背栓點接式石材幕墻概述

用背栓點接式石材幕墻進行建筑外飾面是施工技術的重大突破，它開辟了石材幕墻施工工藝的新紀元。使石材幕墻有了廣闊的使用領域，即任何建筑物、任何高度、任何部位、任何構造形式都可以采用背栓點接式花崗石幕墻。背栓點接式花崗石幕墻的背栓僅用作石板材與連接件的緊固件，這樣連接件可按需要靈活設計，而鋼銷式、短槽式、通槽式的鋼銷（鋼鉤）既和橫梁（立柱）連接，又和石材連接，它的使用部位和方法帶有很大局限性，背栓點連接方法為石材幕墻和玻璃（金屬）幕墻組合成組合幕墻創造了條件，即在同一立柱上，可左面安裝玻璃幕墻，右面安裝石材幕墻，在同一橫梁上，可上面安裝玻璃幕墻，下面安裝石材幕墻。

背栓點接式花崗石幕墻已有二十多年歷史，我國在二十世紀九十年代開始使用。1998年建成的上海中銀大廈（浦東國際金融大廈）高235m，+139m以下采用了背栓點接式花崗石幕墻，復蓋主體結構表面15000 m2， 花崗石幕墻（其構造型式為凸梯形與凸矩形組合）展開面積22000m2，使用了約3萬塊花崗石，6萬個背栓，花崗石尺寸為（H*B）2.05m*0.3m，花崗石幕墻最高點為139m。1999年建成的上海交銀大廈采用的背栓點接式花崗石幕墻最高標高達196m，全國還有很多工程采用了背栓點接式花崗石幕墻，總用量超過100萬m2。

在建造幕墻時，除按慣例進行三性檢測外，還對背栓和背栓錨固石材的連接部位進行了背栓拉伸試驗、拉拔試驗、錨固的長期（8500h）靜載抗剪、錨固的疲勞試驗、抗震性能振動臺試驗，積累了大量試驗參數，證明了背栓點接式花崗石幕墻有很高的可靠性，同時找出了局部構造改進的方向，下面進行詳細討論：

（1）背栓拉伸試驗。調查資料看出，背栓的材質與A2-70不銹鋼螺栓相近，其極限抗拉強度接近700N/mm2，非比例伸長應力大于480N/mm2，一顆Φ12mm(Φ8mm、Φ6mm)背栓應力截面積為84.3mm2 (36.6mm2、20.1mm2)，其極限拉伸強度為59KN（25.6KN、14KN）是背栓錨固石材拉拔力的2.5倍~10倍，背栓錨固石材只會是石材沖切破壞，因此只要選對背栓的鋼號就行了。

（2）背栓伸拉試驗對試驗結果進行數理統計后，應按GB50068第5.0.3條規定取fk= micro;f-1.645σf ，背栓抗拉強度設計值按GB50017可取為ftb=fub/2.174，抗剪強度設計值fvb=fub/2.857。

現在有的廠商提供的參數，取fk=μf-2.57σf 及抗拉材料分項系數1.8，和抗剪材料分項系數3.2和GB50068和GB50017不一致，GB50068第1.0.3條規定：“制定結構荷載規范以及鋼結構設計規范——等設計規范應遵守本規范的規定”。我個人意見還是按GB50068執行。

2、錨固件抗拉拔承載能力試驗

從試驗情況看背栓與石材的錨固處全部是石材沖切破壞，破壞狀態為石材錐度破壞，影響破壞的因素有背栓直徑，背栓錨深，石材本身強度，其中錨深影響最直接，而且當錨深等于小于12mm時，承載能力破壞的離散性較大，經回歸統計，抗拉拔承載能力按錨深的指數1.5增長，基材強度對抗拉拔承載能力按指數0.5增長，6mm背栓連接抗拉拔承載能力為4.5KN~8KN， Φ8mm背栓抗拉拔國承載能力為5KN~10KN，Φ12mm背栓抗拉拔承載能力為6KN~12KN。

上述為承載能力標準值，即將拉拔試驗結果進行數理統計，將平均值減去1.645倍標準差，前述錨深≤12mm離散性較大，其標準差也大，按fk=μf–1.645σf計算已考慮了離散性，不必再用系數折減。其設計值fTv=fk/2.143/2。對只進行了石材抗壓（抗彎）試驗的工程可用應力法計算抗剪強度：τ=P/[π*h/cosα*(D+h*tanα)] ≤fT

3、錨固件錨固的長期靜載試驗

錨固件長期靜載試驗，測試背栓錨固不同強度的基材在長期靜載下的位移松動及徐變性能，設計試驗時間為一年（8500H），試驗分長期荷載抗剪試驗和抗拔試驗，抗剪試驗是指背栓在承受荷載抗剪作用下經8500H后，對受拉試件做極限拉拔力試驗與未經長期荷載試驗的試件作對比，試驗結果說明抗剪性能良好，除加載初期觀察到較小因裝配間隙位移（≤0.3mm）外未見其他破壞，在長期抗拉拔試驗中未見破壞和明顯位移。 說明背栓與石材的連接即使在長期外荷載下作用也有很大的可靠性。

4、錨固件錨固的荷載疲勞試驗，即反復荷載的疲勞試驗。

在正壓300萬次+負壓300萬次往復動力載荷耐疲勞度試驗中，對帶尼龍塑料套墊的背栓在栓與孔之間起到三向隔震減震效應，在沖擊作用下起到緩沖作用，使背栓錨固連接部位在數百萬次強勁往復動力荷載耐疲勞試驗中未見損壞和明顯位移，而單切面背栓由于背栓本身活動，在往復動力的壓、拉作用下，最差的在126次負壓破壞，因此可以看出背栓最好要帶尼龍套墊，并采用雙切面即背栓與石材要首先緊固。

5、抗震試驗

華南城建學院抗震中心、中國建筑科學研究院、中國水科科學研究院進行多次石材幕墻抗震性能振動臺試驗。試驗結果表明在地震加速度0.6g以下（相當于烈度9.7度）時一切正常，華南城建學院抗震中心試驗中發現在0.6g 時背栓有松動跡象，0.8g時 （相當于烈度10度）幕墻掛勾有脫出橫梁的可能，經分析是主要是栓孔未按公差要求加工，采用單切面無尼龍套墊的背栓，幕墻組件的掛勾與橫梁搭接量小于6mm。其他試驗采用了帶尼龍套墊的雙切面背栓，幕墻單元組件掛勾與橫梁搭接高度大于10mm，即使在0.9g（相當于烈度10.2度）、層間變位達到1/54時，背栓點接式花崗石幕墻仍完好無損，而且經過抗震試驗的試件背栓與石材錨固處的石材抗拉拔能力與未經抗震試驗的試件幾乎沒有區別。

從以上試驗可以看出，背栓式點連接花崗石幕墻在規范規定的使用范圍（6-8度區）時，可以采用無尼龍塑料套墊的單切面背栓，當用于9度區及9度以上烈度區時，應采用帶尼龍塑料套墊的雙切面背栓。幕墻組件掛勾與橫梁的搭接高度應不少于10mm。

1.設計與計算

1.1 構造設計

背栓是一個緊固件，它把石材通過背栓點接式連接件聯結在幕墻框格上，它屬于可以自由拆卸的堅固件，連接件可按需要即按照每幅幕墻中與石材幕墻相組合的玻璃（金屬）幕墻的構造要匹配的構造要求來設計連接件。例如和外插式隱框幕墻（小單元幕墻）相組合時可采用與外插式相匹配的連接件，用背栓將石材固定在外插式付框上。

石材與連接件的連接，視石板材尺寸和構造要求可采用一個背栓、兩個背栓、四個背栓等。

1.2 設計計算

（1）一塊板用一個背栓 P=qA

σ=(p/t2)*[0.5456Ln(0.64L/t)+1.062]≤fT 或

σ=(p/t2)*[1.25631g(0.64L/t)+1.062]≤fT

u=C * (P* L2/E*t3)

τ=P/[π*h/cosα*(D+h*tanα)]

式中：L——LX、LY 中較小者（mm）; t——板厚（mm）;

D——錨孔直徑（mm）; h——錨孔深度（mm）。

（2）一塊板用兩個背栓錨固，可簡化為兩端帶懸臂的簡支板計算

MA=MB=-qa2/2

R=qL/2

MΦ=qL2/8*[1-4*(a/L)2]

uc=UD=qaL2/24EI[-1+6(a/L) 2+3(a/L)3]

uΦ=Ql4/384EI[5-24(a/L)2]

τ=R/[π*h/cosα*(D+h*tanα)]

（3） 一塊板用四個背栓錨固，按四角支承板計算

σ=6mqL2/t2 式中：L——LX、LY 中較大； m——彎距系數。

τ=(qa/4*1.25)/[π*h/cosα*(D+h*tanα)]

2.背栓點接式花崗石幕墻用于連接設計

下圖為有五個凸角，三個凹角組成的裝飾線，用背栓將石材緊固在五個連接件上順利完成了裝飾要求，這對鋼銷、鋼勾是無法完成的。

3.雨幕原理（The Rain Screen Principle）和石材幕墻防水構造設計

雨幕原理是一個設計原理，它指出雨水對這一層“幕”的滲透將如何被阻止的原理，在這一原理應用中其主要因素為在接縫部位內部設有空腔，其外表面的內側的壓力在所有部位上一直要保持和室外氣壓相等，以使外表面兩側處于等壓狀態，其中提到的外表面即“雨幕”。壓力平衡的取得是有意使開口處于敞開狀態，使空腔與室外空氣流通，以達到壓力平衡。這個效應是由外壁后面留有空腔所形成，此空腔必須和室外聯通才能達到上述目的，由于風的隨機性造成的陣風波動亦需在外壁兩側加以平衡。