幕墙完好无损。中组部 2m×2.7m背栓点连接花岗石幕墙，在地震加速度 1.0g、位移 1/100 时，背栓点连接花岗石幕墙仍完好无损。而且经过抗震试验的试件背栓与石材锚固处的石材抗拉拔能力与未经抗震试验的试件几乎没有区别。

    2.6、用背栓点连接花岗石幕墙进行建筑外饰面花岗石施工是建筑外饰面施工技术的突破，使石材幕墙有了广阔的使用领域，背栓点连接花岗石幕墙的背栓仅用作为石板材与连接件的紧固件，这样连接件可按需要灵活设计，其他干挂连接的使用部位和方法带有很大局限性，背栓点连接方法为石材幕墙和玻璃(金属)幕墙组合成组合幕墙创造了条件，即在同一立柱上可左面安装玻璃幕墙，右面安装石材幕墙，在同一横梁上，可上面安装玻璃幕墙，下面安装石材幕墙。

    3、背栓石材幕墙需要考虑和改进的问题

    3.1、石材的拓孔工艺的改进

    钻孔后再摆动扩孔的拓孔工艺，在石材底孔根部造成损伤。易使孔根部产生裂纹或损伤，改进后的打孔方法，是采用特殊工艺加工而成的钻头通过改变钻头的运动方向来一次性完成钻拓孔的打孔工艺。

    3.2、埋人背栓的可靠性

    图7是膨胀环背栓的膨胀环未到位照片，使业内人士对膨胀环背栓的埋人可靠性产生忧虑，旋进式背栓进行了改进，提高了埋人背栓深度的精确性和可靠性。

    3.3、背栓埋深的精确性和抗拔性

    试验结果表明：原背栓与改进背栓不同工艺的不同孔深条件下，改进背栓抗拔力高于原背栓抗拔力。通过旋进式工艺背栓埋深的精确性大大得到提高。

    3.4、薄板及人造板推广应用

    应当说明背栓点连接方法和工艺，是德国公司首先在中国推广应用。在中国率先引入背面连接技术理念。德国公司对中国石材幕墙的发展作出了贡献。实践发展表明德国慧鱼背栓有很多优点，但也有值得改进之处，中国一些公司这方面的研发工作也一直未停，这些企业发展了背式连接的长处，不断改进了原背栓一些的短处，尤其是在以上所述的需要考虑的问题上有较大改进。

    4、旋进式背栓性能简要分析

    4.1、热胀冷缩及压胀应力对比分析

    花岗石属脆性材料，在与不锈钢硬性扩胀抵触时，易造成胀应力，至使花岗石直线进裂破坏，或因此留下安全隐患导致石材在温差、地震时进裂。面对以上问题，旋转背式连接背栓通过旋转式安装的方法并对背栓进行顶进限位设计，背栓套将膨胀到设定大小后，便不再膨胀，避免了敲击所带来的突变荷载造成的胀应力，消除了膨胀环未到位的隐患，有效地解决了由于热胀冷缩及压胀应力带来的不利影响。确保了脆性板材的安全可靠性。如图8所示。

    4.2、受正风压对比分析

    由于石材自身的厚度不一，为控制装饰面的平整度，锚固深度难以控制，当背栓植入深度较深时，在正风压的影响下，可能会出现顶裂石材问题。旋转背式连接背栓利用背栓套根部螺栓形成的切面与石材紧密相连，避免了背栓底部受正风压的影响，从而背栓深度可以加深，大大提高了安全系数。可适用于各种高度，最大风压地区使用。如图9所示。

    4.3、抗扭剪分析

    普通背栓由于间隙与公差，使背栓系统与石材不能形成整体，在外力作用下而产生扭力与剪力，在此综合应力下，板材会造成下垂等缺陷，旋转背式连接背栓由于最大限度克服了间隙与公差，形成了一个整体抗扭抗剪的态势，从而有力了解决了这个问题。见图10所示。

    4.4、锚固件抗拉拔承载力能力试验及拉伸试验

    从实验情况看，旋转式连接背栓对石材的锚固处产生破坏，破坏状态为石材锥度破坏。影响破坏的因素有背栓锚深、石材本身强度、背栓直径等，其中锚深影响最直接。经统计，6mm背栓连接抗拉拔承载能力4.5-8kN，8mm背栓连接抗拉拔承载能力为5-10kN，而6mm背栓其极限拉伸强度为14kN，而8mm背栓其极限拉伸强度25.6kN，是背栓锚固石材拉拔力的2.5-10倍，也就是说背栓锚固石材只会是石材被冲切破坏。从上面的数据分析可知背栓的直径并不能显著提高背栓的连接抗拉拔承载能力，在石材冲切破坏时并不起决定性作用。而通常都是因为石材本身的强度不够而被破坏的。故应在石材选用上多加控制。

    4.5、抗震性能分析

    旋转式连接背栓具有限位扩张无胀应力、无压应力，形成了抗震抗风荷载较理想的悬挂小单元。在通过国家工程质量监督检验中心采用最新规范抗震实验时，幕墙试件在峰值加速度为70gal、100gal、200gal、400gal、620gal的“EL-Centro”地震波和“人工”地震波的X、Y和Z方向模拟地震作用过程中，没有发生任何损伤和破坏。

    4.6、成孔质量的可预见性

    成孔的质量是背栓与板材是否能牢固连接的很关键的一环。所以板材在挂好之前的每一步检测都非常重要。现在市场上敲击式背栓是通过强力敲击进人板材内部，再通过异形螺杆带动背栓套的扩张达到固定的效果。故而它对孔尺寸要求不高，也就是说孔大小不是很重要。这正是其带来安全隐患弊端的不可预见性。其危害程度是潜在的，所以往往不为人所重视，最终造成的损失将是惨痛的。采用最新规范设计的锚栓可以消除敲击式背栓的安全隐患。这种通过独特的设计不仅避免了应力集中过大，而且它可以在背栓安装时就能检测出孔的合格与否并及时纠正，并有良好的可更换性。这是市面上现有的背栓无法做到的。

    5、背面连接石材幕墙设计的建议：

    5.1  在石材背面进行连在时，应按照连接形式合理选用其设计计算方法。宜通过试验确定其承载力。

    背面连接的石材面板，其跨度可以减小；石板承受的弯矩较小，拆装也比较方便，目前已采用的背面连接方式有进口背栓、敲击式背栓、旋进式背栓、背槽、背卡等多种，受力情 况各不相同，相应采用不同的设计计算方法。背面连接方式的承载力与石材类型及强度。金属连接付的形式和构造都有密切关系，一做首先通过试验得到其承载力与各种因素的相关关系，再推导出设计方法。

    5.2、背卡、背槽等连接的槽口内，宜灌注干挂石材幕墙用环氧粘接剂，其性能应符合《干挂石材幕墙用环氧胶粘剂》 JC788 的规定。

    背卡、背槽连接的金属件要通过与石材之间的粘结力来发挥作用，同此要灌注于挂石材幕墙用胶粘剂予以充分粘结。 背栓连接用于较软弱的有孔洞的石材面板时，背栓孔宜灌注石材幕墙用环氧胶粘剂或植筋胶。 背栓主要通过石板扩孔后形成的锥面传力，一般情况下可以不注胶。但在疏松、多孔性石材中应用时，为防止连 结处过分薄弱而使背柱失效，宜在孔内注胶。

    5.3、在较软弱和有孔洞的石板中采用背面连接时，宜采取加贴玻璃纤维布或设置加强粘胶层等防破碎坠落措施。

    背面连接方式属局部连接方式，对疏松、多孔和软弱的石材面板的局部缺陷影响较为敏感，局部应力也较多集中，为 了防止连接件在失效或石材破裂时坠落，通常在背面粘贴防止石材破碎后坠落的玻璃布或聚合物胶层。上述玻璃纤维织物或胶层应有足够承载力，工作性能应可靠。有些工程在石板后面简单涂刷胶粘利后，粘贴玻璃纤维丝，不宜采用。

    5.4、背栓连接方式应采用不锈钢背栓，背栓直径不小于 6mm， 连接件厚度不小于 3mm,  锚深宜大于 12mm。      

    5.5、背栓与石板边距不宜大于 300m；也不宜小于 100m；背栓间距离不宜大于 800mm。

    5.6  背栓式连接石材幕墙可采用开放式板缝设计，开放式板缝应符合下列规定。

    A）背部空间应防止积水，并采取措施顺畅排水；B）面板背面的保温材料应有防水措施，可采用镀锌钢板、 铝板防水；C）背部空间应保持通风，使潮湿水汽可以顺畅排出； D）支承结构和金属连接件应采取更有效的防腐措施： 

E）开缝设计的石材面板宜在背面粘贴玻璃纤维织物或采用涂布加强粘胶层等防坠落措施。

    5.7、小块石板采用 1 个或 2 个背栓连接时，应在内侧加设尼龙顶紧螺栓。

    5.8、背栓式连接石板抗弯设计应符合以下规定：

    A）在风荷载、地震作用下，四点支承板最大弯曲应力标准值可按下列公式计算：

    B）由各种荷载和作用在石板中产生的最大弯曲应力标准值应按新规范规定组合，其最大弯曲应力设计值不应超过石材抗弯强度设计 值。

    5.9 背栓的承载力设计值取其承载力标准值除以系数 2.15 后采用。

    5.10 背栓在风荷载或地震作用下，其拉力标准值按下列公式计算：

    5.11、背栓拉力标准值应按新规范规定进行组合，所得拉力设计值不应大于背栓受拉承载力设计值。

    5.12、背栓抗剪设计应符合以下规定：

    A）单个背检剪力设计值可按下式计算：

    B）背面连接的石材面板背栓剪力设计值不应大于背栓抗剪承载力设计值。